CN109408913B - 一种电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法 - Google Patents

一种电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法，包括以下步骤：(1)在多物理域仿真平台软件、低频电磁仿真软件、机械结构设计软件、板级模型构建软件、寄生参数仿真软件及控制算法建模软件中分别完成系统中各个部分的独立精确建模；(2)在多物理域仿真平台软件中整合所有独立模块，完成整体系统搭建并实现联合仿真，得到仿真实验结果；(3)搭建实验测试平台，进行传导干扰测试，并与仿真结果比较，不断修正模型；(4)对整个系统的进行干扰机理分析。实测证明，本方法在针对电机驱动控制系统进行传导EMI分析时，相比于使用经验法及简单公式计算法进行传导干扰分析时，具有良好的便利性及精准的仿真结果。

Description

一种电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法
技术领域
本发明涉及一种结合多物理域仿真平台软件、低频电磁仿真软件、机械结构设计软件、板级模型构建软件、寄生参数仿真软件和控制算法建模软件进行多物理场域联合仿真的分析方法，尤其涉及一种电机驱动控制系统传导电磁干扰联合仿真分析方法。
背景技术
随着世界工业水平的发展，精密敏感器件的广泛化使用，对电磁兼容设计与应用的技术要求越来越高，同时电机驱动系统电磁兼容设计需求日益增大。电磁兼容已经在多个领域得到广泛应用，并日益受到人们的逐步认识和重视。其中对于电机驱动控制电路，现今为了实现更高效率及精准控制，驱动电机采用的半导体工艺的改进与驱动频率的提升，使得系统中信号边沿速率的提升到ns级甚至更高。快速的信号边沿变化率使得电机驱动系统供电中具有很高的dV/dt与dI/dt，并转化为共模与差模噪声传导出去，影响许多敏感器件的正常工作，降低器件的精度、可靠性甚至产生不可逆的损坏。所以针对电机驱动控制系统的传导电磁干扰抑制十分重要。
针对于电机驱动控制系统的电磁干扰抑制，如果能在电路设计初期进行精确的预测仿真，结合相应的电磁干扰的机理针对性的进行电路电磁兼容的设计，可以有效的降低后期整改的成本以及增加电路整体的稳定性和可靠性。
传统的电机驱动控制系统电磁干扰机理分析方法，分析者不能够建立整个电机驱动系统的精确物理模型和数学模型，通常凭借经验性方式或简单的集总参数计算公式的进行系统模型建立及电磁干扰机理分析，而没有针对系统不同模块的特性采用适当的算法进行建模，导致具有复杂结构的整体系统模型精确度很低甚至是错误的，从而无法精准定量的针对电机驱动控制系统实现干扰机理分析，导致后续的改进措施很难达到预期的效果。
发明内容
1.发明目的
本发明的目的在于针对现有的电机驱动控制系统的传导电磁干扰建模分析方法的缺陷，提出一种结合多物理域仿真平台软件、低频电磁仿真软件、机械结构设计软件、板级模型构建软件、寄生参数仿真软件和控制算法建模软件针对系统各模块的特点进行建模并完成多物理场域联合仿真，实现电机驱动控制系统电磁兼容传导干扰机理定量分析。
2.技术方案
一种电机驱动控制系统电磁传导干扰设计联合仿真分析方法包括以下步骤：
(1)在多物理域仿真平台软件中，结合元器件厂商提供的数据，通过特征化建模完成电路开关元器件的特征化建模，并生成可以导入多物理域仿真平台软件的文件类型。
特征化建模主要针对的开关元器件为独立的开关元器件，具体对独立开关元器件包括静态工作点特性与动态特性进行仿真和拟合，实现具体参数提取及独立建模。
