電機系統建模的案例
永磁同步電機控制系統仿真 附電力電子、電機控制系統的建模和仿真下載
下載地址：電力電子、電機控制系統的建模和仿真
基于Simulink的永磁同步電機調速系統的建模與仿真
4.2、比例積分模塊
調速系統實施轉速閉環控制，轉速比例積分調節器中的比例模塊設置比例參數，積分模塊設置積分參數。調節器內同時設置了內限幅和外限幅模塊（saturation）。
4.3、坐標轉換模塊
根據上述坐標轉換原理，我們建立dq到abc坐標系和abc到dq坐標系的轉換模塊。
4.4、逆變器控制模塊
采用電流滯環脈沖寬度調制方法，該模塊輸入為三相相電流給定值和三相相電流實際值，輸出為三相相電壓。
4.5、電動機模塊
在Simulink中對永磁同步電機進行仿真建模通常采用以下幾種方法：
（1）在Simulink中內部提供的PMSM模型，它包含在電力系統庫的電動機庫中。這種方法簡單，方便，適于快速創建永磁同步電動機調速系統，但由于模型已經封裝好，不能隨意修改，同時也不方便研究PMWM內部的建模方法。
（2）使用SimulinkLibrary庫里已有的分離模塊進行組合搭建電機模型，該方法思路清晰、簡單、直觀，但需要較多的模塊，連線較多且不利于差錯，尤其是復雜的數學模型。因此，本方法適用于簡單的、小規模系統的仿真系統建模。
5、仿真結果與分析
輸出矩陣：
輸出三相電流：
輸出角速度信號：
輸出id，iq：
由仿真結果可以看出，在起動過程中，電動機轉矩上升到最大值以后保持在限幅值，此過程中電動機的轉速迅速上升。加速結束后，電動機進入穩態運行，電動機的電磁轉矩與負載轉矩平衡。電氣傳動系統的響應很快，這是因為控制系統中的電流閉環控制響應比較快，動態性能好。
展開 電驅動系統減速器剛柔耦合動力學建模及振動噪聲優化
一體化電驅動系統動力學建模方法：現階段與此方面有關的研究內容較少，在之前，有關人員的關注內容主要包括兩方面內容，分別是齒輪傳動系統噪聲與驅動電機振動噪聲。結合電驅動系統 NVH 特性研究成果可知，驅動電機振動噪聲來源多為徑向電磁力，研究人員經常忽略電磁切向力所造成的影響。即在使用一體化電驅動系統動力學建模分析 NVH 特性展開研究時，研究人員需提高對電驅動系統整體耦合建模的關注度，以提高分析結果權威性與科學性。
1.2 電驅動系統振動噪聲優化
現階段與電驅動系統振動噪聲優化的研究內容主要包括兩方面，分別是電機本體振動噪聲優化與減速器本體振動噪聲優化，具體內容如下：
1. 電驅動系統減速器振動噪聲優化方法：現階段導致電驅動系統減速器或變速器產生較為嚴重的噪聲問題的主要原因有兩種，分別為齒輪嘯叫噪聲與非承載齒輪副出現的齒輪敲擊噪聲。即研究人員應以上述兩方面為切入點展開詳細研究，目前技術人員常用優化方法有三種，分別是 NVH 激勵源、優化傳遞路徑以
及優化殼體響應。
2. 電驅動系統驅動電機振動噪聲優化方法：現階段，驅動電機振動噪聲主要包括三類，分別是電磁噪聲、機械噪聲以及空氣動力噪聲。由于不同噪聲出現原因不同，因此所使用優化方法也存在一定差異。即在實際工作中，技術人員需結合實際情況制定具體優化方案。
2 電驅動系統剛柔耦合動力學建模
2.1 電機及箱體柔性有限元建模
該部分建模工作在整體建模中占有重要地位，所構建有限元模型可以影響計算振動噪聲計算速度與計算結果準確性。通常情況下，在針對此部分內容進行建模時，需要將其劃分為電機殼體、定子、轉子、電磁力施加方式四部分，然后根據具體結構選擇具體建模方式，下面以電驅動系統箱體與電機定子為研究對象，闡述有限元建模方式 [2]。
展開 精確建模，無縫集成 | 《ANSYS電機驅動系統設計仿真解決方案》現已開放領取
IGBT應用及封裝設計
· IGBT特征化建模和開關特性測試
· IGBT寄生參數提取及系統性能分析
· IGBT電磁性能分析和傳導路徑優化
· IGBT多物理場耦合特性分析
· IGBT熱模型提取及系統性能分析
· IGBT輻射干擾分析
2. 驅動/控制系統設計
3. 永磁同步電機降階模型抽取
· 永磁同步電機降階模型原理
· ECE模型提取流程（以永磁同步電機PMSM為例）
· IPM電機ECE模型抽取
· 矢量控制算法仿真（Clark、Park、SVPWM）
4. 控制代碼自動生成
· 功能原理
· 模塊構成
----SCADE Suite Advanced Modeler（高級建模器）
