1、簡介

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor），簡稱PMSM，是指一種轉(zhuǎn)子用永久磁鐵代替繞線的同步馬達。

PMSM以永磁體提供勵磁，使電動機結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費用，省去了集電環(huán)和電刷，大大提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。

目前國產(chǎn)的電動車都是基本上使用永磁同步電機提供動力，使用SaberRD軟件可以完美實現(xiàn)電動汽車動力系統(tǒng)的仿真。本文從4個層次抽象了電動汽車動力系統(tǒng)。

仿真目標(biāo)包括全局效率、長時間驅(qū)動的熱分析、納秒級的逆變器開關(guān)特性及損耗仿真。通過仿真可以優(yōu)化電機和變頻器控制參數(shù)，驗證電能質(zhì)量(THD和損失),并模擬故障。

四層抽象級別主要包括：

本文中涉及的所有器件特性是基于已公布的數(shù)據(jù)（詳見表1）。

表1汽車動力系統(tǒng)參數(shù)

動力系統(tǒng)的設(shè)計核心是永磁同步電機模型，該模型參數(shù)包含空間諧波、磁飽和以及頻率相關(guān)損耗。（見下圖1）

圖1 電機參數(shù)

2、Level 1

圖2 汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真電路（Level 1）

層1抽象的電路仿真速度最快，用來仿真長時間運行的項目。在下圖3中， 60s的仿真時間內(nèi)可以完成實際運行時間為7小時（直到電池耗盡）的運行結(jié)果。電機和逆變器使用dq模型以達到最快的仿真速度。

dq模型（基于頻域的）參數(shù)獲取是通過使用平均技術(shù)分析電壓的高頻開關(guān)特性和電流的正弦性得到的基于相位和幅值的數(shù)據(jù)。這一層次的抽象，非常適用于仿真長期工作的熱分析。

影響汽車多次充放電后的續(xù)航距離的因素是是逆變器和電機的損耗，而這個損耗可以準(zhǔn)確地通過查找表獲取。這些表格信息可以從IGBT模型或電機的FEA測試結(jié)果中獲取。

電機和逆變器的損耗是頻率相關(guān)的（逆變器開關(guān)頻率和電機轉(zhuǎn)動頻率）。為了確保足夠的電熱耦合，逆變器損耗也和溫度相關(guān)。這里電機模型中沒有添加溫度相關(guān)參數(shù)。

可以將逆變器和電機產(chǎn)生的熱流連接到一個20℃的簡易熱網(wǎng)絡(luò)。圖3表示在周期持續(xù)驅(qū)動模式下實際速度，溫度和電池電壓波形。NEDC仿真最終能運行的距離為245km ，而廠商報告距離為200km。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是因為仿真模型中是100%理想的，沒有損耗。（EDC的全稱為：New European Driving Cycle，中文意思為“新歐洲駕駛循環(huán)周期”。我國使用的工信部續(xù)航里程標(biāo)準(zhǔn)就是歐洲標(biāo)準(zhǔn)。NEDC的續(xù)航里程測試主要模擬環(huán)境有市區(qū)和郊區(qū)，占比分別為4：1。因為實際路況環(huán)境影響因素較多，NEDC的測試基本為臺架試驗。）

通過設(shè)置瞬態(tài)仿真可以獲得電機和逆變器的瞬態(tài)效率，并且繪制波形。信號名稱plotting the signals instant_efficiency in vsi_dqx.vsi and jmag_pmsm_dqx pmsm:fea_pmsm_dqx.pmsm。逆變器的平均效率為79%，電機的效率為85%。

圖 3 仿真結(jié)果

3、Level 2

圖4 汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真電路（Level 2）

層2電路，該層將層1的基于直流的dq坐標(biāo)軸改為abc坐標(biāo)軸，使用了非開關(guān)3相逆變器，產(chǎn)生同步正弦電壓。Level 2電路仿真時間會變慢。因為周期性的正弦信號沒有被抽象掉。但是電壓是非連續(xù)的，要比脈寬是調(diào)制的Level 3電路快。Level 2電路是速度和精度之間的折衷，適合研究電機驅(qū)動電路。特別是可以觀察通過電機空間諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖5，汽車在平路上從0到60nph加速時間約為10s。設(shè)置load_veh_dyn symbol的地形屬性的值全部相等，能夠達到平路上運行的效果。

圖 5 汽車平坦地形上的仿真結(jié)果

由上圖可以看到，相電流的頻率與汽車的速度是成正比的，電流矢量的id值是負值，符合MTPA公式。

圖6表明，電機產(chǎn)生的反電動勢在5s時被電池電壓到極限，此后，電機處于弱磁控制模式，可以使速度進一步增加，但是理論值與實際值之間的誤差會增大。仿真結(jié)果同時表明，電機電流在達到設(shè)置的最大300A后被MTPA算法限幅。

圖6 弱磁控制模式

圖7和圖8表示的是在斜坡段的汽車動力仿真。在下坡段，汽車加速度超過了所設(shè)置的值，電機產(chǎn)生反向扭矩，暫時表現(xiàn)為發(fā)電機。在該點，能量通過動力學(xué)，磁，電和化學(xué)反應(yīng)等將能量回流到電池中，當(dāng)扭矩過零點時可以看到反向電流的變化。

圖7 斜坡地形上速度響應(yīng)

圖8 斜坡地形上扭矩和電流相應(yīng)

為了證明這點，改變load_veh_dyn symbol地形屬性profile: [(0, 0), (1, 0), (10, -5)]，再次進行仿真，觀察波形。

值得指出的是為了獲取dc工作點的參數(shù)，汽車的初始位置必須是無坡的。電機啟動時是沒有速度的，同時也不需要力矩。因為作用在汽車上力的平衡只能在沒有重力時去計算，所以如果要修改坡度參數(shù)，請確保x=0時是平坦的。

