六相永磁同步電機降階模型ECE抽取方法

1?背景介紹

永磁同步電機降階模型ECE抽取是通過對永磁同步電機有限元結果進行降階抽取，等效抽取的結果是基于有限元計算得到的數據表，在控制系統聯合仿真過程中只需通過查表得方法就能得到電機的性能，因此將抽取后的結果應用到系統仿真中，既保證了精度也提高了速度。

控制系統聯合電機ECE模型仿真電路

六相永磁同步電機(雙三相)具有高功率密度、低轉矩脈動及高可靠性等優點，廣泛應用于風力渦輪機、電動汽車、機車牽引及船舶推進系統當中。

六相繞組等效ECE模型具有靈活、精確、高計算效率、方便實用等優點。該模型可與其他ECE模型結合用于創建各種六相電機；該模型基于基波等效模型并考慮飽和響應，dq0磁鏈中包括諧波分量；該模型只需掃描一組dq軸電流，并且最小只需掃描30度電角度，相對三相ECE模型節省50%參數掃描計算量；該模型可自動鏈接雙三相模型。

下圖為基于有限元提取的六相電機ECE降階模型。

基于有限元提取六相電機的ECE模型

六相永磁同步電機降階模型原理與三相永磁同步電機原理相同，但是實際掃描的電流變量更多。將永磁同步電機的電流及轉子位置角度進行掃描，在有限元里面進行分析計算，得到永磁電機的轉矩跟磁鏈結果，將這些結果保存在一個數據表中，由于轉矩跟磁通結果是經過有限元計算得到的，因此數據表的精度非常高。若將這個數據表放到控制系統仿真當中，則計算結果非常快，只需在里面查表就可得到電機的電磁性能。

六相永磁同步電機降階ECE模型原理

在Maxwell有限元場計算中，有限元模型對電流和轉子位置角掃描，掃描后得到的有限元結果通過降階模型保存在數據表中形成ECE模型，將ECE模型直接在Simplorer(Twin-Builder)進行分析計算。

ECE模型

由于抽取的ECE結果是基于有限元計算得到的，因此ECE結果精度非常高，與有限元結果幾乎一樣。

ECE與FEA結果對比

2?六相永磁同步電機降階模型簡介

ECE模型又稱ROM降階模型、狀態空間模型，它是基于表格的電路模型，表格參數來源于預先的有限元計算結果。ECE模型可用于控制電路分析、系統分析(TwinBuilder/Simplorer)、HIL分析(ETAS，NI)。它具有模型計算速度快，精度高的優點。模型精度與掃描密度有關，ECE模型暫不支持渦流及磁滯模型。

ECEModel/ROM(平均模型)

六相永磁同步電機ECE模型提取流程是以其中的一套三相繞組為例，另一套三相繞組及電機總的性能指標由后處理得到。其模型如下圖所示。

六相永磁同步電機ECE模型

ECE模型模型提取步驟如下： ①設置電流和轉子位置掃描； ②掃描電流的坐標變換； ③有限元場計算； ④磁通的坐標變換； ⑤表格拓展與模型生成。

ECE模型提取流程

3?六相永磁同步電機ECE模型抽取

六相永磁同步電機模型如下圖所示。

六相永磁同步電機

①首先設置初始位置角，注意此步驟非必需，將電機D軸與A相繞組的軸線對齊，以保證A相空載反電勢相位為0，同時保持其他瞬態參數設置不變，如繞組設置、模型深度、模型對稱性等。

設置初始位置角

②然后將六相繞組的激勵方式改成外電路。注意該步驟只是用于ECE模型抽取，與電機實際需不需要設置外電路無關。

將六相繞組的激勵方式改成外電路

③然后插入Maxwell Circuit Design，編輯外電路，外電路只需要包含三個元件，分別是ECE6，ECER，Ground。

插入Maxwell Circuit Design

外電路包含的三個元件

④然后編輯電流掃描，對ECE6元件進行編輯。

“Windings”中設置六相繞組名稱，必須與Maxwell設置對應，同一個三相繞組的不同相之間用逗號隔開。兩套三相繞組之間，需用分號隔開。特別注意繞組總是以超前的繞組開始，以滯后的繞組結束。

設置電流掃描區間0,1,10。設置 “PhAngIntervals”為 2, 軟件將以DQ方式進行電流掃描，IdIq計算點包括 (-10A,-1A, 0A,1A,10A)。

ECE6元件設置

軟件根據PhAngIntervals不同的取值定義以下三種不同的電流掃描方式：PhAngIntervals = 0,1,2。取該值表示在Cartesian DQ坐標系中，在定義的掃描電流范圍內進行交直軸電流掃描。值為0表示只對d軸、q軸正半軸掃描，負軸通過等效映射的方法獲得；值為1表示d軸全掃描而q軸只對其正半軸掃描；值為2表示對d軸、q軸正負軸均掃描。

PhAngIntervals不同取值的定義

⑤然后編輯轉子角度掃描，對ECER元件進行編輯。

對于六相對稱電機，需要至少對模型進行30度電角度掃描，設置“RotAngMax”等于30度電角度，設置“RotAngIntervals”為合理的數字，如本例中設置為30，每次掃描對應1deg的電角度，設置“Poles”等于模型的實際極數。

ECER元件設置

三相電機對單個60度電角度進行掃描時，通過數據重構可得到360度電角度數據，如下圖所示。 A相重構:A, -B, C, -A, B, -C B相重構:B, -C, A, -B, C, -A C相重構:C, -A, B, -C, A, -B

三相電機360度電角度數據重構

六相電機至少掃描30度電角度，才能進行360度電角度數據周期性復制，如下圖所示。

六相電機360度電角度數據重構

上圖中0~1.666ms對應20ms周期的六相電流的電角度為30deg，根據三相電機類似的原理，該電角度內I1.I、I2.I 、I3.I 、I4.I 、I5.I 、I6.I的電流波形，可以構造出六相電機的任意一相的電流波形。

通過對元件的設置，可以估算出總共需要掃描的點數。?

元件設置

由于Id= -10A，-1A，0，1A，10A共5個點(包含0)，Iq= -10A，-1A，0，1A，10A共5個點(包含0)。因此得到電流掃描點數為(2*2+1)^2 =25種Id-Iq 組合，由于轉子位置點: 0 deg (d-axis)，1 deg，2 deg，3 deg，…，30deg，共30個轉子位置點，對于每一個Id-Iq組合，需要計算掃描30個轉子位置，才能重構到360度電角度，因此總共需要掃描的點數為25*30 =750個。

⑥然后生成/導入sph文件，并進行計算。求解時間和時間步長，不用特殊設置，計算所需時間與掃描密度相關。六相流及轉子位置角度有限元計算結果如下所示。