CN108540025A - 一种十二相无刷直流电机仿真方法及系统 - Google Patents

一种十二相无刷直流电机仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种十二相无刷直流电机仿真方法，包括：设置电机初始参数，设置电机参考转速；根据电机初始参数计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速；获取电机的转子位置，并根据电机转速、参考转速和电机的转子位置计算每相定子绕组参考电流；根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号；根据PWM控制信号控制每相定子绕组的对地电压，再次计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速；获得每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形。本发明利用仿真软件在仿真平台上对十二相无刷直流电机进行仿真，可以更加仿真波形调整电机参数直到得到符合要求的波形，从而使电机参数满足电机性能。

Description

一种十二相无刷直流电机仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及仿真领域，具体涉及一种十二相无刷直流电机仿真方法及系统。
背景技术
随着电机技术的进步，目前所用的三相无刷直流电机在性能上已经渐渐不能满足需要，为了使电机更早进入稳态，响应速度更快，波动量更小，我们提出了十二相无刷直流电机，但是由于十二相无刷直流电机涉及到的参数多，电机控制复杂，如果生产出来的产品由于参数设置不合适，不但达不到我们想要的效果，还会浪费大量的人力和物力，因此，现阶段的十二相无刷直流电机还处于概念阶段。
针对上述情况，急需设计出一套行之有效的关于十二相无刷直流电机参数的验证和调整方法，为最终的电机产品提供性能保证。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种十二相无刷直流电机仿真方法，其利用仿真软件先在仿真平台上对十二相电机的定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速进行计算并得到相应的仿真波形，如果仿真波形不符合要求，则返回去调整电机参数直到得到符合要求的波形，从而使电机参数满足电机性能。为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种十二相无刷直流电机仿真方法，应用于仿真软件，包括：
步骤S1：设置电机初始参数，设置电机参考转速；
步骤S2：根据电机初始参数计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速；
步骤S3：获取电机的转子位置，并根据电机转速、参考转速和电机的转子位置计算每相定子绕组参考电流；
步骤S4：根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号；
步骤S5：根据PWM控制信号控制每相定子绕组的对地电压，再次计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，返回步骤S3，同时进行步骤S6；
步骤S6：获得每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形，分析每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形是否均符合要求，如果均符合，仿真结束，否则，调整电机参数，重新进行仿真直至所述每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形均符合要求。
进一步地，所述十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接。
进一步地，步骤S2和步骤S5中所述计算电机定子绕组相电流具体为：根据公式(Ⅰ)计算电机的十二相定子绕组相电流；
其中，根据公式(Ⅱ)、公式(Ⅲ)、公式(Ⅳ)、公式(Ⅴ)和公式(Ⅵ)分别计算得到[LLLL]、UN、UN2、UN3和UN4，根据公式(Ⅶ)计算得到eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3；
UN＝(UA+UB+UC)/3-(eA+eB+eC)/3 (Ⅲ)
UN2＝(UA1+UB1+UC1)/3-(eA1+eB1+eC1)/3 (Ⅳ)
UN3＝(UA3+UB3+UC3)/3-(eA3+eB3+eC3)/3 (Ⅴ)
