永磁同步电机驱动系统的效率Map图计算过程

 

效率Map图计算是永磁同步电机设计仿真中常见和主要内容之一，通常在计算电机效率Map图时是基于理想正弦电流波形，通过磁场有限元计算方法获得，未考虑控制器逆变电路及实际控制算法的影响。由于永磁同步电机与电控的高度集成化趋势，在电机性能设计仿真阶段及时评估驱控系统的影响，并获得更加精确的驱动系统效率Map图的需求正逐渐成为主流。因此，本文将以某一永磁同步电机为例，通过Altair Flux和Altair PSIM软件，说明如何进行永磁同步电机驱动系统的效率Map图计算过程。

本文所有操作步骤均基于Altair 2022.3版本相关软件进行。

1 电机驱动系统效率Map图计算流程概述

驱动系统的效率Map图计算首先需要建立包含电机、逆变器、控制算法的电机驱动系统分析模型，实现驱动系统在指定电机负载转速和输出转矩要求下的系统仿真，计算系统各部分主要损耗（包括电机损耗、逆变器损耗），并获得该工况点下的效率。电机驱动系统分析模型可以通过Altair PSIM软件方便快速建立。Altair于2022年3月收购美国PowerSim公司，原电力电子与电机驱动系统分析专用工具PSIM并入Altair仿真产品系列，与FluxMotor、Flux、Activate、Embed等工具一起构成Altair电机电控一体化设计仿真解决方案。

电机驱动系统效率Map计算模型如下图所示，其中逆变器模型采用PSIM软件中专业的电力电子开关器件建模，电机模型使用由FluxMotor或Flux输出的电机有限元等效模型。

驱动系统效率Map图计算实施步骤如下：

① 通过FluxMotor或Flux生成输出用于PSIM系统分析的电机等效模型；

② 利用PSIM软件的电机控制设计模板（Motor Control Design Suite）快速生成永磁同步电机驱动系统模型模板；

③ 更新/修改电机驱动系统分析模型中的相关元器件参数（包括逆变器模型、电机模型参数等），形成可用于效率计算的系统分析模型，并进行分析测试；

④ 载入PSIM软件的驱动系统效率Map计算脚本（Script），更新相关工况参数设置，执行参数扫描分析，生成效率Map计算结果数据文件（*.oml）；

⑤ 使用Altair Compose工具运行结果文件，绘图生成各效率Map图。

2 生成并输出电机性能参数系统模型（*.mat）

计算电机驱动系统的效率，首先得建立包含电机性能的1D驱动系统分析模型。电机驱动系统中的电机通常采用下列几种方式建模：1D电机数学模型（线性或非线性）；电机有限元降阶模型；电机有限元联合仿真模型。PSIM中提供多种永磁同步电机模型选项，供不同系统分析需求建模使用。

其中标准的PMSM模型不包含电机铜损、铁损等物理量，因此本文效率计算中电机模型采用基于Flux/FluxMotor的有限元模型：PMSM（FluxMotor）、PMSM（Flux），即通过电机有限元软件FluxMotor或Flux生成电机性能参数的等效模型——LUT模型（Look up table）。考虑到计算时间问题，电机驱动系统效率Map图计算中通常不使用有限元软件联合仿真模型，使用LUT模型足以模拟电机电感非线性以及空间谐波等特性。

PSIM中使用的PMSM（FluxMotor）与PMSM（Flux）两种模型的输入参数视图及参数说明如下所示：

Motor Data File (.mat) ：从FluxMotor或Flux生成的包含电机相关性能参数的文件

Rs (Stator)：定子绕组相电阻

Ls (Stator leakage)：定子绕组露感

Number of Poles P：极数

Moment of Inertia：转动惯量

Shaft Time Constant：轴时间常数

FluxMotor和Flux两者都是基于磁场有限元分析提取电机DQ平面Ld、Lq、转矩、损耗相关参数，两者生成的模型差别在于Flux中输出的电机DQ平面参数考虑了转子位置角参数的影响，即电机转子的空间谐波效应，而FluxMotor中生成的电机DQ平面参数是基于某一转子位置下的计算结果，未考虑转子不同位置角度的影响。

2.1 基于FluxMotor生成电机等效模型

首先打开FluxMotor，新建一款PMSM模型，本文直接以软件中自带的Nissan_Leaf电机模型为例说明相关操作。

点击Motor Catalog，打开电机管理库，选择Nissan_Leaf电机，点击EDIT按钮，输入新的电机名称及保存库目录。

打开电机模型后，点击EXPORT>LUT，设置相关Test参数，包含输出的DQ参数象限（本例中选择全部四象限输出），最大线电流300A，电机最大转速6000rpm，以及DQ电流和转速计算点数量。选择输出模型格式为MAT-PSIM-Activate，设置保存目录，点击Export Model，生成电机性能参数查询表模型，生成的lut_maps.mat文件将应用于PSIM电机控制系统模型中，MAT文件中结果数据可通过PSIM软件打开查看。

2.2 基于Flux生成电机等效模型

通过Flux也同样能够直接输出用于电机控制系统分析的电机等效模型。首先在Flux软件中打开电机模型，点击Project > Macro > Load加载宏 Macros_4SystemAnalysis > LUT_2D_4SystemAnalysis.PFM。点击宏按钮运行该宏，设置相关参数计算电机DQ平面参数模型，该宏默认计算四象限DQ平面，可设置是否扫描转子位置角度参数。

