双转子反向对转永磁同步电动机建模与仿真

基于Ansoft的永磁同步电机建模与仿真李周清【摘要】采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell 2D模型建立永磁同步电机模型,给出了电机的输入变换电路,构建一个完整的仿真系统.通过对PMSM模型的有限元分析,得出反电动势曲线,以及随转子位置变化的转矩及磁场分布情况.仿真结果为PMSM的优化设计及进一步研究提供了理论依据.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2012(041)004【总页数】5页(P35-39)【关键词】永磁同步电机;有限元法;仿真分析;Ansoft【作者】李周清【作者单位】广汽汽车集团汽车工程研究院,广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TP391.721 引言目前新能源汽车用动力电机系统主要采用直流电机系统、永磁同步电机系统、感应电机系统和开关磁阻电机系统。

因永磁同步电机的高功率/扭住密度和效率特性，成为最佳的选配产品。

对于结构空间紧凑和质量轻型化的汽车而言，优势更为明显。

永磁同步电机广泛应用，它具有下列优点：无电刷和滑环，降低了转子损耗，从而可以得到较高的运行效率；同样体积的电机，永磁式电机可输出更大的功率；转子转动惯量小，可以获得较高的加速度；动态响应时间减少；转矩脉动小，可以得到较稳定的转矩，尤其在极低的速度下也能满足高精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩；调速范围宽，高效率区区域大，功率因数高；电机重量轻。

高性能、结构紧凑、质量轻、制作工艺简单、成本低，是开发设计的目标。

在传统电机设计中，习惯把电机的分析和计算归纳为电路和磁路的问题，实践中，电路和磁路中的各参数是由电机电磁场的场量得来的，对于磁路结构复杂的永磁电机，这种方法难以得到准确的磁路计算结果[1]。

随着数值计算的仿真技术的发展，可以直接使用有限元方法对电机及电磁场进行分析和计算，从而获得更精确的数据。

2 仿真应用手段2.1 静态分析软件的作用电机运行模型可等效为电阻、电感串并联电路。

经元 模糊 PID 控制 方 法 遥 首 先 建立 双转 子永 磁同 步 电 机 的数 学模 型 袁 设 计 了 单 神 经 元 模 糊 PID 控 制 器 袁 然 后 利 用
MATLAB 实 现 了 系 统 设计 与 仿 真 遥 最后 通 过 传 统 PID 和 单 神经 元模 糊 PID 控 制 的仿 真结 果进 行 对 比 分 析 袁仿真 结 果
Abstart院 Aiming at the shortcomings of traditional PID control method, such as parameter perturbation and poor anti - jamming abili鄄 ty of double -rotor permanent magnet synchronous motor, a single neuron fuzzy PID control method is proposed . Firstly , a mathe鄄 matical model of double -rotor permanent magnet synchronous motor is established, and a single neuron fuzzy PID controller is de鄄 signed. And then the system is designed and simulated by MATLAB . Finally , the simulation results of traditional PID and single neuron fuzzy PID control are compared and analyzed. The simulation results show that the single neuron fuzzy PID control can im鄄 prove the robustness of the system effectively, so that the double rotor permanent magnet synchronous motor control system has bet鄄 ter dynamic and static performance and anti-interference ability. Key words院 double -rotor permanent magnet synchronous motor 曰modeling 曰 single neuron

• 从永磁同步电机在A、B、C坐标系下的电压 方程和磁链方程可以看出，在A、B、C坐标 系中，因为同步电机的定转子在磁、电结 构中的不对称，同步电机的数学模型是一 组与转子瞬间位置有关的非线性时变方程。 因此，采用A、B、C坐标系的数学模型对永 磁同步电机进行分析和控制是十分困难的， 需要寻求比较简便的数学模型以实施对同 步电机的控制与分析。
• α 、 β 、o坐标系中同步电机数学模型 • 由于电机在静止的α 、 β 、o坐标系中的各个变量可以直接观 测，因此，在研究电机特性和电机控制也可采用α 、 β 、o坐 标系上数学模型 • 将永磁同电机在A 、B、C三相坐标系中的电流参量进行坐标变 换，可以将三相坐标下的电机电压、磁链方程在α 、 β 、o坐 标系上表示出来。将α 、 β 、o坐标放在定子上， α 轴与A相轴 线重合， β轴超前α 轴90度，在α 、 β 、o坐标系中的电压电流， 可以直接从A 、B、C三相坐标系中的电压电流通过简单的线性 变换可以得到。一个旋转矢量从A 、B、C三相定子坐标系变换 到α 、 β 、o坐标系成为3/2变换，有
除以上电压方程和磁链方程外，A、B、C坐标 系下的数学模型还包括电机的运动和转矩方程。 因为在A、B、C坐标系下的电压方程和磁链方 程比较复杂，磁链的数值随永磁同步电机定子 和转子之间的相对位置随时间而变化，而电机 运动方程是描述电机电磁转矩与电机运动状态 之间的关系，方程的表述比较简单，但转矩方 程涉及的永磁同步电机电流相量和磁链矩阵， 其表述相对复杂。
• A、B、C三相坐标系中的同步电机数学模型 、 、 三相坐标系中的同步电机数学模型 • 在图中A 、B、C为电机三相定子绕组轴线， ， ϴ为转子轴线d轴线与A相绕组轴线间的夹角， ψf为转子产生的链过定子的磁链。 • 永磁同步电机在A、B、C坐标下的定子电压 方程为（Is为电机定子三相电流的矢量综合 控制）

永磁同步电机的仿真模型1、永磁同步电机介绍永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波"定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩"旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。

它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等"而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等"凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（field orientation control,FOC）与直接转矩控制技术（direct torque control，DTC）。

在这里我们使用磁场定向矢量控制技术来建立永磁同步电机的仿真模型。

磁场定向矢量控制技术的核心是在转子旋转坐标系中针对激磁电流id和转矩电流iq分别进行控制，并且采用的是经典的PI线性调节器，系统呈现出良好的线性特性，可以按照经典的线性控制理论进行控制系统的设计，逆变器控制采用了较成熟的SPWM、SVPWM等技术。

磁场定向矢量控制技术较成熟，动态、稳态性能较佳，所以得到了广泛的实际应用。

该方法摒弃了矢量控制中转子磁场定向的思想，采用定子磁场定向，分别对定子磁链和转矩直接进行控制。