永磁同步電機驅動系統的效率Map圖計算過程

效率Map圖計算是永磁同步電機設計仿真中常見和主要內容之一，通常在計算電機效率Map圖時是基于理想正弦電流波形，通過磁場有限元計算方法獲得，未考慮控制器逆變電路及實際控制算法的影響。由于永磁同步電機與電控的高度集成化趨勢，在電機性能設計仿真階段及時評估驅控系統的影響，并獲得更加精確的驅動系統效率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為例，通過Altair Flux和Altair PSIM軟件，說明如何進行永磁同步電機驅動系統的效率Map圖計算過程。

本文所有操作步驟均基于Altair 2022.3版本相關軟件進行。

1電機驅動系統效率Map圖計算流程概述

驅動系統的效率Map圖計算首先需要建立包含電機、逆變器、控制算法的電機驅動系統分析模型，實現驅動系統在指定電機負載轉速和輸出轉矩要求下的系統仿真，計算系統各部分主要損耗（包括電機損耗、逆變器損耗），并獲得該工況點下的效率。電機驅動系統分析模型可以通過Altair PSIM軟件方便快速建立。Altair于2022年3月收購美國PowerSim公司，原電力電子與電機驅動系統分析專用工具PSIM并入Altair仿真產品系列，與FluxMotor、Flux、Activate、Embed等工具一起構成Altair電機電控一體化設計仿真解決方案。

電機驅動系統效率Map計算模型如下圖所示，其中逆變器模型采用PSIM軟件中專業的電力電子開關器件建模，電機模型使用由FluxMotor或Flux輸出的電機有限元等效模型。

驅動系統效率Map圖計算實施步驟如下：

① 通過FluxMotor或Flux生成輸出用于PSIM系統分析的電機等效模型；

② 利用PSIM軟件的電機控制設計模板（Motor Control Design Suite）快速生成永磁同步電機驅動系統模型模板；

③ 更新/修改電機驅動系統分析模型中的相關元器件參數（包括逆變器模型、電機模型參數等），形成可用于效率計算的系統分析模型，并進行分析測試；

④ 載入PSIM軟件的驅動系統效率Map計算腳本（Script），更新相關工況參數設置，執行參數掃描分析，生成效率Map計算結果數據文件（*.oml）；

⑤ 使用Altair Compose工具運行結果文件，繪圖生成各效率Map圖。

2生成并輸出電機性能參數系統模型（*.mat）

計算電機驅動系統的效率，首先得建立包含電機性能的1D驅動系統分析模型。電機驅動系統中的電機通常采用下列幾種方式建模：1D電機數學模型（線性或非線性）；電機有限元降階模型；電機有限元聯合仿真模型。PSIM中提供多種永磁同步電機模型選項，供不同系統分析需求建模使用。

其中標準的PMSM模型不包含電機銅損、鐵損等物理量，因此本文效率計算中電機模型采用基于Flux/FluxMotor的有限元模型：PMSM（FluxMotor）、PMSM（Flux），即通過電機有限元軟件FluxMotor或Flux生成電機性能參數的等效模型——LUT模型（Look up table）?？紤]到計算時間問題，電機驅動系統效率Map圖計算中通常不使用有限元軟件聯合仿真模型，使用LUT模型足以模擬電機電感非線性以及空間諧波等特性。

PSIM中使用的PMSM（FluxMotor）與PMSM（Flux）兩種模型的輸入參數視圖及參數說明如下所示：

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

Rs (Stator)：定子繞組相電阻

Ls (Stator leakage)：定子繞組露感

Number of Poles P：極數

Moment of Inertia：轉動慣量

Shaft Time Constant：軸時間常數

FluxMotor和Flux兩者都是基于磁場有限元分析提取電機DQ平面Ld、Lq、轉矩、損耗相關參數，兩者生成的模型差別在于Flux中輸出的電機DQ平面參數考慮了轉子位置角參數的影響，即電機轉子的空間諧波效應，而FluxMotor中生成的電機DQ平面參數是基于某一轉子位置下的計算結果，未考慮轉子不同位置角度的影響。

2.1基于FluxMotor生成電機等效模型

首先打開FluxMotor，新建一款PMSM模型，本文直接以軟件中自帶的Nissan_Leaf電機模型為例說明相關操作。

點擊Motor Catalog，打開電機管理庫，選擇Nissan_Leaf電機，點擊EDIT按鈕，輸入新的電機名稱及保存庫目錄。

打開電機模型后，點擊EXPORT>LUT，設置相關Test參數，包含輸出的DQ參數象限（本例中選擇全部四象限輸出），最大線電流300A，電機最大轉速6000rpm，以及DQ電流和轉速計算點數量。選擇輸出模型格式為MAT-PSIM-Activate，設置保存目錄，點擊Export Model，生成電機性能參數查詢表模型，生成的lut_maps.mat文件將應用于PSIM電機控制系統模型中，MAT文件中結果數據可通過PSIM軟件打開查看。

