效率Map圖計(jì)算是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)仿真中常見(jiàn)和主要內(nèi)容之一，通常在計(jì)算電機(jī)效率Map圖時(shí)是基于理想正弦電流波形，通過(guò)磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法獲得，未考慮控制器逆變電路及實(shí)際控制算法的影響。由于永磁同步電機(jī)與電控的高度集成化趨勢(shì)，在電機(jī)性能設(shè)計(jì)仿真階段及時(shí)評(píng)估驅(qū)控系統(tǒng)的影響，并獲得更加精確的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖的需求正逐漸成為主流。因此，本文將以某一永磁同步電機(jī)為例，通過(guò)Altair Flux和Altair PSIM軟件，說(shuō)明如何進(jìn)行永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率Map圖計(jì)算過(guò)程。

本文所有操作步驟均基于Altair 2022.3版本相關(guān)軟件進(jìn)行。

1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖計(jì)算流程概述

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率Map圖計(jì)算首先需要建立包含電機(jī)、逆變器、控制算法的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在指定電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩要求下的系統(tǒng)仿真，計(jì)算系統(tǒng)各部分主要損耗（包括電機(jī)損耗、逆變器損耗），并獲得該工況點(diǎn)下的效率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型可以通過(guò)Altair PSIM軟件方便快速建立。Altair于2022年3月收購(gòu)美國(guó)PowerSim公司，原電力電子與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析專用工具PSIM并入Altair仿真產(chǎn)品系列，與FluxMotor、Flux、Activate、Embed等工具一起構(gòu)成Altair電機(jī)電控一體化設(shè)計(jì)仿真解決方案。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map計(jì)算模型如下圖所示，其中逆變器模型采用PSIM軟件中專業(yè)的電力電子開(kāi)關(guān)器件建模，電機(jī)模型使用由FluxMotor或Flux輸出的電機(jī)有限元等效模型。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖計(jì)算實(shí)施步驟如下：

① 通過(guò)FluxMotor或Flux生成輸出用于PSIM系統(tǒng)分析的電機(jī)等效模型；

② 利用PSIM軟件的電機(jī)控制設(shè)計(jì)模板（Motor Control Design Suite）快速生成永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型模板；

③ 更新/修改電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型中的相關(guān)元器件參數(shù)（包括逆變器模型、電機(jī)模型參數(shù)等），形成可用于效率計(jì)算的系統(tǒng)分析模型，并進(jìn)行分析測(cè)試；

④ 載入PSIM軟件的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map計(jì)算腳本（Script），更新相關(guān)工況參數(shù)設(shè)置，執(zhí)行參數(shù)掃描分析，生成效率Map計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文件（*.oml）；

⑤ 使用Altair Compose工具運(yùn)行結(jié)果文件，繪圖生成各效率Map圖。

2生成并輸出電機(jī)性能參數(shù)系統(tǒng)模型（*.mat）

計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，首先得建立包含電機(jī)性能的1D驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)通常采用下列幾種方式建模：1D電機(jī)數(shù)學(xué)模型（線性或非線性）；電機(jī)有限元降階模型；電機(jī)有限元聯(lián)合仿真模型。PSIM中提供多種永磁同步電機(jī)模型選項(xiàng)，供不同系統(tǒng)分析需求建模使用。

其中標(biāo)準(zhǔn)的PMSM模型不包含電機(jī)銅損、鐵損等物理量，因此本文效率計(jì)算中電機(jī)模型采用基于Flux/FluxMotor的有限元模型：PMSM（FluxMotor）、PMSM（Flux），即通過(guò)電機(jī)有限元軟件FluxMotor或Flux生成電機(jī)性能參數(shù)的等效模型——LUT模型（Look up table）。考慮到計(jì)算時(shí)間問(wèn)題，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖計(jì)算中通常不使用有限元軟件聯(lián)合仿真模型，使用LUT模型足以模擬電機(jī)電感非線性以及空間諧波等特性。

PSIM中使用的PMSM（FluxMotor）與PMSM（Flux）兩種模型的輸入?yún)?shù)視圖及參數(shù)說(shuō)明如下所示：

Motor Data File (.mat) ：從FluxMotor或Flux生成的包含電機(jī)相關(guān)性能參數(shù)的文件

Rs (Stator)：定子繞組相電阻

Ls (Stator leakage)：定子繞組露感

Number of Poles P：極數(shù)

Moment of Inertia：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Shaft Time Constant：軸時(shí)間常數(shù)