----SCADE Suite MTC（模型覆蓋率分析）
----SCADE Suite KCG（代碼生成器）
----SCADE Suite RM GATEWAY（需求管理工具）
· 應用方案技術指標
· 應用方案特點
5. 電驅動系統集成化設計
6. 電驅動系統EMI/EMC
· 重要性
· 技術難題
· ANSYS解決方案
· ANSYS解決方案的典型應用
----線纜選型和寄生參數提取
----線纜電磁輻射分析與布局優化
----電磁設備傳導及輻射特性分析
----PCB控制板的電磁干擾分析
----機箱機柜屏蔽效能分析
----系統電磁環境對醫療設備的干擾
----系統設備布局和電磁隔離度分析
7. 電驅動系統熱設計
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電驅動系統減速器剛柔耦合動力學建模及振動噪聲優化
2 電驅動系統剛柔耦合動力學建模
2.1 電機及箱體柔性有限元建模
該部分建模工作在整體建模中占有重要地位，所構建有限元模型可以影響計算振動噪聲計算速度與計算結果準確性。通常情況下，在針對此部分內容進行建模時，需要將其劃分為電機殼體、定子、轉子、電磁力施加方式四部分，然后根據具體結構選擇具體建模方式，下面以電驅動系統箱體與電機定子為研究對象，闡述有限元建模方式 [2]。
所使用電驅動系統箱體為“三合一”類型，包括減速器殼體、電機以及控制器殼體三部分，其中電機定子與電驅動系統箱體二者存在連接關系。在其運行過程中，電驅動系統箱體需要承擔系統整體耦合變形、嚙合錯位以及系統動力學所造成的影響，正因如此，其自身具有較為復雜的彈性結構，因此選擇有限元建模方式，借助電機定子幫助約束與箱體建立連接關系，然后將其加入到系統整體動力學方程之中 [3]。
需要注意的是，在建設有限元模型時，技術人員需要掌握電機定子與電驅動箱體的密度、楊氏模量以及泊松比，以確定優化方案，其基本定義如表 1 所示。
展開 電機振動噪聲建模分析：ANSYS電機振動噪聲分析
對于電機來說，這些力可能是驅動轉子軸的磁力，也可能是更大的驅動系統的一部分，比如軸承和/或齒輪。
圖1 汽車NVH示意圖
噪聲是電機的一個熱門話題，而諸如重量和成本降低等競爭性需求會帶來工程挑戰，如果不加以解決，可能會影響客戶滿意度和產品接受度，使用ANSYS工具將為如何全面解決電機噪聲提供工程指導。
1. 問題分析
本例以永磁同步電機模型為例。在Maxwell 2D中，利用該電機的1/8模型，計算定子內表面徑向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中進行該電機三維定子的諧響應分析；最后在ANSYS Harmonic Acoustic中進行三維聲場分析。在Workbench中，Maxwell中計算的定子內表面徑向和切向磁拉時域力密度分布，作為激勵源，耦合到Mechanical 中進行頻域的諧響應分析；諧響應分析的結果，作為激勵耦合到ANSYS Harmonic Acoustic 中，作為噪聲分析的激勵。
幾何模型
圖2 模型示意圖
材料參數
，仿真過程中使用的材料為默認的結構鋼
2. 電磁力計算
圖3 1/8電機模型
分析模型為 Prius 電機的二維分析模型，建立Maxwell 2D分析流程。
打開【Workbench】->【Toolbox】->【Analysis Systems】，添加一個Maxwell 2D分析系統。
圖4 Maxwell 2D分析流程圖
導入模型以后，為了精確分析定子齒部的徑向電磁力，并將力密度的分布耦合到后續的諧響應分析中。
需要將定子齒部“分割”出來，并施加更細密的網格剖分。
展開 電機振動噪聲建模分析:基于ANSYS Workbench平臺的電機電磁噪聲仿真分析
圖61 A記權聲壓級
4.結論
本操作案例僅介紹了如何在ANSYS Workbench平臺上，通過Maxwell電磁模塊與Mechanical模塊進行電機的電磁結構噪聲仿真的操作流程，對電機實際結構進行仿真計算時需要充分考慮電機的結構特點。
文章來源：西莫電機論壇
步進電機的控制系統設計 步進電機的開環控制解析
不過，在簡單的恒頻系統里，時鐘必須調整在兩者之中較低的那個頻率上，以此確保可靠的啟動和停止。