(2)在低频电磁仿真软件中，完成系统使用电机负载的精确电磁模型的建立。并通过低频电磁仿真软件中的外电路设置，运行生成对应电机的可以导入多物理域仿真平台软件的文件类型。
该步骤旨在建立电机的内在电磁及机械力学的交互模型，用于仿真分析驱动电机工作时电机的电磁特性、运动特性和机械特性。在电机电磁模型完成电机仿真建模的配置，最终建立电机的低频电磁模型。电机可以是直线电机、直流电机或异步电机等。
(3)在机械结构设计软件中完成电机驱动控制系统的箱体结构及线缆的三维尺寸模型的建立，保存为可以导入寄生参数仿真软件的文件类型。
该步骤旨在完成箱体结构及线缆具体三维尺寸结构的建立。建立的具体三维尺寸结构包括电机驱动控制系统使用的金属箱体结构，功率器件的散热器结构，主要输入输出类功率线缆的结构，支撑隔离电路印制板的结构。这些结构在机械结构设计软件中的完成装配，生成机械结构模型，并导入至寄生参数仿真软件中，
(4)将(3)中生成的结构及线缆的三维尺寸模型导入寄生参数仿真软件中，通过寄生参数仿真软件完成对结构及线缆的寄生参数的提取，保存为可以被多物理域仿真平台软件导入的结构及线缆寄生参数的模型。
该步骤旨在完成箱体结构及线缆的寄生参数模型的生成。在寄生参数仿真软件完成各项配置，实现多个频率下的寄生参数的分析，得到可以导入多物理域仿真平台软件的寄生参数模型。
(5)在板级模型构建软件中导入由电路设计软件根据具体电路印制板生成的数据交互文件，完成各类参数配置，生成电路印制板线路网络三维模型，并导入寄生参数仿真软件。
该步骤旨在完成电路印制板板级线路的建模。建立的电路印制板级结构，具体包括主要电源微带线、电源层铺铜、地层铺铜、主要地微带线及具有成为噪声通路可能性较大的线路。
(6)将(5)电路印制板线路网络三维模型导入为寄生参数仿真软件，在寄生参数仿真软件软件中完成不同频率下对电路印制板线路间寄生参数的提取，保存为可以导入多物理域仿真平台软件的电路印制板板级的寄生参数模型。
该步骤旨在完成电路印制板线路的寄生参数模型的生成。在寄生参数仿真软件完成各项配置，实现多个频率下的寄生参数的分析，得到可以导入多物理域仿真平台软件的寄生参数模型。
(7)在控制算法建模软件中完成电机驱动控制系统的控制算法的设计建模，同时实现控制算法建模软件与多物理域仿真平台软件的接口对接，能够实现控制算法建模软件与多物理域仿真平台软件进行联合仿真。
该步骤旨在实现控制算法建模软件与多物理域仿真平台软件的联合仿真，实现对多物理域仿真平台软件中电机模型运转进行特定的算法控制。
(8)在多物理域仿真平台软件中将(1)、(2)、(4)、(6)和(7)生成的独立模型导入，并加入集总参数元件从而完成整个电路系统的搭建，形成一个结合多种软件的多物理场域联合电机系统仿真模型。同时在多物理域仿真平台软件中完成电磁兼容传导干扰测试系统的搭建，实现电磁兼容传导干扰仿真建模功能。
(9)在多物理域仿真平台软件中完成多物理场域联合仿真。仿真得到线性阻抗网络上标称电阻上的噪声电压，并对该的噪声电压进行频谱分析，得到传导干扰的仿真频谱，也就是电机驱动系统的传导干扰仿真测试的结果。
(10)搭建传导干扰测试平台，进行电机驱动控制系统的传导干扰测试，得到电磁兼容传导干扰实测结果，旨在用于与联合仿真结果实现对照，用于作为进一步修正优化仿真模型的对比参考。
(11)将步骤(9)得到的电磁兼容传导干扰仿真结果与步骤(10)得到的实测干扰结果进行比较，若误差较小，则认为所建系统模型具有较高的准确性，同时及后续干扰机理分析的可行性。若误差过大，则认为模型与实际仍存在较大误差，需返回步骤(1)～(9)进一步优化独立模型与整体模型，直至误差小于一定阈值。