UN4＝(UA4+UB4+UC4)/3-(eA4+eB4+eC4)/3 (Ⅵ)
ex＝ke·ω (Ⅶ)
其中，UA、UB、UC、UA1、UB1、UC1、UA2、UB2、UC2、UA3、UB3、UC3分别为十二相定子绕组对地电压，iA、iB、iC、iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2、iA3、iB3、iC3分别为十二相定子绕组各相通过的电流，UN、UN2、UN3、UN4分别为十二相电机四套绕组中性点的对地电压，R为绕组电阻，L为绕组电感，M1为同套绕组之间的互感，M2为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅱ之间的互感，M3为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M4为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M5为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M6为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M7为定子绕组Ⅲ和定子绕组Ⅳ之间的互感，ex表示反电动势，x分别代表A、B、C、A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3十二相相绕组，ke为反电动势系数，ω为电机的角速度，eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3分别为十二相定子绕组的反电动势。
进一步地，步骤S2和步骤S5中所述计算电磁转矩和电机转速具体为:
根据公式(Ⅷ)计算电机电磁转矩Te；
根据公式(Ⅸ)计算电机角速度ω；
Te＝(eAiA+eBiB+eCiC+eA1iA1+eB1iB1+eC1iC1+eA2iA2+eB2iB2+eC2iC2+eA3iA3+eB3iB3+eC3iC3)/ω (Ⅷ)
其中，TL其中电机负载转矩，B为阻尼系数，J为转动惯量。
进一步地，步骤S3所述获取电机的转子位置，并根据电机转速和参考转速计算每相定子绕组参考电流具体为：
根据电机转速和参考转速，通过公式(Ⅹ)计算每套定子绕组的参考电流；
IS(t)＝KP(nref-n)+Ki∫(nref-n)dt (Ⅹ)
其中，KP为比例系数，Ki为积分系数，nref为参考转速，n为电机转速；
获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
进一步地，步骤S4所述根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号具体为：设置参考环宽，计算每相定子绕组相电流与每相定子绕组参考电流之间的偏差，并比较所述偏差是否大于所述参考环宽，然后将比较结果作为输出信号，其中，所述输出信号为PWM控制信号。
进一步地，相邻两套定子绕组相差π/12电角度。
一种十二相无刷直流电机仿真系统，可以用上述仿真方法进行仿真，包括：
电机主体模块：用于根据电机参数计算电机定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，并通过位置检测模块和电流检测模块分别与参考电流控制器模块和电流滞环控制器模块连接，还用于将电机转速反馈给参考电流控制器模块，还用于将定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速传送给示波器模块，其中，所述位置检测模块用于将获取的电机转子位置传送给参考电流控制器模块，电流检测模块用于将获取的每相定子绕组相电流传送给电流滞环控制器模块；
参考电流控制模块：根据参考转速、电机转速和电机的转子位置计算得到每相定子绕组参考电流，并将每相定子绕组参考电流传送给电流滞环控制器模块；
电流滞环控制器模块：通过电流检测模块获取每相定子绕组相电流，根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号，并将PWM控制信号传送给电压逆变器模块；
电压逆变器模块：根据PWM控制信号控制十二相定子绕组的导通情况，并将输出电压传送给电机主体模块；
示波器模块：与电机主体模块连接，用于供用户根据定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速的波形对电机性能进行分析。
进一步地，所述十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接，所述参考电流控制模块包括：
