中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004 7018(2010)08—0001一03
0引言
在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)沒計(jì)巾，電機(jī)本體和電機(jī)控制系統(tǒng)分別是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，這樣就會(huì)造成在電機(jī)本體設(shè)計(jì)中不能預(yù)估其最后加上控制系統(tǒng)的電機(jī)性能，而在電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中又由于不能準(zhǔn)確模擬電機(jī)本體的性能造成不能準(zhǔn)確地仿真控制系統(tǒng)的效果。電機(jī)本體仿真軟件的優(yōu)勢(shì)是磁場(chǎng)有限元計(jì)算，對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能進(jìn)行復(fù)雜的模擬�？刂葡到y(tǒng)仿真軟件能有效地仿真控制系統(tǒng)和控制算法的性能，但其電機(jī)本體是一些理想簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型甚至只用一個(gè)函數(shù)表示，由于控制對(duì)象不準(zhǔn)確，其仿真結(jié)果電不能正確地反映控制系統(tǒng)的性能。兩者都不能獨(dú)市地、較為準(zhǔn)確地仿真整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的性能，兇此，有必要將兩者的設(shè)計(jì)仿真過(guò)程結(jié)合起來(lái)，從而較為準(zhǔn)確地評(píng)估最終整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的性能。
電機(jī)本體設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是電機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算，而電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對(duì)電機(jī)的電路系統(tǒng)進(jìn)行控制：磁場(chǎng)影響電機(jī)本體反電動(dòng)勢(shì)，從而影響其電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)．由此可以看出，電機(jī)本體與電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)合點(diǎn)是電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)仿真模型通常將反電動(dòng)勢(shì)波形近似為理想的120。電角度梯形波，其反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)也由公式計(jì)算求得。然而針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，于齒槽效應(yīng)、繞組形式和電機(jī)磁場(chǎng)的非線性等多種因素，真實(shí)的反電勢(shì)波形和理想的120。電角度梯形波有一定差距，頂部寬度很難達(dá)到120。，其頂部存在一定的波動(dòng)，并且其真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)也由公式計(jì)算有所偏差。特別是大功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，由于大功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般采用分布繞組，由于采用分布繞組q≠1，導(dǎo)致相電勢(shì)平頂寬度小于120。電角度，而且電阻一般都比較小，其反電動(dòng)勢(shì)的誤差會(huì)造成對(duì)繞組電流的仿真造成較大誤差，從而影響其轉(zhuǎn)矩和其它性能的仿真結(jié)果。因此當(dāng)用理想的反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行仿真時(shí)，仿真結(jié)果會(huì)與實(shí)際有較大的偏差，尤其是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為l『減少這種偏差，應(yīng)用比較真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)波形的電機(jī)本體模型是需要的。本文以一臺(tái)22 kw電機(jī)為例，利用有限元磁場(chǎng)仿真軟件Magne【對(duì)設(shè)計(jì)電機(jī)模型進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算，得出比較接近于真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)波形，再將反電動(dòng)勢(shì)波形如何導(dǎo)人到simulink模型中。從仿真結(jié)果可以看出，使用有限元計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)的simulink模型仿真結(jié)果與最終電機(jī)試驗(yàn)波形基本一致，而使用理想反電動(dòng)勢(shì)的simulink模型仿真結(jié)果與最終電機(jī)試驗(yàn)波形具有較大不同。負(fù)載越小，電流波形差距越大。
