CN110929448A - 一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，属于永磁同步电机性能与一致性分析技术领域。步骤是：构建永磁同步电机空载电流与影响空载电流的n个底层结构参数p_i(i∈1,...,n)的集合P＝{p₁,p₂,...,p_n}(n＜∞)之间的模型关系；构建永磁同步电机外加控制电路，形成控制系统模型；通过有限元模型仿真得到对应结构参数下永磁同步电机三相自感和互感值，计算得到DQ电感值；构建反映永磁同步电机空载电流与n个底层结构参数集合P以及m(n＜∞,m≤n)个材料属性之间的模型；得到电机尺寸和电机空载电流之间的映射关系，从而建立克里金近似模型；根据近似模型计算出批量电机空载电流有效值，进而进行永磁同步电机的空载电流一致性分析。本发明解决了永磁同步电机建模方法无法考虑参数分散性对空载电流影响问题。

Description

一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，属于永磁同步电机性能与一致性分析技术领域。

背景技术

永磁同步电机的一致性是由设计、制造和管理共同决定的。对于永磁同步电机而言，由于受到制造工艺水平的制约，其设计及制造过程所带来的参数分散性使得批次永磁同步电机的个体之间不可避免地存在一定程度的差异性，而该差异性将直接影响永磁同步电机的性能一致性。

目前的研究中通常认为批量永磁同步电机输出特性之间的差异是由永磁同步电机的结构尺寸分散性和装配工艺引起的，永磁同步电机的一致性体现在永磁同步电机的空载电流有效值一致性上。因而，结合永磁同步电机自身的结构尺寸分散性，建立永磁同步电机模型，通过空载电流蒙特卡洛仿真，能够评价永磁同步电机的空载电流一致性。

发明内容

本发明的目的是提出一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，以解决目前在永磁同步电机一致性仿真分析的相关研究中，未曾考虑制造工艺对产品一致性的影响，以及无法控制机电产品启动位置引起的输出特性误差的问题，以及空载电流仿真运行时间长，难以获得批量仿真模型的问题。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，所述方法步骤如下：

步骤一：采用有限元仿真，建立永磁同步电机空载电流与影响该空载电流的n个底层结构参数p_i(i∈1,...,n)的集合P＝{p₁,p₂,...,p_n}(n<∞)之间的模型关系；

步骤二：根据永磁同步电机的SVPWM双闭环控制原理，基于simulink构建永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路，形成控制系统模型；

步骤三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机三相自感和互感值，计算得到DQ电感值；

步骤四：将步骤三计算得到的DQ电感值代入到步骤二的控制系统模型中，由步骤二仿真输出永磁同步电机的空载电流，构建反映所述永磁同步电机空载电流与所述n个底层结构参数集合P以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间的模型；

步骤五：对Maxwell进行二次开发，建立脚本运行模型，根据永磁同步电机实际结构参数尺寸，基于蒙特卡洛仿真，建立批量电机仿真模型，并通过克里金近似建模，输入多组电机实际结构参数尺寸和电机空载电流值，通过程序训练，得到电机尺寸和电机空载电流之间的映射关系，从而建立空载电流的克里金近似模型；

步骤六：根据电机实际结构参数尺寸的基准值和标准差，基于蒙特卡洛分布，建立批量电机仿真模型，根据步骤五的空载电流的克里金近似模型计算出批量电机空载电流有效值，进而进行永磁同步电机的空载电流一致性分析。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)本发明采用有限元仿真与控制电路仿真相结合的方式，以永磁同步电机的具体制造结构参数为基础，通过有限元仿真能够得到对应尺寸参数下的永磁同步电机电感值，通过永磁同步电机的电感值建立电机结构参数和空载电流之间的联系，解决了目前的永磁同步电机建模方法无法考虑参数分散性对空载电流的影响的问题。

(2)本发明对永磁同步电机空载电流进行仿真，充分考虑了电机转子启动位置对空载电流的影响，通过有限元仿真与控制系统仿真相结合的方式，通过SVPWM控制原理的控制电路对转子启动位置和逆变器中各管的开断时刻进行控制，能够控制永磁同步电机模型的转子启动位置一致，避免因转子启动位置不同造成永磁同步电机空载电流有效值之间的差异。