電機從靜止開始加速時，步進頻率很低；每相激磁周期比相電路的電氣時間常數長得多。在這種情況下，系統性能能夠用電機的靜轉短／轉子位置特性來分析。分析結果得知，（1）如果電機的轉矩（TM）增大或負載轉矩（TL）減小，則能提高啟動額率；（2）減少系統慣量（電機慣量+負載慣量）也能提高啟動頻率。
在系統工作壽命內．由于零部件磨損，將影響負載轉矩。為了允許負載轉矩略為變化，恒頻鐘應比求得的啟動頻率略低，且可調。為了確保系統在工作速度情況下對機械諧振不敏感，還應考慮失步轉矩／頻率特性。如果算得啟動頻率恰巧等于諧振頻率，那么，應改用較低頻率的時鐘，或者通過增加阻尼降低諧振影響。實際工作中，啟動頻率也常常通過試驗求得。
2．加速和減速工作
因為步進電機系統的啟動頻率比它的最高運行頻率低得多，因此，為了減少定位時間，常常通過加速使電機在接近最高的速度下運行。隨著目標位置的逼近，為使電機平穩地停下來，重新使步進頻率逐漸降低到啟停電機頻率。從初始位置往目標位置運動的整個過程中，步進頻率都在變。若以曲線表示即得“速度曲線”，如圖3所示。注意；減速可以比加速快得多，因為負載轉矩幫助系統
制動；而且，電機產生的減速轉矩比 （a）速度曲線；（b）對應的位置／時間響應曲線
加速轉矩大。
3．開環控制的實現
對任何系統，選擇控制方式都要考慮性能高和成本低等要求。例如，為了使加速方式最佳，也許要求按指數曲線上升，但是，實現的費用高。設計者也許會用比較簡單的線性斜坡來折衷，因為這種斜坡能以很低成本實現。另一方面，集成電路工藝的迅速發展，使我們能以低價制成的芯片得到各種各樣的電路功能，因此，估計以微處理機控制的潛在優點成為很現實的問題。
展開 電機振動噪聲建模分析：基于Motor-CAD的永磁同步電機E-NVH仿真分析（單一工況點噪聲）
目前，新能源汽車電機的噪聲問題變得越來越突出，電機的電磁振動噪聲是設計人員研究的熱點問題，而電磁振動噪聲的激勵源電磁力波至關重要。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。
Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。
本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。下圖所示電機的Motor-CAD模型圖，內置式永磁同步電機，具體的結構參數設置在此不再贅述。
展開 步進電機開環伺服系統解析，開環步進伺服系統的工作原理
[導讀] 步進電機伺服系統是典型的開環控制系統，指令信號是單向流動的。開環系統沒有位置和速度反饋回路，省去了檢測裝置，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制，系統簡單可靠，不需要像閉環伺服系統那樣進行復雜的設計計算與試驗驗證。
步進電機伺服系統是典型的開環控制系統，指令信號是單向流動的。開環系統沒有位置和速度反饋回路，省去了檢測裝置，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制，系統簡單可靠，不需要像閉環伺服系統那樣進行復雜的設計計算與試驗驗證。
步進電動機開環伺服系統由于具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列優點，在中小型機床和速度、精度要求不十分高的場合，得到了廣泛的應用。
1．步進電動機的種類和結構
步進電動機的分類方式很多，根據不同的分類方式，可將步進電動機分為多種類型，如表1所示。
步進電機在結構上分為定子和轉子兩部分，現以圖2所示的反應式三相步進電機為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。在定子的每個磁極上開了5個小齒，齒寬相等，齒間夾角是9°。轉子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。有均勻分布的40個小齒，齒間夾角也是9°。此外，定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距。
2．步進電動機的工作原理
步進電機是按電磁吸引的原理工作，現以反應式步進電機為例說明其工作原理。反應式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。如圖3所示為三相步進電機，定子上有三對磁極，分成A、B、C三相。