FluxMotor和Flux兩者都是基于磁場(chǎng)有限元分析提取電機(jī)DQ平面Ld、Lq、轉(zhuǎn)矩、損耗相關(guān)參數(shù)，兩者生成的模型差別在于Flux中輸出的電機(jī)DQ平面參數(shù)考慮了轉(zhuǎn)子位置角參數(shù)的影響，即電機(jī)轉(zhuǎn)子的空間諧波效應(yīng)，而FluxMotor中生成的電機(jī)DQ平面參數(shù)是基于某一轉(zhuǎn)子位置下的計(jì)算結(jié)果，未考慮轉(zhuǎn)子不同位置角度的影響。

2.1基于FluxMotor生成電機(jī)等效模型

首先打開(kāi)FluxMotor，新建一款PMSM模型，本文直接以軟件中自帶的Nissan_Leaf電機(jī)模型為例說(shuō)明相關(guān)操作。

點(diǎn)擊Motor Catalog，打開(kāi)電機(jī)管理庫(kù)，選擇Nissan_Leaf電機(jī)，點(diǎn)擊EDIT按鈕，輸入新的電機(jī)名稱及保存庫(kù)目錄。

打開(kāi)電機(jī)模型后，點(diǎn)擊EXPORT>LUT，設(shè)置相關(guān)Test參數(shù)，包含輸出的DQ參數(shù)象限（本例中選擇全部四象限輸出），最大線電流300A，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速6000rpm，以及DQ電流和轉(zhuǎn)速計(jì)算點(diǎn)數(shù)量。選擇輸出模型格式為MAT-PSIM-Activate，設(shè)置保存目錄，點(diǎn)擊Export Model，生成電機(jī)性能參數(shù)查詢表模型，生成的lut_maps.mat文件將應(yīng)用于PSIM電機(jī)控制系統(tǒng)模型中，MAT文件中結(jié)果數(shù)據(jù)可通過(guò)PSIM軟件打開(kāi)查看。

2.2基于Flux生成電機(jī)等效模型

通過(guò)Flux也同樣能夠直接輸出用于電機(jī)控制系統(tǒng)分析的電機(jī)等效模型。首先在Flux軟件中打開(kāi)電機(jī)模型，點(diǎn)擊Project > Macro > Load加載宏 Macros_4SystemAnalysis > LUT_2D_4SystemAnalysis.PFM。點(diǎn)擊宏按鈕運(yùn)行該宏，設(shè)置相關(guān)參數(shù)計(jì)算電機(jī)DQ平面參數(shù)模型，該宏默認(rèn)計(jì)算四象限D(zhuǎn)Q平面，可設(shè)置是否掃描轉(zhuǎn)子位置角度參數(shù)。

3建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型

在PSIM中建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析模型，既可以通過(guò)PSIM中的電機(jī)控制設(shè)計(jì)套件Motor Control Design Suite（MCDS）快速建立電機(jī)控制系統(tǒng)模型，也可以直接打開(kāi)軟件自帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map計(jì)算案例，基于該案例模板進(jìn)行相關(guān)模型及參數(shù)更改，本文將直接基于軟件自帶的Nissan-IPM drive(FluxMotor)-torquecontrol示例進(jìn)行。

首先將該示例原始項(xiàng)目文件（C:AltairAltair PSIM 2022.3CaseStudiesEfficiency Maps - PMSM FluxMotor & Flux5 PMSM Models - FluxMotorNissan_FluxMotor）復(fù)制另存為新的本地項(xiàng)目文件，然后打開(kāi)運(yùn)行“Nissan-IPM drive(FluxMotor)-torque control.psimsch”。

電機(jī)控制系統(tǒng)模型及各部分模塊功能如下圖所示。

該模型為基于設(shè)計(jì)套件MCDS建立的模型，電機(jī)相關(guān)參數(shù)可直接在左側(cè)參數(shù)輸入列表中定義，模型中相關(guān)參數(shù)已自動(dòng)定義成參數(shù)化，如FluxMotor電機(jī)模型中需要定義的各項(xiàng)參數(shù)，用戶在左側(cè)輸入相關(guān)參數(shù)后，點(diǎn)擊“Update Parameter File”按鈕，各參數(shù)數(shù)值將自動(dòng)更新保存至模型中的Parameter File模塊中，PSIM執(zhí)行分析時(shí)將從該P(yáng)arameter File中獲取各參數(shù)值。