(12)得到精确的系统模型后，结合仿真结果，对系统的干扰进行定量分析，得到精确的干扰耦合数据，分析总结出系统的干扰机理。具体干扰机理包括干扰源、耦合路径及敏感设备3部分的定量数据特性。其中干扰源特性分析具体是指查找仿真电路的干扰源并精准定位，同时分析干扰源的频率、幅值、相位等电学特性。耦合路径特性分析具体是指，结合寄生参数模型及系统电路模型，分析定位干扰源的具体传导路径，完成干扰噪声整个回路的构建。敏感器件的特性分析在仿真中，具体是指线性阻抗网络的接受机50Ω电阻。最终将干扰源特性分析、耦合路径特性分析及敏感器件的耦合分析三者结合起来得到干扰机理。
3.有益效果：
(1)本发明结合具有不同功能不同算法的多种软件，针对结构、电路印刷版、电路、控制算法、电机等部分各自的特性及建模要求，选用适合的软件实现系统每个部分的高精度建模，发挥各个软件的优势。最终在多物理域仿真平台软件中完成所有模块的多物理场域联合仿真，从而实现仿真结果与实际测试最大程度上的吻合。基于联合仿真的结果，结合仿真模型，可以对电路系统干扰机理实现定量的干扰机理分析，从而为实现干扰抑制措施设计及优化提供可靠的理论支撑。该方法可将传导电磁干扰预测优化设计提升至开发阶段，大大降低电机驱动控制系统的后期整改的可能性，提高产品的开发速度，降低开发成本，降低产品整改的风险。
(2)本发明提出的结合多软件实现电机驱动控制系统多物理场域联合仿真的方法，各个步骤的可行性及使用便利性都较高，便于使用者针对不同的电机驱动控制系统建立特征化的整体模型，能够有效的帮助使用者对于电机驱动控制系统的传导EMI进行预测分析及后期整改。同时该方法也可推广至其他类似的控制系统的仿真中，实现高效率、高准确度、低成本的设计目标，具有很高的经济效益。
附图说明
图1为电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法的流程图。
图2为本发明一个实施例的传导干扰联合仿真得到的传导干扰测试结果频谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步说明，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。
本发明的一种电机驱动控制系统多物理场域联合仿真分析方法，针对中科院技物所四室生产的一套对置式直线电机驱动控制系统进行联合仿真分析，其仿真分析方法流程图如图1所示，包括：
多物理域仿真平台软件(如：ANSYS Simplorer)的开关元器件特征化建模、低频电磁仿真软件(如：ANSYS Maxwell)的制冷机直线电机电磁建模、机械结构设计软件(如：Solidworks、AutoCAD)的箱体及线缆结构建模、板级模型构建软件(如：ANSYS SIwave)的印制电路板结构建模、寄生参数仿真软件(如：ANSYS Q3D)的箱体线缆及印制电路板的寄生参数建模、和控制算法建模软件(如：Matlab Simulink)的电机控制算法建模、在多物理域仿真平台软件中完成电机驱动控制系统的构建及联合仿真分析，具体步骤如下：
(1)开关元器件的特征化建模
在多物理域仿真平台软件中，结合IRF3710和IRF5210的元器件数据手册，通过多物理域仿真平台软件的功率开关元器件特征化建模功能，完成包括基本工作点、击穿特性、半桥测量特性、转移特性、输出特性和动态特性的提取步骤，生成特定的开关半导体器件的模型，并保存为多物理域仿真平台软件的文件。
(2)直线电机的电磁建模
在低频电磁仿真软件中，结合中科院四室生产的制冷机使用的直线电机，建立电机的电磁结构模型，并完成低频电磁模型建立的前置配置。通过仿真计算，完成该直线电机的低频电磁模型建立。