转速控制器模块：根据参考转速和电机转速计算得到每套定子绕组的参考电流，并将每套定子绕组的参考电流传送给每相参考电流控制器模块
每相参考电流控制器模块：通过位置检测模块获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
进一步地，所述电机主体模块包括：
电机本体模块：用于计算每相定子绕组的相电流；
转矩测量模块：用于计算电机的电磁转矩；
转速测量模块：用于计算电机的转速。
本发明利用仿真软件先在仿真平台上对十二相电机的定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速进行计算并得到相应的仿真波形，如果仿真波形不符合要求，则返回去调整电机参数直到得到符合要求的波形，从而使电机参数满足电机性能，具体地，本发明利用S函数、以及独立功能模块和S函数相结合的方式进行搭建模型，建模方式灵活，并且后期电机参数修改方便，处理能力强，可以方便地构建负载的动态系统，对于无刷直流电机具有非常好的仿真分析效果，为实际电机的智能化设计和调试提供依据。
附图说明
图1为本发明提供的仿真方法流程图。
图2为十二相无刷直流电机各相绕组空间位置示意图。
图3(a)和图3(b)分别为三相电机的相电流iA和十二相电机的相电流iA的仿真波形图。
图4(a)和图4(b)分别为三相电机的反电动势eA和十二相电机的反电动势eA的仿真波形图。
图5(a)和图5(b)分别为三相电机的电磁转矩Te和十二相电机的电磁转矩Te的仿真波形图。
图6(a)和图6(b)分别为三相电机的角速度ω和十二相电机的角速度ω的仿真波形图。
图7为本发明提供的仿真模型结构框图。
图8为电机主体模块的仿真封装示意图。
图9为转速控制器子模块仿真示意图。
图10为参考电流控制器子模块仿真示意图。
图11为电流滞环控制器子模块仿真示意图。
图12为逆变桥模块仿真示意图。
图13为十二相无刷直流电机的整体仿真模型图
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种十二相无刷直流电机仿真方法，应用于仿真软件，包括：
步骤S1：设置电机初始参数，设置电机参考转速；
步骤S2：根据电机初始参数计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速；
步骤S3：获取电机的转子位置，并根据电机转速、参考转速和电机的转子位置计算每相定子绕组参考电流；
步骤S4：根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号；
步骤S5：根据PWM控制信号控制每相定子绕组的对地电压，再次计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，返回步骤S3，同时进行步骤S6；
步骤S6：获得每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形，分析每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形是否均符合要求，如果均符合，仿真结束，否则，调整电机参数，重新进行仿真直至所述每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形均符合要求。
这里需要说明的是，在步骤S2前先启动电机，仿真最初，步骤S2是根据初始参数进行计算，通过步骤S3和步骤S4的闭环控制，虽然步骤S5中涉及到的计算公式与步骤S2一样，但是，在步骤S5的计算中，与步骤S3和步骤S4相关的变量会有所变化，在实际应用中，本方法通过步骤S3和步骤S4实现了双闭环方案，其中，步骤3为转速环，步骤4为电流环，步骤S6中得到的波形为从最初电机启动到电机进入稳态并在稳态维持一定时间的波形，如果波形不符合要求，则调整电机参数重新仿真直到得到符合要求的波形，另外，在一次仿真中，步骤3、步骤4、步骤5是循环执行的，步骤S6输出步骤S5计算得到的一系列的每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速对应的值，形成最终呈现的波形图。
这里需要说明的是，本实施例可以在Matlab下的Simulink环境中实现，也可以在其它具体仿真功能的软件或平台中实现，在仿真运行时，需要对模型进行初始化，首先需要设置的电机参数主要包括：定子相电阻R(这里可以取1Ω)，定子相绕组自感L(这里可以取0.02H)，定子同套绕组互感M1(这里可以取-0.061H)，两套绕组互感M2、M3、M4、M5、M6和M7(这里均可以取0.002H)，转动惯量J(这里可以取0.005kg.m^2)，阻尼系数B(这里可以取0.0002N.m.s)，额定转速n(这里可以取100r/min)，转子极对数(这里可以取1)，直流源(这里可以取220V)，反电动势系数ke(这里可以取0.06)，电机初始工作时，转子旋转机械角速度、转子旋转位置角、定子绕组相电流的默认值均为零，在一次仿真结束后，可以根据仿真波形调整相应参数。