3 建立电机驱动系统分析模型

在PSIM中建立电机驱动系统分析模型，既可以通过PSIM中的电机控制设计套件Motor Control Design Suite（MCDS）快速建立电机控制系统模型，也可以直接打开软件自带的电机驱动系统效率Map计算案例，基于该案例模板进行相关模型及参数更改，本文将直接基于软件自带的Nissan-IPM drive(FluxMotor)-torquecontrol示例进行。

首先将该示例原始项目文件（C:AltairAltair PSIM 2022.3CaseStudiesEfficiency Maps - PMSM FluxMotor & Flux5 PMSM Models -  FluxMotorNissan_FluxMotor）复制另存为新的本地项目文件，然后打开运行“Nissan-IPM drive(FluxMotor)-torque control.psimsch”。

电机控制系统模型及各部分模块功能如下图所示。

该模型为基于设计套件MCDS建立的模型，电机相关参数可直接在左侧参数输入列表中定义，模型中相关参数已自动定义成参数化，如FluxMotor电机模型中需要定义的各项参数，用户在左侧输入相关参数后，点击“Update Parameter File”按钮，各参数数值将自动更新保存至模型中的Parameter File模块中，PSIM执行分析时将从该Parameter File中获取各参数值。

设计套件中需要输入的电机参数可从FluxMotor中的DataSheet测试结果以及输出的LUT中获得：

FluxMotor生成的MAT数据文件可以通过PSIM中的Simview查看。点击Simview按钮启动Simview软件，点击Open加载生成的Lut_maps.mat文件，在弹出的窗口中点击“Add All”加载所有输出的物理量，然后在绘图窗口右键或点击Edit菜单，选择View Data Points即可查看MAT文件数据结果。

电机相关参数计算获取如下所示：

Is_max=300*sqrt(2)=424Apk

Vdc=265.15*sqr(2)=362V

Ld=676.6uH

Lq=781.2uH

P=2*num_pole_pairs=2*4=8

Ke=Phi_M*sqrt(3)*6.28*1000*num_pole_pairs/60=54.78Vpk/krpm

Rs=R_phase=0.0155Ω

J=J_inertia=0.0299kg/m2

file_mat=“lut_maps.mat”

电机模型Ld和Lq参数查表通过2D Lookup Table设置，其中物理量LD_STAT，LQ_STAT表示使用FluxMotor输出的DQ轴静态电感参数。

  电驱系统效率计算中除了电机输出的铜损、铁损外，还需要考虑逆变器的损耗，PSIM中使用IGBT或MOSFET的Thermal Loss模型可计算输出逆变器在控制过程中的损耗曲线，包括导通损耗和开关损耗。IGBT器件的Thermal模型可通过Device Database Editor选择或自定义器件性能特性曲线。

参数设置完成后，点击Simulate > Run PSIM Simulation测试电机指定负载转速和输出扭矩要求下的系统响应，计算完成后，软件自动打开Simview工具，可查看相关曲线结果，如下图所示，查看电机在（180Nm，4000rpm）输出指令下的控制过程曲线以及效率计算（包括电机效率、逆变器效率和驱动系统整体效率）。

计算测试2-3组不同的负载输出工况要求，以确保电机控制器参数能够适应所需计算工况，当出现输出转矩Tem无法稳定时，调整控制器交叉频率参数fcr_i和fcr_Te。

4 执行系统效率Map计算脚本

在完成单工作点计算测试基础上，通过运行效率Map计算脚本可自动扫描执行多工作点工况计算，并生成相应的数据表格，用于系统效率Map图绘制。

点击Open按钮打开效率Map计算脚本（*.script）,在脚本中修改相关参数并保存，具体需要修改参数说明如下：

1）修改脚本中项目文件名为当前PSIM模型实际文件名；

2）输入效率Map计算要求的转速和转矩参数扫描点 arr_nm，arr_Te_cmd，其中arr_Te_cmd_limit为指定转速对应的最大转矩指令限制，即允许的T-N曲线边界限制

在执行上述脚本之前，首先需要将系统模型Parameter files中的 nm_load和Te_cmd两个参数手动添加“//”进行注释。

然后点击Script工具下的Run > Run Script，执行电驱系统效率Map图计算过程，脚本将自动更新负载转速及转矩要求，进行参数化求解，并自动执行系统效率计算与结果提取，结果数据自动保存为oml文件（通过Altair Compose软件打开），三个效率文件名称可在脚本文件中编辑或修改。

脚本运行完成后，通过Altair Compose软件打开并运行生成的效率计算数据结果oml文件，点击Start运行按钮即可绘制效率Map云图，三种效率Map图计算结果如下图所示。

5 结论

本文主要介绍了如何利用Altair PSIM软件计算电机驱动系统效率Map图的设置步骤与过程，其中包含如何从FluxMotor或Flux中输出用于PSIM系统效率计算的电机等效模型参数，以及在PSIM中如何获取并设置相关参数的过程。由此可见，利用Altair公司的整体工具即可完整的完成从电机本体效率Map计算到驱动系统效率Map计算以及结果数据绘图等相关操作应用，整个过程操作简单易实现，且无需借助于第三方公司的软件即可完成，为电机与驱动系统用户的分析与应用提供最大的便利与支持。

　　审核编辑：汤梓红