0引言
在傳統(tǒng)的無刷直流電動機系統(tǒng)沒計巾，電機本體和電機控制系統(tǒng)分別是獨立設計的，這樣就會造成在電機本體設計中不能預估其最后加上控制系統(tǒng)的電機性能，而在電機控制系統(tǒng)設計中又由于不能準確模擬電機本體的性能造成不能準確地仿真控制系統(tǒng)的效果。電機本體仿真軟件的優(yōu)勢是磁場有限元計算，對電機磁場進行較為準確的仿真，對驅動系統(tǒng)不能進行復雜的模擬�？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，但其電機本體是一些理想簡化的數(shù)學模型甚至只用一個函數(shù)表示，由于控制對象不準確，其仿真結果電不能正確地反映控制系統(tǒng)的性能。兩者都不能獨市地、較為準確地仿真整個電機系統(tǒng)的性能，兇此，有必要將兩者的設計仿真過程結合起來，從而較為準確地評估最終整個電機系統(tǒng)的性能。
電機本體設計主要針對的是電機磁場計算，而電機控制系統(tǒng)設計主要是對電機的電路系統(tǒng)進行控制：磁場影響電機本體反電動勢，從而影響其電路驅動系統(tǒng)．由此可以看出，電機本體與電機控制系統(tǒng)的結合點是電機的反電動勢。傳統(tǒng)的無刷直流電動機仿真模型通常將反電動勢波形近似為理想的120。電角度梯形波，其反電動勢系數(shù)也由公式計算求得。然而針對不同結構的無刷直流電動機，于齒槽效應、繞組形式和電機磁場的非線性等多種因素，真實的反電勢波形和理想的120。電角度梯形波有一定差距，頂部寬度很難達到120。，其頂部存在一定的波動，并且其真實的反電動勢系數(shù)也由公式計算有所偏差。特別是大功率無刷直流電動機，由于大功率無刷直流電動機一般采用分布繞組，由于采用分布繞組q≠1，導致相電勢平頂寬度小于120。電角度，而且電阻一般都比較小，其反電動勢的誤差會造成對繞組電流的仿真造成較大誤差，從而影響其轉矩和其它性能的仿真結果。因此當用理想的反電動勢波形進行仿真時，仿真結果會與實際有較大的偏差，尤其是電機的轉矩脈動。為l『減少這種偏差，應用比較真實的反電動勢波形的電機本體模型是需要的。本文以一臺22 kw電機為例，利用有限元磁場仿真軟件Magne【對設計電機模型進行磁場計算，得出比較接近于真實的反電動勢波形，再將反電動勢波形如何導人到simulink模型中。從仿真結果可以看出，使用有限元計算反電動勢的simulink模型仿真結果與最終電機試驗波形基本一致，而使用理想反電動勢的simulink模型仿真結果與最終電機試驗波形具有較大不同。負載越小，電流波形差距越大。
1反電動勢有限元計算
本文采用有限元磁場計算軟件Magnet進行電機的反電動勢有限元計算，以下詳述了其計算過程。
1．1電機幾何結構模型建立
MagneL支持2D／3D模型文件導入／導出類型，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軟件畫出其設計電機軸線截面圖，導入Magnet軟件中拉伸即可得到設計電機的三維模型，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。由于本文主要針對其電機的磁場進行計算，定義其材料的電磁參數(shù)即可。根據(jù)《微特電機設計手冊》中的材料屬性，定義了以下四種主要材料：
1.3設置線圈參數(shù)和電路連接，剖分網(wǎng)格參數(shù)
根據(jù)22 kw電機的繞組參數(shù)和電路形式，對模型中的繞組進行參數(shù)編輯。為了提高求解精度和速度，對不同的實體設定不同的網(wǎng)格大小。．網(wǎng)格越小，計算越精確，但其計算速度越慢。一般氣隙設小一點。另外還可以設定直線、圓弧分段來控制網(wǎng)格數(shù)，或者設定曲率大小來控制網(wǎng)格數(shù)。
1．4設置運動部件和求解器
將模型中的轉子部分設置為運動部件，其驅動形式可選擇為負載驅動或速度驅動。負載驅動即給運動部件(轉子)一定的負載，主要用于仿真電機運行時的特性：而速度驅動則讓運動部件(轉子)以給定的速度運動，主要用米仿真繞組的反電動勢。
由于本次仿真主要是為了得到電機的反電動勢波形．因此設置為速度驅動。給轉子一個恒定的速度(在本例中設置為1 r／min)，即可計算出其反電動勢波形。在求解器方面，可設置其求解步長和終止時間，為了得到較為準確的反電動勢波形，其步長應該較小，其終止時問能保證轉子旋轉一圈即可。
2 Simulink仿真
在simulink仿真中，其反電動勢是速度和轉子位置的函數(shù)：傳統(tǒng)的仿真采用平頂?shù)奶菪尾ù�。在本文中，首先將Magnet仿真的反電動勢結果做成simulink中二維數(shù)據(jù)表(Mat)文件，一維為轉子的電角度，另一維即相反電動勢。由于無刷直流電動機三相繞組的反電動勢是相位相差120。電角度的，每一相繞組反電動勢以360。電角度為一個周期，因此，數(shù)據(jù)文件只要包括一相繞組的在360。電角度內(nèi)的反電動勢數(shù)據(jù)即可。在simul-r-k中采用查找表的方式，即根據(jù)轉子不同的電角度位置，查出此位置對應的三相繞組反電動勢，再乘以轉速，就可得到比較接近于真實的反電動勢大小，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仿真結果分析與對比
本文中Magnet仿真的一相反電動勢，simulink仿真的一一相反電動勢波形和傳統(tǒng)的simulink仿真的反電動勢波形對比如圖3所示.