作为优选，本实施例中，十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接，在本实施例中，可以将四套绕组的中性点短接。
这里需要说明的是，本实施例将十二相定子绕组设置为四套独立的三相Y型连接的定子绕组，一方面可以降低绕组之间的干扰，提高建模的准确性，另一方面可以让每套绕组的控制装置相互独立，结构简单，控制方法也简单易行，提高控制系统的可靠性。
还需要说明的是，每套控制装置包括一条三相全桥逆变电路，电路包括六个IGBT功率管，六个功率管的门极受外部输入的PWM信号控制，从而决定每个IGBT功率管的通断情况与通断时间。
具体地，步骤S2和步骤S5中所述的计算电机定子绕组相电流具体为：根据公式(Ⅰ)计算电机的十二相定子绕组相电流；
其中，根据公式(Ⅱ)、公式(Ⅲ)、公式(Ⅳ)、公式(Ⅴ)和公式(Ⅵ)分别计算得到[LLLL]、UN、UN2、UN3和UN4，根据公式(Ⅶ)计算得到eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3；
UN＝(UA+UB+UC)/3-(eA+eB+eC)/3 (Ⅲ)
UN2＝(UA1+UB1+UC1)/3-(eA1+eB1+eC1)/3 (Ⅳ)
UN3＝(UA3+UB3+UC3)/3-(eA3+eB3+eC3)/3 (Ⅴ)
UN4＝(UA4+UB4+UC4)/3-(eA4+eB4+eC4)/3 (Ⅵ)
ex＝ke·ω (Ⅶ)
其中，UA、UB、UC、UA1、UB1、UC1、UA2、UB2、UC2、UA3、UB3、UC3分别为十二相定子绕组对地电压，iA、iB、iC、iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2、iA3、iB3、iC3分别为十二相定子绕组各相通过的电流，UN、UN2、UN3、UN4分别为十二相电机四套绕组中性点的对地电压，R为定子相绕组电阻，L为定子相绕组自感，M1为同套绕组之间的互感，M2为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅱ之间的互感，M3为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M4为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M5为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M6为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M7为定子绕组Ⅲ和定子绕组Ⅳ之间的互感，ex表示反电动势，x分别代表A、B、C、A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3十二相相绕组，ke为反电动势系数，ω为电机的角速度，eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3分别为十二相定子绕组的反电动势。
具体地，步骤S2和步骤S5中所述的计算电磁转矩和电机转速具体为：
根据公式(Ⅷ)计算电机电磁转矩Te；
根据公式(Ⅸ)计算电机角速度ω；
Te＝(eAiA+eBiB+eCiC+eA1iA1+eB1iB1+eC1iC1+eA2iA2+eB2iB2+eC2iC2+eA3iA3+eB3iB3+eC3iC3)/ω (Ⅷ)
其中，TL其中电机负载转矩，B为阻尼系数，J为转动惯量。
具体地，步骤S3中获取电机的转子位置，并根据电机转速和参考转速计算每相定子绕组参考电流具体为：
根据电机转速和参考转速，通过公式(Ⅹ)计算每套定子绕组的参考电流；
IS(t)＝KP(nref-n)+Ki∫(nref-n)dt (Ⅹ)
其中，KP为比例系数，Ki为积分系数，nref为参考转速，n为电机转速；
获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
具体地，步骤S4中所述的根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号具体为：设置参考环宽，计算每相定子绕组相电流与每相定子绕组参考电流之间的偏差，并比较所述偏差是否大于所述参考环宽，然后将比较结果作为输出信号，其中，所述输出信号为PWM控制信号。
