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基于RT-LAB和JMAG电机驱动的有限元分析
2010年12月8日    评论:    分享:

    来源:北京神州普惠科技有限公司

    1 简介

    随着电机驱动的测试和验证在设计和工程阶段日趋重要,组件模型的不断改进和原型系统速度增加的需求也逐渐扩大。

    一般来说,在设计早期阶段,用非实时仿真来验证电机驱动,且完成系统的测试工作。但是此方法有若干主要缺点:第一,从离线仿真到实际原型的跳跃太宽,以至于易出现不同模块的集成问题;第二,离线,非实时仿真,对于复杂系统的仿真时间过长,特别是带有开关电力电子器件的电机驱动。

    另一方面,随着电机技术的提升,如JMAG基于有限元分析的仿真软件已成为电机设计和开发的必要工具。

    同样,控制仿真工具,如Matlab/Simulink,也被大量的应用于电机驱动的开发。类似的工具能使带全部电力电子的复杂数学模型实现图形化。

    这些图形仿真工具的一个主要优点是快速原型开发技术的引进,自动生成代码,允许实时数学模型的仿真。

    RT-LAB仿真平台,基于快速发展的高性能PC技术,提供强大的硬件平台实现复杂模型的实时仿真,且实时仿真模型可通过I/O板卡外接系统实物设备(如电机控制器),即硬件在环仿真(HIL)。HIL使设计工程师可连接虚拟电机驱动来测试其控制器。

    本文目的在于描述近期开发进展,填补电机驱动设计的空白;此开发包括RT-LAB实时仿真机在Simulink环境下,运行基于有限元分析的电机模型。

    本文详述了HIL过程及其优势;典型电机驱动设计步骤,从FE仿真工具中的电机设计到虚拟电机连接实物控制器进行HIL实时仿真。最后,给出了精确有效的测试和验证结果。

    2 从有限元分析到实时仿真

    2.1 电机驱动的传统设计过程

    在传统的电机驱动设计过程中,需要分别对驱动的三个主要部分(电机,静态电力变流器和控制器)进行设计和测试。用电磁分析软件设计和测试电机及其特性;另在不同的软件环境中用控制和电路分析设计和检验静态电力变流器(如逆变器)和控制器。只能在测试后,才能将这些模块组合,形成最后的集成系统。

    传统的设计过程有许多迭代,因为在全部模块集成后可能会产生错误,特别是当系统其他模块的组件和特性理想化表示时。例如,在驱动仿真中,电机模型的建立是基于理想电压方程,电感为常数。结果,仿真精度可能不高,导致某些情况下未能满足效率和性能,甚至需要重新设计电机、逆变器或控制器。

    2.2 电机驱动新的快速设计过程

    在电机驱动的传统设计中存在两个重要不足:首先,驱动组件的设计、测试及优化的分离,在设计后期进行集成;其次,从离线分析仿真到组件的实际构建存在很大跳跃。

图1 带有实时FE-电机的电机驱动快速设计过程
图1 带有实时FE-电机的电机驱动快速设计过程

    本文旨在解决提出的两个缺点,来缩小差距。开发主要包括实时进行电机的有限元设计,且在设计过程中使用快速原型开发。

    使用快速原型开发和硬件在环测试的快速设计过程示意图如图1.

    电磁仿真JMAG Studio电机设计后,在集成模块(JMAG-RT)帮助下,生成行为模型,包括电机的全部非线性特性。这与DQ电机模型是相反的,电感近似于常数。

图2 FEA JMAG软件对电机D轴和Q轴电感的分析结果
图2 FEA JMAG软件对电机D轴和Q轴电感的分析结果

    此模型包含在Simulink模型中并与驱动电路的其他模块集成,如机械负载和逆变器;后者由RT-Events模块库中的插值逆变器模型建立。为了连接外部控制器模型,不同类型的输入输出块(模拟,数字,PWM,编码器,等)可以从RT-LAB I/O库中拖放。

    先对模型进行离线仿真,然后,编译,下载至实时仿真器;实时仿真器作为虚拟电机驱动运行,且基于有限元分析的精确电机模型在RT-LAB仿真机中实时运行,可测试和验证控制器性能。

    这种方法主要优点在于以下几点:第一,从FE软件设计和分析电机到实时虚拟电机驱动实现,整个设计过程是连续的;第二,相对于传统DQ模型来说,实时电机模型非常精确,由FE软件分析产生结果,该电机模型包括电磁电路的全部非线性;第三,快速原型开发缩短了设计周期,因为,早期设计过程,甚至在建立实际驱动或电机之前,已进行了大部分与驱动部件(电机,逆变器和控制器)的测试。