1反電動(dòng)勢(shì)有限元計(jì)算
本文采用有限元磁場(chǎng)計(jì)算軟件Magnet進(jìn)行電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)有限元計(jì)算，以下詳述了其計(jì)算過(guò)程。
1．1電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)模型建立
MagneL支持2D／3D模型文件導(dǎo)入／導(dǎo)出類型，包括AutocAD、SAT、cATIA、Pr0／E、IGEs、EP、Invent-or等，也可以直接在編輯界面繪出。本文采用AutocAD軟件畫出其設(shè)計(jì)電機(jī)軸線截面圖，導(dǎo)入Magnet軟件中拉伸即可得到設(shè)計(jì)電機(jī)的三維模型，如圖1所示。在Au【0一cAD的平面模型繪制中，要注意模型的封閉性。
1.2材料屬性
材料屬性包括基于溫度和頻率的電、磁、熱的線性或非線性屬性。由于本文主要針對(duì)其電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，定義其材料的電磁參數(shù)即可。根據(jù)《微特電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的材料屬性，定義了以下四種主要材料：
1.3設(shè)置線圈參數(shù)和電路連接，剖分網(wǎng)格參數(shù)
根據(jù)22 kw電機(jī)的繞組參數(shù)和電路形式，對(duì)模型中的繞組進(jìn)行參數(shù)編輯。為了提高求解精度和速度，對(duì)不同的實(shí)體設(shè)定不同的網(wǎng)格大小。．網(wǎng)格越小，計(jì)算越精確，但其計(jì)算速度越慢。一般氣隙設(shè)小一點(diǎn)。另外還可以設(shè)定直線、圓弧分段來(lái)控制網(wǎng)格數(shù)，或者設(shè)定曲率大小來(lái)控制網(wǎng)格數(shù)。
1．4設(shè)置運(yùn)動(dòng)部件和求解器
將模型中的轉(zhuǎn)子部分設(shè)置為運(yùn)動(dòng)部件，其驅(qū)動(dòng)形式可選擇為負(fù)載驅(qū)動(dòng)或速度驅(qū)動(dòng)。負(fù)載驅(qū)動(dòng)即給運(yùn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)一定的負(fù)載，主要用于仿真電機(jī)運(yùn)行時(shí)的特性：而速度驅(qū)動(dòng)則讓運(yùn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)以給定的速度運(yùn)動(dòng)，主要用米仿真繞組的反電動(dòng)勢(shì)。
由于本次仿真主要是為了得到電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形．因此設(shè)置為速度驅(qū)動(dòng)。給轉(zhuǎn)子一個(gè)恒定的速度(在本例中設(shè)置為1 r／min)，即可計(jì)算出其反電動(dòng)勢(shì)波形。在求解器方面，可設(shè)置其求解步長(zhǎng)和終止時(shí)間，為了得到較為準(zhǔn)確的反電動(dòng)勢(shì)波形，其步長(zhǎng)應(yīng)該較小，其終止時(shí)問能保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈即可。
2 Simulink仿真
在simulink仿真中，其反電動(dòng)勢(shì)是速度和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)：傳統(tǒng)的仿真采用平頂?shù)奶菪尾ù�。在本文中，首先將Magnet仿真的反電動(dòng)勢(shì)結(jié)果做成simulink中二維數(shù)據(jù)表(Mat)文件，一維為轉(zhuǎn)子的電角度，另一維即相反電動(dòng)勢(shì)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)是相位相差120。電角度的，每一相繞組反電動(dòng)勢(shì)以360。電角度為一個(gè)周期，因此，數(shù)據(jù)文件只要包括一相繞組的在360。電角度內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)即可。在simul-r-k中采用查找表的方式，即根據(jù)轉(zhuǎn)子不同的電角度位置，查出此位置對(duì)應(yīng)的三相繞組反電動(dòng)勢(shì)，再乘以轉(zhuǎn)速，就可得到比較接近于真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)大小，如圖2所示。
simulink模型其它部分與傳統(tǒng)的仿真模型相同，在此不再詳述。
3仿真結(jié)果分析與對(duì)比
本文中Magnet仿真的一相反電動(dòng)勢(shì)，simulink仿真的一一相反電動(dòng)勢(shì)波形和傳統(tǒng)的simulink仿真的反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比如圖3所示.