步進電機開環伺服系統
開環控制數控機床 如圖1所示
特點：結構簡單，步進驅動、步進電機，無位置速度反饋。
展開 深度解讀混合動力汽車雙電機驅動系統
本文以混合動力雙電機系統構型為切入點，對本田i-MMD系統和榮威 EDU系統進行了方案描述，重點分析了雙電機系統的工作模式及控制原理，同時對雙電機系統起步控制和換擋協調控制過程進行了說明。
1. 本田i-MMD雙電機系統構型
本田雅閣i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系統技術方案結構如圖1所示，其動力驅動系統主要包括2.0 L發動機、驅動電機、發電機、離合器以及傳動機構等。其中，驅動電機、發電機以及離合器集成形成了電動耦合 e-CVT，取代了傳統的變速箱，發電機始終與發動機相連，主要用于發電，驅動電機與驅動車輪相連，主要用于驅動車輛行駛，在制動的時候，電機可以回收能量對電池進行充電。
圖一
雅閣混合動力汽車搭載了 i-MMD 雙電機系統，整車動力來源采用了以驅動電機為主，發動機為輔的設計，可以實現純電動、混合動力以及發動機直驅的模式功能。純電動模式下利用驅動電機驅動車輪；混動模式下發動機啟動通過發電機給驅動電機充電，再讓驅動電機驅動車輪；發動機直驅模式下離合器閉合，發動機作為動力源與傳動系相連驅動車輪。通過三種模式有效切換，使得車輛表現出了更為出色的動力與節油優勢。
2. 本田i-MMD雙電機系統工作模式
（1）純電動模式驅動
在純電動模式下，動力系統能量傳遞如圖2中所示的箭頭方向。在這種模式下，發動機不工作，動力分離裝置離合器斷開，驅動車輛行駛的能量直接來源于動力電池，動力電池儲存的電能經由逆變器提供給驅動電機，驅動電機驅動車輛前進或者后退。在車輛制動時，所產生的能量將被回收充入動力電池內進行儲存。
圖2
（2）混合動力模式驅動
在混合動力模式下，動力系統能量傳遞如圖3中所示的箭頭方向。
展開 
電動汽車電機總成懸置系統仿真分析及優化
摘要
：為了對電動汽車電機懸置系統的固有特性進行分析，利用 ＡＤＡＭＳ 建立電機懸置系統六自由度仿真模型，計算電機總成懸置系統的固有頻率和能量解耦率，得出懸置系統各階固有頻率均大于內燃機汽車，且繞電機軸線方向振動的固有頻率遠大于內燃機汽車，整車豎直方向和俯仰方向存在嚴重的振動耦合。通過改變電機的懸置位置和剛度對電機懸置系統進行仿真優化。優化結果表明：通過改變電機的懸置位置和剛度，可以使懸置系統的固有頻率分布更加合理，能量解耦率得到提高。
關鍵詞
：電動汽車；電機懸置系統；ＡＤＡＭＳ；仿真
全球能源危機、環境污染問題日益嚴重，純電動汽車作為新能源汽車的一個重要方向，符合國家節能環保的發展趨勢，國內諸多汽車制造廠和研究機構對電動汽車進行了深入研究［１］
。電動汽車與傳統內燃機汽車的振動噪聲源差別較大。傳統內燃機汽車的噪聲主要來源于發動機噪聲、進排氣噪聲、散熱風扇噪聲、傳動系統噪聲、路面輪胎噪聲、車身振動噪聲和風噪聲［２］。電動汽車由于沒有發動機噪聲和進排氣噪聲這兩大主要噪聲，其噪聲比內燃機汽車噪聲在一般工況下減小很多［３］，但由于電動汽車驅動電機的特殊性，在加速時電機會產生轉矩波動，并且瞬時轉矩沖擊較大［４-６］，這些振動和沖擊會傳給車架，引起
車內振動噪聲和部件的疲勞破壞，此時噪聲比內燃機汽車噪聲要大。
牽引電機通過懸置系統安裝在汽車車架上，懸置系統支撐電機的重量，對動力總成與車架間的振動起雙向隔離作用［７-９］。驅動電機在工作過程中，在懸置系統某一個自由度方向作用變化的激振力，并引起該方向的振動時，導致其他自由度方向的振動，出現耦合振動。由于耦合振動擴大了振動頻率的范圍，為了達到相同程度的隔離效果，懸置必須要更軟，從而使得穩定性降低。因此，需要對懸置系統進行解耦優化。
展開 Simulink中4種電機建模方式
最后，按個人經驗對以上四種建模方式進行總結：
微分方程建模：能完整體現模型的內部物理學關系，可以獲取所有內部狀態信號，對建模對象有充分認識且有研究需求時建議使用該方法；由于該建模過程比較繁瑣，一般不建議使用該方法建模。
傳遞函數建模：能用簡潔的方式體現模型輸入輸出之間的關系，一般建模時建議優先使用該方法；僅能體現輸入輸出信號，對于內部狀態無法獲取。
狀態方程建模：能用最簡潔的方式體現模型輸入輸出之間的關系，且同樣適用于多輸入多輸出系統，同時也能觀察系統內部狀態；需要有一定現代控制理論基礎，推導過程相對比較麻煩。
