基于RT-LAB和JMAG電機(jī)驅(qū)動(dòng)的有限元分析

1、基于RT-LAB和JMAG電機(jī)驅(qū)動(dòng)的有限元分析 (2010-12-8 13:37:15) 查看評(píng)論( ) 來(lái)源：北京神州普惠科技有限公司 1 簡(jiǎn)介 隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試和驗(yàn)證在設(shè)計(jì)和工程階段日趨重要，組件模型的不斷改進(jìn)和原型系統(tǒng)速度增加的需求也逐漸擴(kuò)大。 一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)早期階段，用非實(shí)時(shí)仿真來(lái)驗(yàn)證電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且完成系統(tǒng)的測(cè)試工作。但是此方法有若干主要缺點(diǎn)：第一，從離線仿真到實(shí)際原型的跳躍太寬，以至于易出現(xiàn)不同模塊的集成問(wèn)題；第二，離線，非實(shí)時(shí)仿真，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是帶有開關(guān)電力電子器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 另一方面，隨著電機(jī)技術(shù)的提升，如JMAG基于有限元分析的仿真軟件已成為電機(jī)設(shè)計(jì)和開

2、發(fā)的必要工具。 同樣，控制仿真工具，如Matlab/Simulink，也被大量的應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。類似的工具能使帶全部電力電子的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)圖形化。 這些圖形仿真工具的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是快速原型開發(fā)技術(shù)的引進(jìn)，自動(dòng)生成代碼，允許實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型的仿真。 RT-LAB仿真平臺(tái)，基于快速發(fā)展的高性能PC技術(shù)，提供強(qiáng)大的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的實(shí)時(shí)仿真，且實(shí)時(shí)仿真模型可通過(guò)I/O板卡外接系統(tǒng)實(shí)物設(shè)備(如電機(jī)控制器)，即硬件在環(huán)仿真(HIL)。HIL使設(shè)計(jì)工程師可連接虛擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)測(cè)試其控制器。 本文目的在于描述近期開發(fā)進(jìn)展，填補(bǔ)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的空白；此開發(fā)包括RT-LAB實(shí)時(shí)仿真機(jī)在Simulink環(huán)境

3、下，運(yùn)行基于有限元分析的電機(jī)模型。 本文詳述了HIL過(guò)程及其優(yōu)勢(shì)；典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)步驟，從FE仿真工具中的電機(jī)設(shè)計(jì)到虛擬電機(jī)連接實(shí)物控制器進(jìn)行HIL實(shí)時(shí)仿真。最后，給出了精確有效的測(cè)試和驗(yàn)證結(jié)果。 2 從有限元分析到實(shí)時(shí)仿真 2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 在傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要分別對(duì)驅(qū)動(dòng)的三個(gè)主要部分(電機(jī)，靜態(tài)電力變流器和控制器)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試。用電磁分析軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試電機(jī)及其特性；另在不同的軟件環(huán)境中用控制和電路分析設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)靜態(tài)電力變流器(如逆變器)和控制器。只能在測(cè)試后，才能將這些模塊組合，形成最后的集成系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程有許多迭代，因?yàn)樵谌磕K集成后可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，

4、特別是當(dāng)系統(tǒng)其他模塊的組件和特性理想化表示時(shí)。例如，在驅(qū)動(dòng)仿真中，電機(jī)模型的建立是基于理想電壓方程，電感為常數(shù)。結(jié)果，仿真精度可能不高，導(dǎo)致某些情況下未能滿足效率和性能，甚至需要重新設(shè)計(jì)電機(jī)、逆變器或控制器。 2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)新的快速設(shè)計(jì)過(guò)程 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)重要不足：首先，驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)、測(cè)試及優(yōu)化的分離，在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行集成；其次，從離線分析仿真到組件的實(shí)際構(gòu)建存在很大跳躍。圖1 帶有實(shí)時(shí)FE-電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)快速設(shè)計(jì)過(guò)程 本文旨在解決提出的兩個(gè)缺點(diǎn)，來(lái)縮小差距。開發(fā)主要包括實(shí)時(shí)進(jìn)行電機(jī)的有限元設(shè)計(jì)，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用快速原型開發(fā)。 使用快速原型開發(fā)和硬件在環(huán)測(cè)試的快速設(shè)計(jì)過(guò)程示

5、意圖如圖1. 電磁仿真JMAG Studio電機(jī)設(shè)計(jì)后，在集成模塊(JMAG-RT)幫助下，生成行為模型，包括電機(jī)的全部非線性特性。這與DQ電機(jī)模型是相反的，電感近似于常數(shù)。圖2 FEA JMAG軟件對(duì)電機(jī)D軸和Q軸電感的分析結(jié)果 此模型包含在Simulink模型中并與驅(qū)動(dòng)電路的其他模塊集成，如機(jī)械負(fù)載和逆變器；后者由RT-Events模塊庫(kù)中的插值逆變器模型建立。為了連接外部控制器模型，不同類型的輸入輸出塊(模擬，數(shù)字，PWM，編碼器，等)可以從RT-LAB I/O庫(kù)中拖放。 先對(duì)模型進(jìn)行離線仿真，然后，編譯，下載至實(shí)時(shí)仿真器；實(shí)時(shí)仿真器作為虛擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，且基于有限元分析的精確電機(jī)模型在