從圖3可以看出，Magne【有限元磁場計算的相反電動勢波頂明顯小于120°。，且存在一定的波動。而本文的simulink模型的反電動勢與有限元計算的一樣。
仿真分別給定負載轉矩0 2 N。m、O 4 N·m、O 8 N·m、l N·m。測試實際電機電流時也分別給定相同的負載，如圖4所示。
本文simulink仿真負載從小到大的電流波形如圖5所示。22 kw電機實際試驗的負載從小到大的電流波形如圖6所示。傳統(tǒng)simulink仿真的負載從小到大的電流波形如圖7所示
從圖5、圖6和圖7的比較結果可以看出，采用本文的simulink仿真方法所得到的仿真結果與實際電機的運行情況較為符合，而傳統(tǒng)的simulink仿真得到的仿真結果與實際電機的運行情況有較大誤差，尤其是其負載較小時。
4非理想反電動勢對電流波形的影響分析
由于大功率電機的電阻較小，反電動勢的波動對電流的影響非常大。
(1)坡頂寬度對電流波形的影響當坡頂寬度大于120。電角度時，由于繞組只有在120。電角度內(nèi)導通，坡頂寬度對電流波形沒有影響。然而，由于極弧系數(shù)、充磁方式、繞組形式等因素的影響，在實際的大功率電機中，坡頂寬度一般都小于120。電角度。
當坡頂寬度小于120。電角度時，三相繞組的反電動勢和逆變器直流端反電動勢如圖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勢。當E增大時，i減��；當E減小時，i增大。
因此，無電感的_4相仿真電流波形如圖8所示。
實際電機中是有電感存在的。由于電感對電流的滯后作用，帶電感A相仿真電流如圖8所示，與本文的仿真結果和實際電機的工作電流相吻合。
(2)負載變化時電流波形變化的原因
由圖5和圖6可以看出．隨著負載力矩從小到大，電流波形發(fā)生較大的變化。當力矩較小時，電流明顯下陷。當力矩變大時，電流的下陷越來越小，直到消失。
根據(jù)無刷直流電動機的特性，電機的工作轉矩是與電流成正比的。因此．隨著負載轉矩的增大，電機的平均電流也是增大的。當一相繞組由不導通變?yōu)閷〞r，電流會以一個接近指數(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束{4}。
在大功率無刷直流電動機中，由于機械特性較硬，在負載從小到大的過程中，速度變化小，反電動勢變化電小，因此式(1)的參數(shù)都變化不大。電流上升階段的時間主要由平均電流決定，由于負載大時的平均電流大于負載小時的平均電流，因此負載大時的上升時間要長于負載小時的上升時間，如圖9所示。
當負載小時，電流上升階段結束，反電動勢依然在升高，因此電流會有下陷。而當負載大時，電流上升階段結束時刻反電動勢已經(jīng)開始接近平穩(wěn)，因此電流無明顯改變。同時，由于負載小時，電流的平均幅值較小，電流的改變特別明顯。而當負載大時，電流平均值較大，電流的改變已經(jīng)不太明顯。另外，電流的滯后性也對電流波形有所影響。上述原因綜合造成了在非理想反電動勢條件下，當負載從小到大變化時，電流的波形會發(fā)生較大的變化。
5結語
本文首先提出了以往無刷直流電機仿真方法中存在的不足，應結合磁場仿真軟件和電路仿真軟件才能較好地模擬無刷直流電動機系統(tǒng)的運行情況，分析出兩種軟件的結合點在于電機的反電動勢；以磁場仿真軟件Magnet和電路仿真軟件simulink為例，提出并詳細說明了一種基于有限元計算反電動勢的simulink仿真方法；并通過一臺22 kw的無刷直流電動機的仿真過程進行驗證。仿真結果與實驗結果的對比表明，傳統(tǒng)的simulink仿真方法與電機實際運行情況有較大的差異，使用本文的simulink仿真方法能得到與實際情況較為符合的仿真結果，對電機本體性能分析、控制系統(tǒng)、算法的設計以及整個電機系統(tǒng)性能的評估具有一定的參考意義。
最后，通過對反電動勢波形的分析，說明了造成電流波形在負載小的下陷波動以及實際電機在負載轉矩大小變化時電流波形存在明顯不同的原因.