Simscape建模：不需要了解太多建模對象特性，可以獲取所有內部狀態信號，僅根據物理連接關系即可完成建模，對于非主要研究領域的建模建議采用此方法；需要一個一個元件組裝，建模過程比較繁瑣。
以上，在Simulink用微分方程、傳遞函數、狀態方程、Simscape等4種不同的方式搭建電機模型，并對其進行了初步的驗證和總結。
展開 行業應用方案 | 電機與驅動控制系統
Ansys 行業應用方案連載（9） | 電機與驅動控制系統
電機與驅動控制系統廣泛應用于工業設備、能源、國防軍工、家電、伺服控制、機器人、新能源汽車、軌道交通等領域，是高性能家電、新能源汽車、智能制造、機器人、軌道交通等高新應用的核心技術之一。
根據不同的行業應用場景，電機與驅動控制系統的發展趨勢是不一樣的。工業電機主要以高效率節能為發展方向；家用電器以低成本、低噪聲、高效率的直驅電機為發展方向；新能源汽車電機以全周期運行區間的整體效率、低NVH、低成本、小體積、高可靠性為發展方向；國防軍工以高可靠性、高性能的特種電機為主。
綜合來看，電機與驅動控制系統的技術熱點是電機的多學科性能優化、NVH分析、EMC分析以及電驅動系統的系統分析，這些熱點問題同時也是技術難點，大多都需要多學科多物理域的綜合分析。
電機設計是一個典型的多物理場問題，它涉及到多個領域包括電磁、結構、控制、流體和溫度等。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術的發展，以及市場競爭的加劇，電機設計的要求越來越苛刻，精度要求越來越高。
以往很多電機設計的問題，可以用裕量設計的方法來解決，例如加大體積減小溫升，通過斜槽等等來降低脈動，加大重量來提高效率和降低噪聲，現在這些方法由于成本壓力往往都行不通。現在需要提高設計精度，通過仿真來減少電機設計中的諸多問題。
展開 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
圖1 發卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機技術
多相電機在輸出相同功率時的母線電壓低于傳統的三相電機，且具有更小的轉矩脈動和更強的容錯能力[9]，因此適用于對噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅系統[10]。以雙三相永磁同步電機為例，電機的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢，大大減少了電機的轉矩脈動[11,12]。同時，雙三相永磁同步電機兩套繞組采用隔離中線設計，相比4相與5相電機，降低了系統的階次，便于分析與控制，在電機與控制器發生故障時，控制算法不需要大的更改即可實現電機系統的容錯運行控制，因此雙三相永磁同步電機也成為了新能源汽車電機驅動系統研究的熱點。
（三）永磁同步磁阻電機技術
永磁同步磁阻電機是“永磁同步電機+磁阻電機”的融合，與傳統永磁同步電機相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉矩較大，是一種少稀土/無稀土永磁電機方案。同時，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問題，還具有更寬廣的高效率調速范圍。因此，該技術路線已經被應用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見圖2）。
永磁同步磁阻電機是當前行業界普遍看好的技術路線。但是其也面臨著轉子結構設計復雜、制造工藝復雜、制造設備成本高、最優電流角度變化大等問題，是當前研究的重點和難點。因此，該技術的發展對于一些嚴重依賴廉價稀土永磁體、研發能力和制造加工能力差的企業將是不小的沖擊。
（四）輪轂電機技術
圖2 寶馬i3車用永磁同步磁阻電機
輪轂電機的形式多樣，但國內外的研究多集中在外轉子輪轂電機[13～16]。輪轂電機的應用能夠給新能源汽車帶來一系列明顯優勢：省掉了變速器、傳動軸、差速器等機械傳動部分，可以實現四輪分布式驅動，且留下更多的底盤空間給電池包。
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