这里需要说明的是，步骤S4在实施过程中是通过仿真软件中的电流滞环比较器实现的，当实际电流(每相定子绕组相电流)低于参考电流且偏差值大于滞环比较器的环宽时，对应相正向导通，负向关断；当实际电流超过参考电流且偏差值大于滞环比较器的环宽时，对应相负向导通，正向关断。选择适当的环宽数值，就可以使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。
作为优选，本实施例中，相邻两套定子绕组相差π/12电角度。具体地，如图2所示，每套绕组的三相绕组之间的空间位置相差2π/3电角度，绕组Ⅰ与绕组Ⅱ对应相之间的空间位置相差π/12电角度，绕组Ⅱ与绕组Ⅲ之间的空间位置相差π/12电角度，绕组Ⅲ与绕组Ⅳ之间的空间位置相差π/12电角度，在工作中，同一时刻有八相绕组导通，其中四相正向导通，另外四相负向导通，同一套绕组的导通时序相差2π/3电角度，但是四套绕组的导通时序相差π/12电角度，此时，转子位置与参考电流之间的对应关系如表1所示。
表1转子位置与参考电流之间的对应关系
转子位置 Iar Ibr Icr
0-π/3 Is -Is 0
π/3-2π/3 Is 0 -Is
2π/3-π 0 Is -Is
π-4π/3 -Is Is 0
4π/3-5π/3 -Is 0 Is
5π/3-2π 0 -Is Is
转子位置 Ia1r Ib1r Ic1r
π/12-5π/12 Is -Is 0
5π/12-9π/12 Is 0 -Is
9π/12-1π/12 0 Is -Is
1π/12-17π/12 -Is Is 0
17π/12-21π/12 -Is 0 Is
21π/12-0-π/12 0 -Is Is
转子位置 Ia2r Ib2r Ic2r
2π/12-6π/12 Is -Is 0
6π/12-10π/12 Is 0 -Is
10π/12-14π/12 0 Is -Is
14π/12-18π/12 -Is Is 0
18π/12-22π/12 -Is 0 Is
22π/12-0-2π/12 0 -Is Is
转子位置 Ia3r Ib3r Ic3r
3π/12-7π/12 Is -Is 0
7π/12-1π/12 Is 0 -Is
1π/12-15π/12 0 Is -Is
15π/12-19π/12 -Is Is 0
19π/12-23π/12 -Is 0 Is
23π/12-0-2π/12 0 -Is Is
其中，Iar、Ibr和Icr分别为定子绕组Ⅰ中三相绕组的参考电流，Ia1r、Ib1r和Ic2r分别为定子绕组Ⅱ中三相绕组的参考电流，Ia2r、Ib2r和Ic2r分别为定子绕组Ⅲ中三相绕组的参考电流，Ia3r、Ib3r和Ic3r分别为定子绕组Ⅳ中三相绕组的参考电流。
还需要说明的是，对于十二相定子绕组相电流的求取是十二相无刷直流电机建模中最关键的也是最难的地方，其与三相无刷直流电机相比复杂得多，并不是因为十二相比三相多了九相，而是相比三相无刷直流电机来说，十二相无刷直流电机不仅同一套绕组内部之间有互感，任意两套绕组之间也存在互感，就因为这个互感的存在，使得十二相无刷直流电机的建模比三相无刷直流电机的建模复杂很多。
还需要说明的是，本实施例中，十二相无刷直流电机反电动势的求取方法采用的是分段线性法，在具体的仿真中，是通过S函数实现的，当相邻两套定子绕组相差π/12电角度时，S函数中是分为24个区间来求取反电动势的，表2是转子位置与十二相反电动势线性关系。
表2转子位置与十二相反电动势线性关系
其中，Pos表示转子的位置。
以一相仿真结果为例，对三相无刷直流电机和十二相无刷直流电机的仿真结果进行比较，图3(a)和图3(b)分别为三相电机的相电流iA和十二相电机的相电流iA的仿真波形图；从仿真波形图中可以看出，在相同负载下，十二相无刷直流电机的电流比三相无刷直流电机小很多，由此可以说明十二相无刷直流电机的带载能力更强，相同负载条件下，十二相电机对开关管的要求更低，空载时十二相电机的电流波动比三相电机也更小。
图4(a)和图4(b)分别为三相电机的反电动势eA和十二相电机的反电动势eA的仿真波形图。
图5(a)和图5(b)分别为三相电机的电磁转矩Te和十二相电机的电磁转矩Te的仿真波形图；从仿真波形图中可以看出，三相电机转矩在0.3s达到第一个稳态值1.5N·m，在1.5s达到第二个稳态值0N·m，有超调，波动量较大。十二相电机转矩在0.1s达到稳态值0N·m，在1.03s达到稳态值1.3N·m，3.04S时达到第三个稳态值0N·m，从转矩波形上看，十二相电机比三相电机更早进入稳态运行，且波动较小。