設(shè)計(jì)套件中需要輸入的電機(jī)參數(shù)可從FluxMotor中的DataSheet測(cè)試結(jié)果以及輸出的LUT中獲得：

FluxMotor生成的MAT數(shù)據(jù)文件可以通過(guò)PSIM中的Simview查看。點(diǎn)擊Simview按鈕啟動(dòng)Simview軟件，點(diǎn)擊Open加載生成的Lut_maps.mat文件，在彈出的窗口中點(diǎn)擊“Add All”加載所有輸出的物理量，然后在繪圖窗口右鍵或點(diǎn)擊Edit菜單，選擇View Data Points即可查看MAT文件數(shù)據(jù)結(jié)果。

電機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算獲取如下所示：

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=“l(fā)ut_maps.mat”

電機(jī)模型Ld和Lq參數(shù)查表通過(guò)2D Lookup Table設(shè)置，其中物理量LD_STAT，LQ_STAT表示使用FluxMotor輸出的DQ軸靜態(tài)電感參數(shù)。

? 電驅(qū)系統(tǒng)效率計(jì)算中除了電機(jī)輸出的銅損、鐵損外，還需要考慮逆變器的損耗，PSIM中使用IGBT或MOSFET的Thermal Loss模型可計(jì)算輸出逆變器在控制過(guò)程中的損耗曲線，包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。IGBT器件的Thermal模型可通過(guò)Device Database Editor選擇或自定義器件性能特性曲線。

參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊Simulate > Run PSIM Simulation測(cè)試電機(jī)指定負(fù)載轉(zhuǎn)速和輸出扭矩要求下的系統(tǒng)響應(yīng)，計(jì)算完成后，軟件自動(dòng)打開(kāi)Simview工具，可查看相關(guān)曲線結(jié)果，如下圖所示，查看電機(jī)在（180Nm，4000rpm）輸出指令下的控制過(guò)程曲線以及效率計(jì)算（包括電機(jī)效率、逆變器效率和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體效率）。

計(jì)算測(cè)試2-3組不同的負(fù)載輸出工況要求，以確保電機(jī)控制器參數(shù)能夠適應(yīng)所需計(jì)算工況，當(dāng)出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩Tem無(wú)法穩(wěn)定時(shí)，調(diào)整控制器交叉頻率參數(shù)fcr_i和fcr_Te。

4執(zhí)行系統(tǒng)效率Map計(jì)算腳本

在完成單工作點(diǎn)計(jì)算測(cè)試基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)行效率Map計(jì)算腳本可自動(dòng)掃描執(zhí)行多工作點(diǎn)工況計(jì)算，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，用于系統(tǒng)效率Map圖繪制。

點(diǎn)擊Open按鈕打開(kāi)效率Map計(jì)算腳本（*.script）,在腳本中修改相關(guān)參數(shù)并保存，具體需要修改參數(shù)說(shuō)明如下：

1）修改腳本中項(xiàng)目文件名為當(dāng)前PSIM模型實(shí)際文件名；

2）輸入效率Map計(jì)算要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù)掃描點(diǎn) arr_nm，arr_Te_cmd，其中arr_Te_cmd_limit為指定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩指令限制，即允許的T-N曲線邊界限制

在執(zhí)行上述腳本之前，首先需要將系統(tǒng)模型Parameter files中的 nm_load和Te_cmd兩個(gè)參數(shù)手動(dòng)添加“//”進(jìn)行注釋。

然后點(diǎn)擊Script工具下的Run > Run Script，執(zhí)行電驅(qū)系統(tǒng)效率Map圖計(jì)算過(guò)程，腳本將自動(dòng)更新負(fù)載轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩要求，進(jìn)行參數(shù)化求解，并自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)效率計(jì)算與結(jié)果提取，結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)保存為oml文件（通過(guò)Altair Compose軟件打開(kāi)），三個(gè)效率文件名稱可在腳本文件中編輯或修改。

腳本運(yùn)行完成后，通過(guò)Altair Compose軟件打開(kāi)并運(yùn)行生成的效率計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果oml文件，點(diǎn)擊Start運(yùn)行按鈕即可繪制效率Map云圖，三種效率Map圖計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

5結(jié)論

本文主要介紹了如何利用Altair PSIM軟件計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖的設(shè)置步驟與過(guò)程，其中包含如何從FluxMotor或Flux中輸出用于PSIM系統(tǒng)效率計(jì)算的電機(jī)等效模型參數(shù)，以及在PSIM中如何獲取并設(shè)置相關(guān)參數(shù)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，利用Altair公司的整體工具即可完整的完成從電機(jī)本體效率Map計(jì)算到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map計(jì)算以及結(jié)果數(shù)據(jù)繪圖等相關(guān)操作應(yīng)用，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，且無(wú)需借助于第三方公司的軟件即可完成，為電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用戶的分析與應(yīng)用提供最大的便利與支持。