在低频电磁仿真软件中通过实现模型工作状态的提取，生成该直线电机的电磁及机械特性的独立输出文件，便于与多物理域仿真平台软件进行快速的联合仿真。
(3)箱体及线缆的机械结构建模
在机械结构设计软件中完成此次使用的电机驱动控制系统的金属箱体及功率线缆结构的建立。其中此次电机驱动控制系统箱体结构具体包括：1.电机驱动控制系统使用的金属箱体结构；2.功率器件散热器结构；3.主要功率输入输出电缆的结构；4.支撑隔离印制电路板板的金属柱结构。此次功率线缆结构具体包括：1.输入供电电缆；2.输出驱动电缆。最终生成与实际模型相符的结构模型，并保存为可以导入寄生参数仿真软件的文件。
(4)箱体及线缆的寄生参数建模
将(3)中生成的文件导入寄生参数仿真软件中，并完成仿真的前置参数设置。最终通过计算生成系统的箱体及线缆结构寄生参数模型，并保存为可以被多物理域仿真平台软件导入的模型文件。
(5)印制电路板的板级线路结构建模
在板级模型构建软件中导入由电路设计软件(如：Altium Designer)设计的该电机控制系统的印制电路板文件，选择需要分析的信号线通路并通过完成前置参数设定。生成具体的印制电路板的板级结构模型，并导出为寄生参数仿真软件的使用模型。
(6)印制电路板线路寄生参数建模
在寄生参数仿真软件中导入(5)生成的印制电路板的板级结构模型文件，并完成寄生参数模型提取的前置条件设置。最终通过仿真计算，完成印制电路板板级线路寄生参数模型的生成，并保存为可以被多物理域仿真平台软件导入的模型。
(7)控制算法建模
在控制算法建模软件中完成此次电机驱动控制系统使用的PID控制算法的设计，并在模型中加入接口模块，实现与多物理域仿真平台软件的数据连接，完成此次使用电机系统的的PID控制算法建模。
(8)系统联合仿真建模
在多物理域仿真平台软件中，导入(1)、(2)、(4)、(6)和(7)生成的独立模型导入，并加入集总参数元件从而完成该电机驱动控制系统的搭建，形成一个结合多种软件的多物理场域联合电机系统仿真模型。同时在多物理域仿真平台软件中完成符合国军标的电磁兼容传导干扰测试系统的搭建，实现联合仿真模型的电磁兼容传导干扰仿真功能。
(9)多物理域系统联合仿真
在多物理域仿真平台软件中添加瞬态仿真设置，创建瞬态仿真，通过联合仿真，得到线性阻抗网络上标称电阻采集的噪声电压。通过对噪声电压进行FFT频谱分析，设定FFT分析参数，得到电磁传导干扰仿真频谱，如图2所示。
(10)搭建传导干扰测试平台
完成电机驱动系统的传导干扰测试平台的搭建，进行实验测试，测得线性阻抗网路上标称电阻采集得到的噪声电压频谱，也就是电磁传导干扰实测结果。
(11)比较结果，修正模型
将(9)得到的仿真结果与(10)得到的实测结果进行比较，若误差小于一定阈值，则认为所建系统模型具有较高的准确性和后续干扰机理分析的可行性。若误差过大，则认为模型与实际仍存在较大误差，需返回(1)～(8)进一步优化独立模型与整体模型，直至误差小于一定阈值。
(12)干扰机理分析
结合多物理域仿真平台软件得到的仿真结果与整体仿真模型进行定量的干扰机理分析。通过分析得到定量精确的干扰机理，从而能够在之后实现最优化的干扰抑制措施设计提供理论数据。干扰机理分析具体包括干扰源特性分析、耦合路径特性分析及敏感器件的分析。干扰源特性分析具体是指查找仿真电路的干扰源并精准定位，同时分析干扰源的频率、幅值、相位等电学特性。耦合路径特性分析具体是指，结合寄生参数模型及系统电路模型，分析定位干扰源的具体传导路径，完成干扰噪声整个回路的构建。敏感器件的特性分析在仿真中，具体是指线性阻抗网路的50Ω采集电阻。最终将干扰源特性分析、耦合路径特性分析及敏感器件的耦合分析三者结合起来得到传导干扰机理。