图6(a)和图6(b)分别为三相电机的角速度ω和十二相电机的角速度ω的仿真波形图；三相电机转速在0.28s达到稳定值1000r/min，至1.8s时达到另一稳定值840r/min，在3.08s时达到稳态值1001r/min，转速下降较多。十二相电机转速在0.14s达到稳定值1000r/min，至1.07s时达到另一稳定值965r/min，在3.08s时达到稳态值1000r/min，转速较平稳，加入负载后转速下降较小。十二相电机比三相电机更早进入稳态，响应速度更快，超调量更小。
实施例2
如图7所示，本实施例提供一种十二相无刷直流电机仿真系统，该仿真系统可以用实施例1提供的仿真方法进行仿真，包括：
电机主体模块：用于根据电机参数计算电机定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，并通过位置检测模块和电流检测模块分别与参考电流控制器模块和电流滞环控制器模块连接，还用于将电机转速反馈给参考电流控制器模块，还用于将定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速传送给示波器模块，其中，所述位置检测模块用于将获取的电机转子位置传送给参考电流控制器模块，电流检测模块用于将获取的每相定子绕组相电流传送给电流滞环控制器模块；
参考电流控制模块：根据参考转速、电机转速和电机的转子位置计算得到每相定子绕组参考电流，并将每相定子绕组参考电流传送给电流滞环控制器模块；
电流滞环控制器模块：通过电流检测模块获取每相定子绕组相电流，根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号，并将PWM控制信号传送给电压逆变器模块；
电压逆变器模块：根据PWM控制信号控制十二相定子绕组的导通情况，并将输出电压传送给电机主体模块；
示波器模块：与电机主体模块连接，用于供用户根据定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速的波形对电机性能进行分析。
具体地，本实施例中，所述十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接，所述参考电流控制模块包括：
转速控制器模块：根据参考转速和电机转速计算得到每套定子绕组的参考电流，并将每套定子绕组的参考电流传送给每相参考电流控制器模块
每相参考电流控制器模块：通过位置检测模块获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
这里需要说明的是，每相参考电流控制器模块的作用是根据参考电流幅值Is和转子位置信号为电流滞环控制器模块提供每相定子绕组参考电流，当相邻定子绕组对应相之间相差π/12电角度时，转子位置与参考电流之间的对应关系如实施例1中的表2所示。
具体地，所述电机主体模块包括：
电机本体模块：用于计算每相定子绕组的相电流；
转矩测量模块：用于计算电机的电磁转矩；
转速测量模块：用于计算电机的转速。
这里需要说明的是，由于本实施例中，电机的定子绕组为四套独立控制的绕组，电压逆变器模块可以包括四个独立逆变桥模块，转速控制器模块可以包括四个独立的转速控制器子模块，每相参考电流控制器模块可以包括四个独立的每相参考电流控制器子模块，电流滞环控制器模块可以包括四个独立的电流滞环控制器子模块，每一套定子绕组对应一个转速控制器子模块、一个每相参考电流控制器子模块、一个电流滞环控制器子模块和一个独立逆变桥模块，独立逆变桥模块的输出端再与电机主体模块对应定子绕组的接线端连接，从而实现四套定子绕组的独立仿真控制。
实施例3
本实施例结合仿真软件中的具体封装形式对实施例2中涉及到的模块做进一步描述。
如图8所示，为电机主体模块的仿真示意图，主体模块包括电机本体模块、转矩测量模块和转速测量模块，电机本体模块：用于计算每相定子绕组的相电流(图中用iabc,i1abc,i2abc和i3abc表示)；转矩测量模块：用于计算电机的电磁转矩(图中用Te表示)；转速测量模块：用于计算电机的角速度(图中用n表示)；另外，图中TL为负载转矩，ua、ub、uc、ua1、ub1、uc1、ua2、ub2、uc2、ua3、ub3和uc3分别为十二相定子绕组对地电压，Pos为转子的位置，eabc、e1abc、e2abc和e3abc分别为十二相定子绕组的反电动势。
如图9所示，以定子绕组Ⅰ为例，转速控制器子模块为单输入：参考转速(n_ref)和实际转速(n)的差值；同时，转速控制器子模块为单输出：参考电流i-ref，其中，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数。
如图10所示，以定子绕组Ⅰ对应的参考电流控制器子模块为例，图10为定子绕组Ⅰ对应的参考电流仿真子模块的仿真示意图，其作用是根据电流幅值信号Is(为参考电流i-ref的幅值)和转子位置信号Pos给出定子绕组Ⅰ中每相绕组的参考电流值Iar、Ibr和Icr，进一步地，转子位置与十二相参考电流的具体对应关系见表2。