4、Level 3

該層電路使用了pwm逆變器模型，仿真速度會更慢，控制算法使用mast語言實現(xiàn)。

圖9 汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真電路（Level 3）

Level 3抽象了 PWM逆變操作，使用了理想的開關(guān)模型和二極管模型，仿真速度比Level 2慢。但是比使用實際的半導(dǎo)體模型的Level 4要快一個數(shù)量級。

PMSM模板使用了MAST語言模板，使用采樣信號替換了Level 2的連續(xù)信號。不同于Level 2輸出使用占空比循環(huán)，這種方法促使逆變器開關(guān)逐漸消去，使得他更加接近于一個真正的MCU，盡管如此，Level 3大部分操作還是和Level 2的一樣，包括派克變換和派克逆變換、MTPA、弱磁控制、PI集成和占空比計算。

控制系統(tǒng)不是通過異步中斷觸發(fā)開關(guān)裝置，而是在每個開關(guān)周期的開始時控制12個開關(guān)裝置（對于6個開關(guān)管，每個管子一次開一次關(guān)）。開關(guān)序列然后順序排在仿真事件隊列。在通信方案中，當(dāng)系統(tǒng)在仿真外部FPGA、虛擬器等時，控制固定和相對長的時間間隔（200us）可以顯著提高系統(tǒng)仿真性能，它允許開關(guān)事件可以暫時停止，但是沒有大的損失。

如果不是用于協(xié)同仿真，系統(tǒng)的采樣頻率可以設(shè)置的高于開關(guān)頻率，提高采樣率可以使用kalman等濾波器對數(shù)據(jù)進行降噪，開關(guān)頻率和采樣頻率開關(guān)切換時間主要是基于占空比，占空比是通過基于直流母線電壓的電壓合成的比例。

計算占空比時也包括用戶指定的死區(qū)時間。死區(qū)時間是為了避免同時導(dǎo)通時，逆變器短路而定義的兩個互補的IGBT同時導(dǎo)通關(guān)閉和開啟之間一個很小的區(qū)間。死區(qū)時間一般為1到5us之間。

圖10 矯正和未校正死區(qū)失真

圖10所示的是，如果沒有死區(qū)時間補償，當(dāng)一相電流過零（每個同步周期發(fā)生六次）時，死區(qū)時間引起的電流波形變化異常明顯。波形異常會導(dǎo)致增加THD水平和電機鐵芯損耗。在高頻PWM時，由于死區(qū)時間是固定的（取決于IGBT內(nèi)部開關(guān)速度），切換周期中死區(qū)所占的占空比會增大，其效果會惡化。在低速同步開下，死區(qū)時間的影響也比較明顯。

死區(qū)時間的失真可以在電流的極性切換時刻進行校正調(diào)整。當(dāng)IGBT的 同一條管腳都關(guān)閉時，相關(guān)的感應(yīng)電流或者流經(jīng)上續(xù)流二極管，或者流過下續(xù)流二極管。因為管腳的電流極性已經(jīng)提前知道，所以可以提前知道相電壓是去零電壓還是母線電壓，有助于提前增加或減少占空比。

需要注意的是，控制開關(guān)當(dāng)同一管腳的開關(guān)同時動作時的死區(qū)時間，這只會發(fā)生在當(dāng)電流等于零附近。高于和低于一定的安全裕度（FOC參數(shù)i_margin），一對開關(guān)中只有一個開關(guān)是對主動控制的。

5、Level 4

Level 4抽象模板是原理圖底層電路，有著詳細的逆變器電路。但是仿真速度最慢。這層的仿真速度是上層仿真速度的1/20。逆變器特性是根據(jù)Infineon IGBT datasheet用IGBT工具搭建的。

Level 4的FOC控制是使用C語言來實現(xiàn)的，但是實現(xiàn)功能與Level 3的mast語言是一樣的。

Level 4，逆變器使用實際元器件搭建，F(xiàn)OC算法使用C編譯器，c文件名稱為pmsm.c，它與Level 3的實現(xiàn)原理完全一樣。

5.1 Foc模塊

從foc模型描述可以看到架構(gòu)與Level 3的一樣，只是算法調(diào)用了foc_pmsm.c文件。

5.2 逆變器

圖11 逆變器及其參數(shù)設(shè)置

圖12 逆變器模型宏電路

圖13 IGBT控制器模型宏電路

6、總結(jié)

本文介紹了在電機設(shè)計的不同階段中根據(jù)仿真精度和仿真速度的權(quán)衡，涉及了4種建模方法，它們的特點見下表：

• dp模型提供最高仿真速度，可以有效地進行循環(huán)仿真。該模型可以評估整體效率，評估負載平衡，評估電機管理策略，分析長時間工作熱仿真。
• averaged PWM model適用于電機控制（FOC或DTC）優(yōu)化，分析驅(qū)動動態(tài)范圍，包括轉(zhuǎn)矩脈沖和由電機缺陷引入的振動。
• deal switch models適用于評估PWM方案（如正弦或空間矢量）和故障保護策略（熔斷器，冗余逆變器等）
• Detailed semiconductor models適用于評估逆變器的應(yīng)力分析inverter stresses（最大dI/dt and dV/dt, 電壓和電流尖峰current spikes）；適用于設(shè)計開關(guān)速度和死區(qū)時間最優(yōu)的門驅(qū)動電路；這一層的模型產(chǎn)生供上層模塊調(diào)用的器件損耗表。