(3)本发明对永磁同步电机进行空载电流的一致性仿真分析，充分考虑了电机结构参数的分散性对空载电流有效值的影响，通过蒙特卡洛仿真，分析批量电机空载电流一致性。

(4)本发明对永磁同步电机进行空载电流一致性仿真分析，通过对Maxwell进行二次开发，通过Maxwell脚本运行，获得大量电机仿真模型，从而训练出克里金近似模型，能够高效地得到批量电机模型，便于高效地对电机进行一致性仿真分析。

附图说明

图1是本发明中涉及的某型号永磁同步电机的控制系统示意图；

图2是本发明的一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法的流程图；

图3是本发明中涉及的某型号永磁同步电机的Maxwell有限元仿真模型；

图4是空间矢量图；

图5是合成新矢量示意图；

图6是本发明涉及的某型号永磁同步电机的空载电流仿真波形图；

图7是本发明中涉及的某型号永磁同步电机的空载电流近似建模与仿真模型之间的精度对比图；

图8是本发明中涉及的某型号批量永磁同步电机的空载电流有效值分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，所述方法首先根据永磁同步电机的组成特点、结构参数以及电磁方案确定其本体结构仿真模型；之后以该永磁同步电机的实际制造工艺参数数据为基础，通过有限元仿真得到永磁同步电机的三相自感互感波形；同时基于Simulink建立永磁同步电机SVPWM双闭环控制电路；最后，根据Maxwell有限元仿真模型计算得到的永磁同步电机电感值，经换算得到永磁同步电机的DQ电感值，代入到Simulink控制系统仿真模型中，仿真得到永磁同步电机的空载电流。如图2所示，具体步骤如下：

步骤一：采用有限元仿真，建立永磁同步电机空载电流与影响该空载电流的n个底层结构参数p_i(i∈1,...,n)的集合P＝{p₁,p₂,...,p_n}(n<∞)之间的模型关系；本步骤中，所述空载电流与n个底层结构参数集合P之间的模型关系如图3所示：

步骤二：根据永磁同步电机的SVPWM双闭环控制原理(如图1所示)，基于simulink构建永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路(外加控制电路)，形成控制系统模型；本步骤中，永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路采用了速度和电流控制的双闭环结构，该结构如图1所示；

步骤三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机三相自感和互感值，计算得到DQ电感值，即交直轴电感值；

步骤四：将步骤三计算得到的DQ电感值代入到步骤二的永磁同步电机SVPWM双闭环控制系统模型中，由步骤二模型仿真输出永磁同步电机的空载电流，构建反映所述永磁同步电机空载电流与所述n个底层结构参数集合P以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间的模型；

步骤五：对Maxwell进行二次开发，建立脚本运行模型，根据所述电机实际结构参数尺寸(包括定子内径，磁瓦极弧偏心距，硅钢片质量密度、定转子偏心距、转子轴直径、定子外径、相电阻、叠压系数、剩磁感应强度、模型高度、转子外径)，基于蒙特卡洛仿真，建立批量电机仿真模型，并通过克里金近似建模，输入多组电机实际结构参数尺寸和电机空载电流值，通过程序训练，得到电机尺寸和电机空载电流之间的映射关系，从而建立空载电流的克里金近似模型；

步骤六：根据电机实际结构参数尺寸的基准值和标准差，基于蒙特卡洛分布，建立批量电机仿真模型，根据步骤五的空载电流的克里金近似模型计算(是个插值计算的程序)出批量电机空载电流有效值，进而进行永磁同步电机的空载电流一致性分析。

进一步的是，在步骤二中，所述永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路采用了速度和电流控制的双闭环结构，控制器通过控制逆变器中各IGBT管的开断时间来控制永磁同步电机的定子电流幅值和频率。

进一步的是，在步骤三中，设三相自感和互感的平均值分别为L_s和M_s，根据公式(2)计算得到电机电感的平均值L₀

L₀＝L_s+2M_s (2)

将由公式(2)得到的电机电感的平均值L₀代入公式(3)中，根据公式(3)计算得到电机DQ电感值：

L_d＝L_q＝1.5L₀ (3)