如图11所示，以定子绕组Ⅰ对应的电流滞环控制器子模块为例，图11为定子绕组Ⅰ对应的电流滞环控制器子模块的仿真示意图，Iar、Ibr和Icr分别为定子绕组Ⅰ中每相绕组的参考电流值，Relay模块用于设置环宽，boolean模块用于将输入该模块的数据转换成数字逻辑量0或数字逻辑量1；NOT模块用于将输入该模块的数字逻辑量进行逻辑取反运算，逻辑0变成逻辑1，逻辑1变成逻辑0】；double模块用于将输入该模块的数据转换为双精度浮点类型数据。
另外，以定子绕组Ⅰ为例，定子绕组Ⅰ对应的逆变桥模块包括六个IGBT功率管，每个IGBT功率管的门极受所述电流滞环控制模块的输出信号控制，其中，电流滞环控制模块的输出信号为PWM信号，该逆变桥模块采用通用逆变桥模块进行建模，如图12所示，其中，模块前端连接相应的直流供电模块Us，逆变桥模块的g端子接收电流滞环控制模块的输出信号，逆变桥模块的输出端A、B、C与电机主体模块的ua、ub和uc连接。
如图13所示，为十二相无刷直流电机的整体仿真模型图。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种十二相无刷直流电机仿真方法，应用于仿真软件，其特征在于，包括：
步骤S1：设置电机初始参数，设置电机参考转速；
步骤S2：根据电机初始参数计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速；
步骤S3：获取电机的转子位置，并根据电机转速、参考转速和电机的转子位置计算每相定子绕组参考电流；
步骤S4：根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号；
步骤S5：根据PWM控制信号控制每相定子绕组的对地电压，再次计算每相定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，返回步骤S3，同时进行步骤S6；
步骤S6：获得每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形，分析每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形是否均符合要求，如果均符合，仿真结束，否则，调整电机参数，重新进行仿真直至所述每相定子绕组相电流波形、电磁转矩波形和电机转速波形均符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，所述十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立的定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接。
3.根据权利要求2所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，步骤S2和步骤S5中所述计算电机定子绕组相电流具体为：根据公式(Ⅰ)计算电机的十二相定子绕组相电流；
其中，根据公式(Ⅱ)、公式(Ⅲ)、公式(Ⅳ)、公式(Ⅴ)和公式(Ⅵ)分别计算得到[LLLL]、UN、UN2、UN3和UN4，根据公式(Ⅶ)计算得到eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3；
UN＝(UA+UB+UC)/3-(eA+eB+eC)/3 (Ⅲ)
UN2＝(UA1+UB1+UC1)/3-(eA1+eB1+eC1)/3 (Ⅳ)
UN3＝(UA3+UB3+UC3)/3-(eA3+eB3+eC3)/3 (Ⅴ)
UN4＝(UA4+UB4+UC4)/3-(eA4+eB4+eC4)/3 (Ⅵ)
ex＝ke·ω (Ⅶ)
其中，UA、UB、UC、UA1、UB1、UC1、UA2、UB2、UC2、UA3、UB3、UC3分别为十二相定子绕组对地电压，iA、iB、iC、iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2、iA3、iB3、iC3分别为十二相定子绕组各相通过的电流，UN、UN2、UN3、UN4分别为十二相电机四套绕组中性点的对地电压，R为绕组电阻，L为绕组电感，M1为同套绕组之间的互感，M2为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅱ之间的互感，M3为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M4为定子绕组Ⅰ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M5为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅲ之间的互感，M6为定子绕组Ⅱ和定子绕组Ⅳ之间的互感，M7为定子绕组Ⅲ和定子绕组Ⅳ之间的互感，ex表示反电动势，x分别代表A、B、C、A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3十二相相绕组，ke为反电动势系数，ω为电机的角速度，eA、eB、eC、eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2、eA3、eB3和eC3分别为十二相定子绕组的反电动势。
