1?前言

當我們需要將設(shè)備集成到生活環(huán)境中，并通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）控制它們時，由于電力的可用性、高效率和功率密度，電驅(qū)動成為自然的選擇。但與此同時我們必須滿足安全、噪音、振動、和排放方面等的標準，以及效率和功率密度等監(jiān)管要求。這些指標往往都是互相影響并且受系統(tǒng)限制。為了滿足這些要求，我們必須將系統(tǒng)視為一個整體。因此如何能夠高效地創(chuàng)建電機的系統(tǒng)模型，并方便地在系統(tǒng)中使用這成為非常重要的話題。

汽車電驅(qū)動系統(tǒng)是一個很好的例子。我們希望從電池和燃料中獲得更多里程，并且減小振動噪聲。為簡單起見，我們先僅考慮有電機和控制器。

對于該問題，傳統(tǒng)方法是將不同的結(jié)構(gòu)分割，然后再分領(lǐng)域地進行設(shè)計仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨立。系統(tǒng)級集成往往在后期階段完成。

或者，可以采用多物理場聯(lián)合仿真的方法，我們會創(chuàng)建二維或者三維模型，采用有限元方法進行仿真分析，這些模型相對精度較高，但是其求解過程往往需要消耗大量的時間和計算資源。

如果更進一步，我們可以采用集成化的方式進行系統(tǒng)級的設(shè)計仿真，同時兼顧電機的性能。在系統(tǒng)級采用一維模型，設(shè)計空間或者實時仿真。在部件級采用一維、二維和三維模型的混合模型。同時將整個過程做得更加自動化、接口更加方便，以同時方便設(shè)計工程師和仿真工程師來使用。

在其中，一維系統(tǒng)仿真往往都會采用Simcenter Amesim來搭建。這時候如何快速準確高效地創(chuàng)建系統(tǒng)仿真所需的子系統(tǒng)系統(tǒng)模型就顯得十分關(guān)鍵。

2 Simcenter Motorsolve及Motorsolve降階模型生成器

電機設(shè)計和仿真工具Simcenter Motorsolve就提供了這樣的功能，幫助用戶快速獲得不同復(fù)雜程度的電機一維系統(tǒng)仿真模型。

Simcenter Motorsolve是一個基于有限元分析和模板的電機和發(fā)電機設(shè)計、仿真和分析軟件。它是一個一流的工具，幫助自動模型設(shè)置來進行快速和準確的設(shè)計探索、分析。由于是采用電磁場有限元分析方法，SimcenterMotorsolve在不同的保真水平上提供基于FEA的結(jié)果，包括：半解析、DQ分析/AC分析、PWM分析、瞬態(tài)和運動分析。它允許用戶導(dǎo)入自己的模板，同時支持非線性材料建模分析和材料退磁性能分析能力。

同時，Simcenter Motorsolve提供了豐富的接口，方便與系統(tǒng)仿真，控制模型，實時仿真，電路仿真等模型系統(tǒng)進行接口。

下面以Simcenter Amesim為例介紹Simcenter Motorsolve的導(dǎo)出接口。在 Simcenter Motorsolve 導(dǎo)出 Simcenter Amesim 電機模型可以包括幾種不同精度的模型。

1）EMDTMF01模型是使用簡化參數(shù)表征的平均值模型，可以從 MotorSolve 效率圖中導(dǎo)出。它主要用于系統(tǒng)初始設(shè)計或驗證階段。

?

導(dǎo)出的EMDTMF01模型注意包括三個數(shù)據(jù)文件.

·最大扭矩數(shù)據(jù)文件

·最小扭矩數(shù)據(jù)文件

·損耗數(shù)據(jù)文件

2）EMDPMSM01模型是使用等效電路對同步電機進行建模的線性模型。它從電機解決方案集總參數(shù)分析中導(dǎo)出。

導(dǎo)出的 EMDPMSM01 模型包括以下參數(shù).

