1?前言

當(dāng)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(shí)，由于電力的可用性、高效率和功率密度，電驅(qū)動(dòng)成為自然的選擇。但與此同時(shí)我們必須滿足安全、噪音、振動(dòng)、和排放方面等的標(biāo)準(zhǔn)，以及效率和功率密度等監(jiān)管要求。這些指標(biāo)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(gè)整體。因此如何能夠高效地創(chuàng)建電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)噪聲。為簡單起見，我們先僅考慮有電機(jī)和控制器。

對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析。不同的仿真分析之間相互獨(dú)立。系統(tǒng)級(jí)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(huì)創(chuàng)建二維或者三維模型，采用有限元方法進(jìn)行仿真分析，這些模型相對(duì)精度較高，但是其求解過程往往需要消耗大量的時(shí)間和計(jì)算資源。

如果更進(jìn)一步，我們可以采用集成化的方式進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)仿真，同時(shí)兼顧電機(jī)的性能。在系統(tǒng)級(jí)采用一維模型，設(shè)計(jì)空間或者實(shí)時(shí)仿真。在部件級(jí)采用一維、二維和三維模型的混合模型。同時(shí)將整個(gè)過程做得更加自動(dòng)化、接口更加方便，以同時(shí)方便設(shè)計(jì)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(huì)采用Simcenter Amesim來搭建。這時(shí)候如何快速準(zhǔn)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)一維系統(tǒng)仿真模型。

Simcenter Motorsolve是一個(gè)基于有限元分析和模板的電機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、仿真和分析軟件。它是一個(gè)一流的工具，幫助自動(dòng)模型設(shè)置來進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)分析。它允許用戶導(dǎo)入自己的模板，同時(shí)支持非線性材料建模分析和材料退磁性能分析能力。

同時(shí)，Simcenter Motorsolve提供了豐富的接口，方便與系統(tǒng)仿真，控制模型，實(shí)時(shí)仿真，電路仿真等模型系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(jì)或驗(yàn)證階段。

?

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

·最大扭矩?cái)?shù)據(jù)文件

·最小扭矩?cái)?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(duì)同步電機(jī)進(jìn)行建模的線性模型。它從電機(jī)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(gè)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(jī)行為。該模型可用于分析永磁同步電機(jī)（PMSM）的電磁動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(jī)（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(hào)包括三個(gè)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?cái)?shù)據(jù)文件

下圖中給出的同一個(gè)電機(jī)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(dòng)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(dòng)電機(jī)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(jī)幾何模型。包括電機(jī)的定轉(zhuǎn)子幾何拓?fù)?，極數(shù)槽數(shù)等，通過參數(shù)輸入，軟件自動(dòng)創(chuàng)建電機(jī)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(shí)際模型進(jìn)行導(dǎo)入的定義，包括驅(qū)動(dòng)方式，槽內(nèi)設(shè)計(jì)，線號(hào)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(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，以保證電機(jī)模型的準(zhǔn)確性。

完成標(biāo)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(jìn)行使用。

在此，將對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行展示。分別展示了采用Motorsolve直接計(jì)算，Motorsolve導(dǎo)出一維系統(tǒng)模型后在Simulink中進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果?？梢钥吹较嚯妷?、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(jī)/原型的情況下測試實(shí)時(shí)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(jī)

√?靈活且經(jīng)濟(jì)高效地測試電源轉(zhuǎn)換器、電驅(qū)動(dòng)器等

√?沒有旋轉(zhuǎn)測功機(jī)和相關(guān)成本：功率限制，安全，標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)罩

√?減少“虛擬電機(jī)”轉(zhuǎn)換時(shí)間

·在系統(tǒng)級(jí)別測試子系統(tǒng)的兼容性和互換性

√?由于電機(jī)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(dòng)、響應(yīng)、故障分析等）

√?沒有物理限制，例如SIL設(shè)計(jì)和測試中的電源

√?電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)級(jí)瞬態(tài)/動(dòng)態(tài)性能

5?總結(jié)

采用Simcenter Motorsolve進(jìn)行電機(jī)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(shí)支持硬件在環(huán)電機(jī)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(xì)設(shè)計(jì)信息

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

√?操作自動(dòng)化，導(dǎo)出方便：更易于為設(shè)計(jì)人員生成

審核編輯：劉清