其中，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感，L₀为电机电感的平均值。

具体实施方式二：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式以某型号永磁同步电机为对象进行空载电流一致性仿真分析，具体步骤如下：

步骤一：根据永磁同步电机的结构参数和材料属性建立基于Maxwell的永磁同步电机的仿真模型，构建其三相自感和互感波形(输出特性)关于定子内径，磁瓦极弧偏心距，硅钢片质量密度、定转子偏心距、转子轴直径、定子外径、相电阻、叠压系数、剩磁感应强度、模型高度、转子外径(均为底层结构参数)的模型关系，如图3所示。

步骤二：根据永磁同步电机的双闭环控制原理，如图1所示，基于simulink构建永磁同步电机的外加控制电路，形成控制系统模型。本步骤中，永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路采用了速度和电流控制的双闭环结构。其中，电流环由电流传感器和控制器一组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号；速度环是由转子位置传感器和控制器二组成，用于使转子转速跟踪转速参考信号。双闭环调节器输出的电压给定信号，作为SVPWM的输入信号，经过SVPWM控制，计算逆变器中6个开关管的开关时间，同时给逆变器输入导通信号，触发逆变器中开关管的开通和关断，从而根据参考信号的要求调节永磁同步电机的定子电流和转矩。

SVPWM控制原理可描述为：通过逆变器输出相电压的平均矢量去近似等效为某一个空间电压矢量V_ref，该空间电压矢量V_ref将以某一个角频率在空间中旋转，当它旋转到六角空间电压矢量图的某一个小区间时，系统则会选择这个区间的基本电压矢量中所需要的矢量，然后以此矢量所对应的状态去驱动三相全桥中的六个功率开关元件动作。当空间电压矢量V_ref再旋转到下一个小区间时，又选中对应区间的相应电压矢量，并以其对应的状态去驱动功率开关元件动作。当空间电压矢量V_ref在空间旋转360°后，变频器就可以输出一个周期的正弦波电压。

逆变器一共有8种工作状态，即001、010、011、100、101、110、111、000。取其中6个非零的开关状态(001、010、011、100、101、110)相电压值计算出空间电压矢量，可得到6个空间电压矢量，把整个空间分解为六个扇区，如图4所示。

若以第Ⅰ扇区为例，两个相邻有效电压矢量和

以及零电压矢量

合成新的矢量

如图5所示。矢量的作用时间分别为T₄、T₆、T₀、T₇，合成新矢量的表达式为:

式中T_PWM为PWM调制周期。

由上述过程可知，当判定了空间电压矢量所在扇区，则可以计算开关管的开通关断时间，从而按给定顺序触发逆变器中的各IGBT。

步骤三：通过步骤一仿真计算永磁同步电机自感和互感值和DQ电感值，即交直轴电感值。本步骤中，将仿真得到的三相自感互感的波形值导出之后进行计算可以得到三相自感

和三相互感

再计算出三相自感和互感的平均值分别为L_s和M_s。根据公式(2)计算得到电机电感的平均值L₀。

L₀＝L_S+2M_S (2)

根据公式(3)计算得到电机DQ电感。

L_d＝L_q＝1.5L₀ (3)

其中，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感，L₀为电机电感的平均值；

步骤四：将步骤三计算得到的DQ电感值代入到步骤二的永磁同步电机SVPWM双闭环控制系统模型中，由步骤二的模型仿真输出永磁同步电机的空载电流，构建反映所述永磁同步电机空载电流与所述n个底层结构参数集合P以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间关系的模型；

步骤五：对Maxwell进行二次开发，建立脚本运行模型，根据电机实际结构参数尺寸，基于蒙特卡洛仿真，并通过克里金近似建模，输入多组电机实际结构参数尺寸和电机空载电流值，通过程序训练，得到电机尺寸和电机空载电流之间的映射关系，从而建立克里金近似模型；

步骤六：根据电机实际结构参数尺寸的基准值和标准差，基于蒙特卡洛分布，建立批量电机仿真模型，根据步骤五的近似模型计算出批量电机空载电流有效值，进而进行永磁同步电机的空载电流一致性分析。