4.根据权利要求2所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，步骤S2和步骤S5中所述计算电磁转矩和电机转速具体为:
根据公式(Ⅷ)计算电机电磁转矩Te；
根据公式(Ⅸ)计算电机角速度ω；
Te＝(eAiA+eBiB+eCiC+eA1iA1+eB1iB1+eC1iC1+eA2iA2+eB2iB2+eC2iC2+eA3iA3+eB3iB3+eC3iC3)/ω (Ⅷ)
其中，TL其中电机负载转矩，B为阻尼系数，J为转动惯量。
5.根据权利要求2所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，步骤S3所述获取电机的转子位置，并根据电机转速和参考转速计算每相定子绕组参考电流具体为：
根据电机转速和参考转速，通过公式(Ⅹ)计算每套定子绕组的参考电流；
IS(t)＝KP(nref-n)+Ki∫(nref-n)dt (Ⅹ)
其中，KP为比例系数，Ki为积分系数，nref为参考转速，n为电机转速；
获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
6.根据权利要求2所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，步骤S4根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号具体为：设置参考环宽，计算每相定子绕组相电流与每相定子绕组参考电流之间的偏差，并比较所述偏差是否大于所述参考环宽，然后将比较结果作为输出信号，其中，所述输出信号为PWM控制信号。
7.根据权利要求1—6任意一项所述的一种十二相无刷直流电机仿真方法，其特征在于，相邻两套定子绕组相差π/12电角度。
8.一种十二相无刷直流电机仿真系统，可以根据权利要求1所述的仿真方法进行仿真，其特征在于，包括：
电机主体模块：用于根据电机参数计算电机定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速，并通过位置检测模块和电流检测模块分别与参考电流控制器模块和电流滞环控制器模块连接，还用于将电机转速反馈给参考电流控制器模块，还用于将定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速传送给示波器模块，其中，所述位置检测模块用于将获取的电机转子位置传送给参考电流控制器模块，电流检测模块用于将获取的每相定子绕组相电流传送给电流滞环控制器模块；
参考电流控制模块：根据参考转速、电机转速和电机的转子位置计算得到每相定子绕组参考电流，并将每相定子绕组参考电流传送给电流滞环控制器模块；
电流滞环控制器模块：通过电流检测模块获取每相定子绕组相电流，根据每相定子绕组参考电流和每相定子绕组相电流得到PWM控制信号，并将PWM控制信号传送给电压逆变器模块；
电压逆变器模块：根据PWM控制信号控制十二相定子绕组的导通情况，并将输出电压传送给电机主体模块；
示波器模块：与电机主体模块连接，用于供用户根据定子绕组相电流、电磁转矩和电机转速的波形对电机性能进行分析。
9.根据权利要求8所述的一种十二相无刷直流电机仿真系统，其特征在于，所述十二相无刷直流电机包括依次布置的四套独立定子绕组Ⅰ—Ⅳ，每套定子绕组为三相Y型连接，所述参考电流控制模块包括：
转速控制器模块：根据参考转速和电机转速计算得到每套定子绕组的参考电流，并将每套定子绕组的参考电流传送给每相参考电流控制器模块
每相参考电流控制器模块：通过位置检测模块获取电机的转子位置，根据每套定子绕组的参考电流和转子位置得到每相定子绕组参考电流。
10.根据权利要求8所述的一种十二相无刷直流电机仿真系统，其特征在于，所述电机主体模块包括：
电机本体模块：用于计算每相定子绕组的相电流；
转矩测量模块：用于计算电机的电磁转矩；
转速测量模块：用于计算电机的转速。
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