6、RT-LAB仿真機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行，可測(cè)試和驗(yàn)證控制器性能。 這種方法主要優(yōu)點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)：第一，從FE軟件設(shè)計(jì)和分析電機(jī)到實(shí)時(shí)虛擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是連續(xù)的；第二，相對(duì)于傳統(tǒng)DQ模型來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)電機(jī)模型非常精確，由FE軟件分析產(chǎn)生結(jié)果，該電機(jī)模型包括電磁電路的全部非線性；第三，快速原型開發(fā)縮短了設(shè)計(jì)周期，因?yàn)?，早期設(shè)計(jì)過(guò)程，甚至在建立實(shí)際驅(qū)動(dòng)或電機(jī)之前，已進(jìn)行了大部分與驅(qū)動(dòng)部件(電機(jī)，逆變器和控制器)的測(cè)試。 2.3 開發(fā) 為了連接FE仿真和RT運(yùn)行，有兩個(gè)主要開發(fā)工作： 產(chǎn)生一個(gè)基于FE的電機(jī)模型，帶有電壓輸入，電流及轉(zhuǎn)矩輸出；FE軟件預(yù)先分析得出電磁通量對(duì)電流和轉(zhuǎn)子位置依賴性的全部數(shù)據(jù)，

7、并導(dǎo)入實(shí)時(shí)模型。 執(zhí)行完整的電機(jī)和逆變器模型實(shí)時(shí)仿真；JMAG 對(duì)基于FE的電機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化，以完成良好的仿真速度，并在逆變器模型上進(jìn)行插值補(bǔ)償； 3 仿真結(jié)果 本文進(jìn)行了幾個(gè)測(cè)試對(duì)電機(jī)的有限元分析和實(shí)時(shí)模型進(jìn)行驗(yàn)證和比對(duì)。圖3 Simulink模型圖4 硬件在環(huán)仿真 為Simulink模型，包括基于有限元分析的電機(jī)模型，帶有集成控制器的RT-Events逆變器模型，PWM生成器。對(duì)模型進(jìn)行全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真(帶內(nèi)部控制器)或硬件在環(huán)仿真(通過(guò)定時(shí)數(shù)字輸入，模擬輸出和編碼或解析器信號(hào)外接控制器)。 3.1 RT-LAB仿真機(jī) RT-LAB是集成實(shí)時(shí)計(jì)算的平臺(tái)，一般由一臺(tái)或多臺(tái)采用多CPU以及多核技

8、術(shù)的高性能計(jì)算機(jī)組，進(jìn)行快速控制原型開發(fā)和HIL仿真。與MATLAB/Simulink完全兼容，自動(dòng)生成代碼，然后編譯，與輸入輸出連接，最后下載至RT-LAB目標(biāo)機(jī)。 通過(guò)RT-LAB模型庫(kù)提供的自定義模塊來(lái)配置I/O接口。工程師僅僅需要拖放模塊至模型即可，連接輸入輸出模塊與其他模塊，不用擔(dān)心驅(qū)動(dòng)程序。RT-LAB自動(dòng)生成代碼，將模型的數(shù)據(jù)流直接連接到物理I/O板卡上。 3.2 精確度圖6個(gè)電機(jī)模型轉(zhuǎn)矩的比較 為由PWM逆變器控制的三種不同電機(jī)模型的轉(zhuǎn)矩示意圖。標(biāo)注“FEA(JMAG)”的曲線為在JMAG里FEM計(jì)算得出的轉(zhuǎn)矩結(jié)果；標(biāo)注“JMAG-RT”的曲線為基于RT模型的轉(zhuǎn)矩結(jié)果；最后，標(biāo)

9、注“DQ-model”的曲線是DQ電機(jī)模型獲得的轉(zhuǎn)矩。從上圖可以很明顯的看出，DQ電機(jī)模型的仿真結(jié)果是個(gè)近似值，忽略了磁通分布的非線性和電磁場(chǎng)的耦合效應(yīng)。 3.3 逆變器模型采用TSB 表示A相電流和轉(zhuǎn)矩的各種閉環(huán)測(cè)試。具體分為： 仿真步長(zhǎng)為1s，TSB(帶時(shí)間戳的電力電子橋)逆變器模型； 仿真步長(zhǎng)為10s，TSB逆變器模型； 仿真步長(zhǎng)20s，TSB逆變器模型； 仿真步長(zhǎng)5s，無(wú)TSB的逆變器模型； 以上測(cè)試均采用PWM載波頻率12.5kHz。 從上述測(cè)試可看出，采用時(shí)間戳技術(shù)，在仿真步長(zhǎng)分別為1s，10s和20s時(shí)仿真曲線基本是重合的，而不采用時(shí)間戳技術(shù)的仿真步長(zhǎng)為5s的響應(yīng)曲線，與前者仿真

10、曲線相比，有很明顯的相位滯后。 由此可得，即使對(duì)較小仿真步長(zhǎng)，實(shí)時(shí)插值法也是必要的。 進(jìn)一步的測(cè)試顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度為3000RPM時(shí)，仿真步長(zhǎng)為20s，可得到精確的仿真結(jié)果。對(duì)于更高的轉(zhuǎn)速，需要更小的仿真步長(zhǎng)5s，并采用TSB逆變器模型； 3.4 實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)間 除了JMAG 實(shí)時(shí)模型方程的精確度外，還有另一更重要的因素步長(zhǎng)影響著實(shí)時(shí)模型的精度。 表一為RT-LAB仿真機(jī)的最小仿真步長(zhǎng)； 分兩階段：第一階段，JMAG-RT模型沒有任何優(yōu)化；第二階段，對(duì)上述模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；此外，在開發(fā)階段，進(jìn)行如下分割：將有IGBT逆變器(和控制器)的主要電氣求解器放到一個(gè)處理器上計(jì)算，電感矩陣的計(jì)算放到其他CPU。 結(jié)果表明，完成全數(shù)字模型實(shí)時(shí)仿真的RT-LAB最小仿真步長(zhǎng)為12s，基于雙核Opteron仿真機(jī)，不帶I/O。仿真機(jī)通過(guò)典型I/O板卡與外部實(shí)物控制器相連，進(jìn)