其中，图1所示的为某型号永磁同步电机的控制系统示意图，图中n_ref为给定转速，n为电机反馈转速，PI为控制器，i_Sqref为交轴电流给定值，i_Sdref为直轴电流给定值，θ_e为电机转子角，V_Sqref为交轴电压给定值，V_Sdref为直轴电压给定值，dq为直角坐标系，αβ为旋转坐标，Park^-1为派克反变换，V_Sαref为旋转坐标系下的α轴电压给定值，V_Sβref为旋转坐标系下的β轴电压给定值，V_DC为直流电压，V_a为电机A相电压，V_b为电机B相电压，V_c为电机C相电压，Park为派克变换，i_Sq和i_Sd为电机交直轴电流；i_Sα和i_Sβ为电机旋转坐标下的αβ电流。

永磁同步电机的控制系通过控制电流实现对该系统的矢量控制，电机输出信号中的电流和转速反馈构成双闭环结构，经两个比较环节输出电压给定信号，将电压给定信号输入到SVPWM模块中，SVPWM通过控制逆变器6个开关管的开断时间和切换频率，来控制逆变器的输出电流的大小和频率，从而使逆变器输出电流的大小和频率跟随转子转速和负载的变化而变化。

图3所示的为永磁同步电机的Maxwell有限元仿真模型，仿真的永磁同步电机模型是按照实际电机结构建立的，为10极12槽电机，在该仿真模型上按实际电机结构属性赋材料，得到仿真的永磁同步电机模型。

图4为矢量空间图，说明了电压矢量在任一扇区的矢量合成原理。

图5为合成新矢量示意图，说明了调制周期T_PWM的计算原理。

图6为某型号永磁同步电机的空载电流仿真波形图，图中三条波形代表电机空载时的三相电流。

图7为某型号永磁同步电机的空载电流近似建模与仿真模型之间的精度对比图，空载电流近似建模预测值与仿真值之间误差小于1％，认为近似模型合理。

图8为某型号批量永磁同步电机的空载电流有效值分布图，实测一批电机的空载电流，计算空载电流有效值，绘制其分布。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤一：采用有限元仿真，建立永磁同步电机空载电流与影响该空载电流的n个底层结构参数p_i(i∈1,...,n)的集合P＝{p₁,p₂,...,p_n}(n＜∞)之间的模型关系；

步骤二：根据永磁同步电机的SVPWM双闭环控制原理，基于simulink构建永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路，形成控制系统模型；

步骤三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机三相自感和互感值，计算得到DQ电感值；

步骤四：将步骤三计算得到的DQ电感值代入到步骤二的控制系统模型中，由步骤二仿真输出永磁同步电机的空载电流，构建反映所述永磁同步电机空载电流与所述n个底层结构参数集合P以及m(n＜∞,m≤n)个材料属性之间的模型；

步骤五：对Maxwell进行二次开发，建立脚本运行模型，根据永磁同步电机实际结构参数尺寸，基于蒙特卡洛仿真，建立批量电机仿真模型，并通过克里金近似建模，输入多组电机实际结构参数尺寸和电机空载电流值，通过程序训练，得到电机尺寸和电机空载电流之间的映射关系，从而建立空载电流的克里金近似模型；

步骤六：根据电机实际结构参数尺寸的基准值和标准差，基于蒙特卡洛分布，建立批量电机仿真模型，根据步骤五的空载电流的克里金近似模型计算出批量电机空载电流有效值，进而进行永磁同步电机的空载电流一致性分析。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，其特征在于，在步骤二中，所述永磁同步电机的SVPWM双闭环控制电路采用了速度和电流控制的双闭环结构，控制器通过控制逆变器中各IGBT管的开断时间来控制永磁同步电机的定子电流幅值和频率。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机空载电流一致性仿真分析方法，其特征在于，在步骤三中，设三相自感和互感的平均值分别为L_s和M_s，根据公式(2)计算得到电机电感的平均值L₀

L₀＝L_s+2M_s (2)

将由公式(2)得到的电机电感的平均值L₀代入公式(3)中，根据公式(3)计算得到电机DQ电感值：

L_d＝L_q＝1.5L₀ (3)

其中，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感，L₀为电机电感的平均值。

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