從圖3可以看出，Magne【有限元磁場(chǎng)計(jì)算的相反電動(dòng)勢(shì)波頂明顯小于120°。，且存在一定的波動(dòng)。而本文的simulink模型的反電動(dòng)勢(shì)與有限元計(jì)算的一樣。
仿真分別給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩0 2 N。m、O 4 N·m、O 8 N·m、l N·m。測(cè)試實(shí)際電機(jī)電流時(shí)也分別給定相同的負(fù)載，如圖4所示。
本文simulink仿真負(fù)載從小到大的電流波形如圖5所示。22 kw電機(jī)實(shí)際試驗(yàn)的負(fù)載從小到大的電流波形如圖6所示。傳統(tǒng)simulink仿真的負(fù)載從小到大的電流波形如圖7所示
從圖5、圖6和圖7的比較結(jié)果可以看出，采用本文的simulink仿真方法所得到的仿真結(jié)果與實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行情況較為符合，而傳統(tǒng)的simulink仿真得到的仿真結(jié)果與實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行情況有較大誤差，尤其是其負(fù)載較小時(shí)。
4非理想反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流波形的影響分析
由于大功率電機(jī)的電阻較小，反電動(dòng)勢(shì)的波動(dòng)對(duì)電流的影響非常大。
(1)坡頂寬度對(duì)電流波形的影響當(dāng)坡頂寬度大于120。電角度時(shí)，由于繞組只有在120。電角度內(nèi)導(dǎo)通，坡頂寬度對(duì)電流波形沒有影響。然而，由于極弧系數(shù)、充磁方式、繞組形式等因素的影響，在實(shí)際的大功率電機(jī)中，坡頂寬度一般都小于120。電角度。
當(dāng)坡頂寬度小于120。電角度時(shí)，三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)和逆變器直流端反電動(dòng)勢(shì)如圖7所示。
忽略電感，根據(jù)公式：
式中：E為逆變器直流端反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)E增大時(shí)，i減�。划�(dāng)E減小時(shí)，i增大。
因此，無(wú)電感的_4相仿真電流波形如圖8所示。
實(shí)際電機(jī)中是有電感存在的。由于電感對(duì)電流的滯后作用，帶電感A相仿真電流如圖8所示，與本文的仿真結(jié)果和實(shí)際電機(jī)的工作電流相吻合。
(2)負(fù)載變化時(shí)電流波形變化的原因
由圖5和圖6可以看出．隨著負(fù)載力矩從小到大，電流波形發(fā)生較大的變化。當(dāng)力矩較小時(shí)，電流明顯下陷。當(dāng)力矩變大時(shí)，電流的下陷越來(lái)越小，直到消失。
根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特性，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩是與電流成正比的。因此．隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，電機(jī)的平均電流也是增大的。當(dāng)一相繞組由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，電流會(huì)以一個(gè)接近指數(shù)函數(shù)的形式上升，具體形式為：
上升階段直到接近于平均電流結(jié)束{4}。
在大功率無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，由于機(jī)械特性較硬，在負(fù)載從小到大的過(guò)程中，速度變化小，反電動(dòng)勢(shì)變化電小，因此式(1)的參數(shù)都變化不大。電流上升階段的時(shí)間主要由平均電流決定，由于負(fù)載大時(shí)的平均電流大于負(fù)載小時(shí)的平均電流，因此負(fù)載大時(shí)的上升時(shí)間要長(zhǎng)于負(fù)載小時(shí)的上升時(shí)間，如圖9所示。
當(dāng)負(fù)載小時(shí)，電流上升階段結(jié)束，反電動(dòng)勢(shì)依然在升高，因此電流會(huì)有下陷。而當(dāng)負(fù)載大時(shí)，電流上升階段結(jié)束時(shí)刻反電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)開始接近平穩(wěn)，因此電流無(wú)明顯改變。同時(shí)，由于負(fù)載小時(shí)，電流的平均幅值較小，電流的改變特別明顯。而當(dāng)負(fù)載大時(shí)，電流平均值較大，電流的改變已經(jīng)不太明顯。另外，電流的滯后性也對(duì)電流波形有所影響。上述原因綜合造成了在非理想反電動(dòng)勢(shì)條件下，當(dāng)負(fù)載從小到大變化時(shí)，電流的波形會(huì)發(fā)生較大的變化。
5結(jié)語(yǔ)
本文首先提出了以往無(wú)刷直流電機(jī)仿真方法中存在的不足，應(yīng)結(jié)合磁場(chǎng)仿真軟件和電路仿真軟件才能較好地模擬無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分析出兩種軟件的結(jié)合點(diǎn)在于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)；以磁場(chǎng)仿真軟件Magnet和電路仿真軟件simulink為例，提出并詳細(xì)說(shuō)明了一種基于有限元計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)的simulink仿真方法；并通過(guò)一臺(tái)22 kw的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，傳統(tǒng)的simulink仿真方法與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況有較大的差異，使用本文的simulink仿真方法能得到與實(shí)際情況較為符合的仿真結(jié)果，對(duì)電機(jī)本體性能分析、控制系統(tǒng)、算法的設(shè)計(jì)以及整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)性能的評(píng)估具有一定的參考意義。
最后，通過(guò)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形的分析，說(shuō)明了造成電流波形在負(fù)載小的下陷波動(dòng)以及實(shí)際電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小變化時(shí)電流波形存在明顯不同的原因.