·定子電阻

?· D軸電感

?· Q軸電感

·永磁磁通量

3）EMDPMSM12 模型是一個非線性模型，它使用 dq 磁鏈作為 dq 電流的函數(shù)來表示電機行為。該模型可用于分析永磁同步電機（PMSM）的電磁動力學(xué)。它排除了空間效應(yīng)，但考慮了鐵心損耗。此導(dǎo)出可在具有非線性模型類型的MotorsolvePWM 分析中找到。



導(dǎo)出的 EMDPMSM12 模型包括三個數(shù)據(jù)文件。

· D軸磁鏈數(shù)據(jù)文件

· Q軸磁鏈數(shù)據(jù)文件

·損耗數(shù)據(jù)文件

4）EMD3PCOEN01模型是一個非線性模型，它考慮了由于磁飽和和空間效應(yīng)（如開槽）導(dǎo)致的所有非線性。它是4個導(dǎo)出中最精確的模型，可用于模擬任何磁阻或永磁同步電機（PMSM）。此導(dǎo)出可在具有非線性模型類型的MotorsolvePWM 分析中找到。

導(dǎo)出的 EMD3PCOEN01 型號包括三個數(shù)據(jù)文件。

· D軸磁鏈數(shù)據(jù)文件

· Q軸磁鏈數(shù)據(jù)文件

·扭矩數(shù)據(jù)文件

下圖中給出的同一個電機模型，采用不同方式導(dǎo)出后，在Amesim系統(tǒng)仿真中體現(xiàn)出的不同的動態(tài)特性。

3 Simcenter Motorsolve生成一維系統(tǒng)模型應(yīng)用案例：

下面我們以某驅(qū)動電機為例介紹Simcenter Motorsolve生成一維系統(tǒng)模型的過程及應(yīng)用。

在Motorsolve中通過模板化的輸入創(chuàng)建電機幾何模型。包括電機的定轉(zhuǎn)子幾何拓撲，極數(shù)槽數(shù)等，通過參數(shù)輸入，軟件自動創(chuàng)建電機有限元仿真幾何模型。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域，可以設(shè)置不同的材料參數(shù)，包括鐵心材料的磁滯曲線以及永磁體的退磁等。

在繞組定義界面根據(jù)實際模型進行導(dǎo)入的定義，包括驅(qū)動方式，槽內(nèi)設(shè)計，線號線徑等。

完成定義后，可以在軟件中預(yù)設(shè)的結(jié)果查看分析中查看各類不同的結(jié)果。如果有相關(guān)測試數(shù)據(jù)可以對模型進行標定，以保證電機模型的準確性。

完成標定后，本例中展示Motorsolve與Simulink的接口。Motorsolve可以直接導(dǎo)出Simulink的模型文件，并在Simulink中進行使用。

在此，將對比驗證結(jié)果進行展示。分別展示了采用Motorsolve直接計算，Motorsolve導(dǎo)出一維系統(tǒng)模型后在Simulink中進行計算的結(jié)果。可以看到相電壓、相電流以及轉(zhuǎn)矩輸出完全一致。

4??Simcenter Motorsolve系統(tǒng)模型生成典型應(yīng)用場景

·在沒有物理電機/原型的情況下測試實時控制器

√ 控制策略: SIL, HIL 及 PHIL

√?硬件(DSPs, ECUs, 電源轉(zhuǎn)換器等)

·通過功率放大器模擬 PHIL 中的全功率電機

√?靈活且經(jīng)濟高效地測試電源轉(zhuǎn)換器、電驅(qū)動器等

√?沒有旋轉(zhuǎn)測功機和相關(guān)成本：功率限制，安全，標準和防護罩

√?減少“虛擬電機”轉(zhuǎn)換時間

·在系統(tǒng)級別測試子系統(tǒng)的兼容性和互換性

√?由于電機類型不同而導(dǎo)致的性能變化

√?能量和熱管理， ...

·瞬態(tài)分析（例如啟動、響應(yīng)、故障分析等）

√?沒有物理限制，例如SIL設(shè)計和測試中的電源

√?電驅(qū)動系統(tǒng)級瞬態(tài)/動態(tài)性能

5?總結(jié)

采用Simcenter Motorsolve進行電機一維系統(tǒng)模型的創(chuàng)建支持廣泛的導(dǎo)出接口：Amesim, Flomaster, System Vision, XpeditionAMS, Simulink, Opal-RT, VHDL-AMS等，同時支持硬件在環(huán)電機仿真。可以帶來下面的便利性。

√?方便模型共享：采用系統(tǒng)模型可以隱藏一些詳細設(shè)計信息

√?經(jīng)濟高效：采用Simcenter Motorsolve具備有限元分析的準確性，不會像傳統(tǒng)有限元分析那樣計算量大造成成本損失

√?操作自動化，導(dǎo)出方便：更易于為設(shè)計人員生成

審核編輯：劉清