Claims (1)

1.一种电机驱动控制系统传导干扰联合仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在多物理域仿真平台软件中，结合元器件厂商提供的独立开关元器件的具体数据手册，通过特征化建模功能，完成电路开关元器件的特征化参数提取，生成可以导入多物理域仿真平台软件的开关管特征化模型文件；
(2)在低频电磁仿真软件中，完成系统使用的电机的具体低频电磁模型的建立，完成电机的内在电磁及机械力学的交互关系的建立，并通过低频电磁仿真软件中的外电路设置，生成对应电机的可以导入多物理域仿真平台软件的电机低频电磁模型文件；
(3)在机械结构设计软件中完成电机驱动控制系统的金属箱体结构及主要输入输出类功率线缆的三维尺寸模型的建立，得到可以导入寄生参数仿真软件的结构线缆三维尺寸模型文件；
(4)将步骤(3)中生成的结构及线缆的机械三维模型导入寄生参数仿真软件中，在寄生参数仿真软件中完成不同频率下对结构及线缆寄生参数的提取，得到可以导入多物理域仿真平台软件的结构线缆寄生参数模型文件；
(5)在板级模型构建软件中导入由电路设计软件设计的印制电路板文件，完成生成印制电路板结构的三维模型所需的各类参数配置，完成印制电路板网络三维结构模型的建立，得到可以导入寄生参数仿真软件的电路印制板三维尺寸模型文件；
(6)将步骤(5)电路印制板三维模型导入为寄生参数仿真软件，在寄生参数仿真软件软件中完成不同频率下对电路印制板线路间寄生参数的提取，得到可以导入多物理域仿真平台软件的电路印制板级的寄生参数模型文件；
(7)在控制算法建模软件中完成电机驱动控制系统的控制算法的设计建模，同时完成控制算法建模软件与多物理域仿真平台软件的接口对接，实现控制算法建模软件与多物理域仿真平台软件进行联合仿真；
(8)在多物理域仿真平台软件中将步骤(1)、(2)、(4)、(6)和(7)生成的独立模型导入，并加入集总参数元件从而完成整个电路系统的搭建，得到结合多种软件的多物理场域电机驱动系统联合仿真模型，并在多物理域仿真平台软件中完成电磁兼容传导干扰测试系统的搭建，能够实现电磁兼容传导干扰仿真建模功能；
(9)在多物理域仿真平台软件中完成多物理场域联合仿真，仿真得到线性阻抗网络上标称电阻上的噪声电压，并对该的噪声电压进行频谱分析，得到传导干扰的仿真频谱，也就是电机驱动系统的传导干扰仿真测试的结果；
(10)搭建传导干扰测试平台，进行电机驱动控制系统的传导干扰测试，得到电磁兼容传导干扰实测结果；
(11)将步骤(9)得到的电磁兼容传导干扰仿真结果与步骤(10)得到的实测干扰结果进行比较，若误差小于阈值，则认为所建系统模型具有较高的准确性及后续干扰机理分析的可行性，若误差大于等于阈值，需返回步骤(1)～(9)进一步优化独立模型与整体模型，直至误差小于阈值；
(12)结合经验证的系统模型与仿真结果，对系统的干扰进行定量分析，得到定量的干扰耦合数据，分析总结出系统的干扰机理；具体干扰机理包括干扰源、耦合路径及敏感设备三部分的定量数据特性；其中干扰源特性分析具体是指查找仿真电路的干扰源并精准定位，同时分析干扰源的频率、幅值和相位的电学特性；耦合路径特性分析具体是指，结合寄生参数模型及系统电路模型，分析定位干扰源的具体传导路径，完成干扰噪声整个回路的构建；敏感设备的特性分析在仿真中，具体是指线性阻抗网络上的50Ω采集电阻；最终将干扰源特性分析、耦合路径特性分析及敏感器件的耦合分析三者结合起来得到干扰机理。
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