2.2基于Flux生成電機等效模型

通過Flux也同樣能夠直接輸出用于電機控制系統分析的電機等效模型。首先在Flux軟件中打開電機模型，點擊Project > Macro > Load加載宏 Macros_4SystemAnalysis > LUT_2D_4SystemAnalysis.PFM。點擊宏按鈕運行該宏，設置相關參數計算電機DQ平面參數模型，該宏默認計算四象限DQ平面，可設置是否掃描轉子位置角度參數。

3建立電機驅動系統分析模型

在PSIM中建立電機驅動系統分析模型，既可以通過PSIM中的電機控制設計套件Motor Control Design Suite（MCDS）快速建立電機控制系統模型，也可以直接打開軟件自帶的電機驅動系統效率Map計算案例，基于該案例模板進行相關模型及參數更改，本文將直接基于軟件自帶的Nissan-IPM drive(FluxMotor)-torquecontrol示例進行。

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

電機控制系統模型及各部分模塊功能如下圖所示。

該模型為基于設計套件MCDS建立的模型，電機相關參數可直接在左側參數輸入列表中定義，模型中相關參數已自動定義成參數化，如FluxMotor電機模型中需要定義的各項參數，用戶在左側輸入相關參數后，點擊“Update Parameter File”按鈕，各參數數值將自動更新保存至模型中的Parameter File模塊中，PSIM執行分析時將從該Parameter File中獲取各參數值。

設計套件中需要輸入的電機參數可從FluxMotor中的DataSheet測試結果以及輸出的LUT中獲得：

FluxMotor生成的MAT數據文件可以通過PSIM中的Simview查看。點擊Simview按鈕啟動Simview軟件，點擊Open加載生成的Lut_maps.mat文件，在彈出的窗口中點擊“Add All”加載所有輸出的物理量，然后在繪圖窗口右鍵或點擊Edit菜單，選擇View Data Points即可查看MAT文件數據結果。

電機相關參數計算獲取如下所示：

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=“lut_maps.mat”

電機模型Ld和Lq參數查表通過2D Lookup Table設置，其中物理量LD_STAT，LQ_STAT表示使用FluxMotor輸出的DQ軸靜態電感參數。

? 電驅系統效率計算中除了電機輸出的銅損、鐵損外，還需要考慮逆變器的損耗，PSIM中使用IGBT或MOSFET的Thermal Loss模型可計算輸出逆變器在控制過程中的損耗曲線，包括導通損耗和開關損耗。IGBT器件的Thermal模型可通過Device Database Editor選擇或自定義器件性能特性曲線。

參數設置完成后，點擊Simulate > Run PSIM Simulation測試電機指定負載轉速和輸出扭矩要求下的系統響應，計算完成后，軟件自動打開Simview工具，可查看相關曲線結果，如下圖所示，查看電機在（180Nm，4000rpm）輸出指令下的控制過程曲線以及效率計算（包括電機效率、逆變器效率和驅動系統整體效率）。

計算測試2-3組不同的負載輸出工況要求，以確保電機控制器參數能夠適應所需計算工況，當出現輸出轉矩Tem無法穩定時，調整控制器交叉頻率參數fcr_i和fcr_Te。

4執行系統效率Map計算腳本

在完成單工作點計算測試基礎上，通過運行效率Map計算腳本可自動掃描執行多工作點工況計算，并生成相應的數據表格，用于系統效率Map圖繪制。

點擊Open按鈕打開效率Map計算腳本（*.script）,在腳本中修改相關參數并保存，具體需要修改參數說明如下：

1）修改腳本中項目文件名為當前PSIM模型實際文件名；

2）輸入效率Map計算要求的轉速和轉矩參數掃描點 arr_nm，arr_Te_cmd，其中arr_Te_cmd_limit為指定轉速對應的最大轉矩指令限制，即允許的T-N曲線邊界限制

在執行上述腳本之前，首先需要將系統模型Parameter files中的 nm_load和Te_cmd兩個參數手動添加“//”進行注釋。

然后點擊Script工具下的Run > Run Script，執行電驅系統效率Map圖計算過程，腳本將自動更新負載轉速及轉矩要求，進行參數化求解，并自動執行系統效率計算與結果提取，結果數據自動保存為oml文件（通過Altair Compose軟件打開），三個效率文件名稱可在腳本文件中編輯或修改。

腳本運行完成后，通過Altair Compose軟件打開并運行生成的效率計算數據結果oml文件，點擊Start運行按鈕即可繪制效率Map云圖，三種效率Map圖計算結果如下圖所示。

5結論

本文主要介紹了如何利用Altair PSIM軟件計算電機驅動系統效率Map圖的設置步驟與過程，其中包含如何從FluxMotor或Flux中輸出用于PSIM系統效率計算的電機等效模型參數，以及在PSIM中如何獲取并設置相關參數的過程。由此可見，利用Altair公司的整體工具即可完整的完成從電機本體效率Map計算到驅動系統效率Map計算以及結果數據繪圖等相關操作應用，整個過程操作簡單易實現，且無需借助于第三方公司的軟件即可完成，為電機與驅動系統用戶的分析與應用提供最大的便利與支持。