    2.3 开发

    为了连接FE仿真和RT运行,有两个主要开发工作:

    ●  产生一个基于FE的电机模型,带有电压输入,电流及转矩输出;FE软件预先分析得出电磁通量对电流和转子位置依赖性的全部数据,并导入实时模型。

    ●  执行完整的电机和逆变器模型实时仿真;JMAG 对基于FE的电机模型进行优化,以完成良好的仿真速度,并在逆变器模型上进行插值补偿;

    3 仿真结果

    本文进行了几个测试对电机的有限元分析和实时模型进行验证和比对。

图3 Simulink模型
图3 Simulink模型

图4 硬件在环仿真
图4 硬件在环仿真

    为Simulink模型,包括基于有限元分析的电机模型,带有集成控制器的RT-Events逆变器模型,PWM生成器。对模型进行全数字实时仿真(带内部控制器)或硬件在环仿真(通过定时数字输入,模拟输出和编码或解析器信号外接控制器)。

    3.1 RT-LAB仿真机

    RT-LAB是集成实时计算的平台,一般由一台或多台采用多CPU以及多核技术的高性能计算机组,进行快速控制原型开发和HIL仿真。与MATLAB/Simulink完全兼容,自动生成代码,然后编译,与输入输出连接,最后下载至RT-LAB目标机。

    通过RT-LAB模型库提供的自定义模块来配置I/O接口。工程师仅仅需要拖放模块至模型即可,连接输入输出模块与其他模块,不用担心驱动程序。RT-LAB自动生成代码,将模型的数据流直接连接到物理I/O板卡上。

    3.2 精确度

图4 硬件在环仿真

图5 多个电机模型转矩的比较
图6个电机模型转矩的比较

    为由PWM逆变器控制的三种不同电机模型的转矩示意图。标注“FEA(JMAG)”的曲线为在JMAG里FEM计算得出的转矩结果;标注“JMAG-RT”的曲线为基于RT模型的转矩结果;最后,标注“DQ-model”的曲线是DQ电机模型获得的转矩。从上图可以很明显的看出,DQ电机模型的仿真结果是个近似值,忽略了磁通分布的非线性和电磁场的耦合效应。

    3.3 逆变器模型采用TSB

    表示A相电流和转矩的各种闭环测试。具体分为:

   ● 仿真步长为1μs,TSB(带时间戳的电力电子桥)逆变器模型;

   ● 仿真步长为10μs,TSB逆变器模型;

   ● 仿真步长20μs,TSB逆变器模型;

   ● 仿真步长5μs,无TSB的逆变器模型;

    以上测试均采用PWM载波频率12.5kHz。

    从上述测试可看出,采用时间戳技术,在仿真步长分别为1μs,10μs和20μs时仿真曲线基本是重合的,而不采用时间戳技术的仿真步长为5μs的响应曲线,与前者仿真曲线相比,有很明显的相位滞后。

    由此可得,即使对较小仿真步长,实时插值法也是必要的。

    进一步的测试显示,当转子速度为3000RPM时,仿真步长为20μs,可得到精确的仿真结果。对于更高的转速,需要更小的仿真步长5μs,并采用TSB逆变器模型;

    3.4 实时运行时间

    除了JMAG 实时模型方程的精确度外,还有另一更重要的因素——步长影响着实时模型的精度。

    表一为RT-LAB仿真机的最小仿真步长;

    分两阶段:第一阶段,JMAG-RT模型没有任何优化;第二阶段,对上述模型进行优化改进;此外,在开发阶段,进行如下分割:将有IGBT逆变器(和控制器)的主要电气求解器放到一个处理器上计算,电感矩阵的计算放到其他CPU。

    结果表明,完成全数字模型实时仿真的RT-LAB最小仿真步长为12μs,基于双核Opteron仿真机,不带I/O。仿真机通过典型I/O板卡与外部实物控制器相连,进行HIL仿真,如图4所示,最小仿真步长为25μs。

    4 结论

    本文主要目的在于说明电机设计和测试领域的最新开发进展;展现了如何以合适的步长对有限元电机模型进行HIL实时仿真,凭借设计速度和精确的电机模型,此方法将为电气设备的电机驱动设计填补空白。

    在FPGA上直接进行实时仿真将更大的缩短仿真步长,此项研究正在调研和设计阶段。

标签:RT-LABJMAG有限元
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