多电机仿真篇丨六相永磁同步电机实时仿真应用

在交流电气传动领域，三相电机及其调速系统应用广泛。对于调速传动功率需求的日益增大，常通过提高电压、增大电流实现。但受限于功率开关器件的耐压耐流值，需采用多电平技术或开关器件串并联技术来实现大功率三相变频调速。

另外一种解决思路是增加电机的相数，降低对逆变器每相容量的要求。由于电力电子变频器的广泛应用，电机驱动完全可以不受三相供电系统限制，采用多相（相数多于三相）逆变器供电同样可以实现大功率交流传动。

随着近些年新能源汽车行业的火爆，电动汽车的安全可靠性尤为重要。这就需要电动汽车的驱动系统具有一定的容错能力。而多相电机恰好有着高冗余和容错性，更适合被应用在电动汽车领域。

本期我们主要为大家带来六相永磁同步电机系统的实时仿真应用分享。对双电机或三电机实时仿真测试感兴趣的工程师们，可以查看前面几期内容，这里就不赘述了。

与三相电机传动系统相比，多相电机系统具有以下突出的优势：

▍可用低功率等级器件实现低压大功率调速，特别适合于电力舰船推进系统、电力机车牵引系统等供电电压本身受限的大功率应用场合。

▍转矩脉动频率增加且幅值减小，电机运行效率得到提高。

▍容错能力强，可靠性高。由于多相电机相数的冗余，即使部分相出现故障，也能降功率运行，无需重启或停机。

▍控制资源多，灵活度高，具有更多的控制自由度，可实现更高的控制性能。如提高电机铁心的利用率和电机的功率密度等。

目前对于多相电机的研究主要针对感应电机和永磁同步电机展开。相较于感应电机，永磁同步电机主要有以下优点：

▍电机体积较小，重量较轻，能量密度高

▍具有较小的转动惯量，快速响应能力好

▍永磁同步电动机的励磁磁通大小不变且与电枢电流有着固定的相位关系，控制简单

▍永磁同步电机具有较硬的机械特性，对负载扰动有着较强的鲁棒性

多相永磁同步电机结合了多相电机和永磁同步电机的优点，在电动汽车领域，舰船全电力推进等领域具有良好的应用前景。其中，双Y相移30°的六相永磁同步发电机是很典型的一种多相永磁同步电机的类型。

其内部其实是同一台永磁同步电机中采用两套完全一样的三相对称绕组，三相绕组ABC和三相绕组XYZ，每套三相绕组在空间错开30°排列。绕组中分别通以时间上相隔30°电角度的电流。

双三相永磁同步电机是一个高阶、非线性、强耦合的系统，这给系统的分析和设计带来了很大的困难。

为了得到一个简化的，易于仿真和分析的模型，必须要进行坐标变换并作如下假设：气隙磁动势和磁链作正弦分布，忽略磁饱和和铁心损耗，忽略绕组之间的互漏感。

考虑到电机由两套三相对称绕组组成，可将其看成是两个三相子系统的组合，对每一个子系统分别采用传统的三相电机坐标变换，可以构造出一个六相变换阵，由两个相差30°电角度的Clarke-Park变换阵组成，即

式中：

将该变换阵代入原始方程中，去除零序分量，可以得到新的用每一个绕组的d-q分量所表示的电压和磁链方程，即：

电磁转矩：

式中：Ld=1.5Laad+Laal，Lq=1.5Laaq+Laal，Ldd=1.5Laad，Lqq=1.5Laaq

P表示极对数，为永磁体磁场在每一相绕组中产生的磁链幅值；Rs表示定子电阻；Laad和Laaq分别表示绕组的d轴和q轴主自感；Laal表示自漏感。

多相电机的驱动电路主要包括：多相桥驱动电路，多相多电平驱动电路，多相H桥驱动电路以及多逆变器驱动电路等这几大类。

多相桥驱动与多相多电平驱动均基于传统三相桥驱动方式扩展，通过增加桥臂相数来为多相电机供电。这两种方式结构简洁、控制便捷，并可直接借鉴三相变频器的成熟技术。

多相H桥驱动结构相对复杂、器件与电机出线较多，但可实现各相独立控制，电气隔离。其高可靠性与强冗余性使得某相故障时，其他相仍能正常工作，多用于模块化设计电机、电力机车牵引系统等高可靠性场合。

多逆变器驱动多用于相数为m=a*k多相电机。对于采用k个a相子绕组连接的多相电机，有k个相互隔离的中点，此类电机可以采用k个a相桥臂逆变器供电，实现k个绕组之间电气隔离。常见的DTP（双三相电机dual-three phase）电机，由于两个三相绕组之间电气相互隔离，多采用两台普通三相桥逆变器供电方式。

多相电机的基本控制原理与三相电机相类似，但控制维度更高。近年来，多种控制算法相继涌现，主要可以分为矢量控制（Vector Control, VC）、直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC ）、模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）三大类。其中，矢量控制最为常用。

传统三相电机矢量控制通过正交坐标变换，将自然坐标系下的物理量映射到同步旋转坐标系，实现定子相电流的励磁分量和转矩分量独立控制，达成矢量控制目标。

多相系统与三相系统矢量控制的不同在于：坐标变换矩阵维数增加，逆变器控制的维度增加。

六相永磁同步电机控制中，可采用双d-q矢量控制。每个d-q分量模型对应一套三相绕组，电机总的磁场及输出转矩为两套三相绕组之和。双d-q矢量控制中的电流控制器可以按照矢量空间解耦模型中d-q子空间的参数来设计而不需要进行复杂的解耦运算就可以得到和传统三相电机一样的控制性能。

Simulink中没有现成的六相PMSM模型，因此EasyGo Machine模块库中提供了一个通用开源的六相PMSM模型：

EasyGo 6-phase PMSM 模块提供了开源的demo模型，采用的就是双d-q分量定参数电机模型。

仿真拓扑如下图所示，电机的参数为Rs= 1. 4 Ω；Laad=Laaq=5 mH；Laal= 3.3 mH；Ψfd = 0. 38 Wb；转动惯量J = 0. 015 kg·m2；负载转矩20 N·m；极对数为3。

电机转速控制到600RPM，电机电流波形图如下：

我们将基于NetBox仿真器来进行整个六相电机与双三相逆变器的功率电路的实时仿真，仿真步长为1us；用CBox作为控制器，控制速率设为10khz，来完成闭环仿真测试。

利用EasyGo 6-Phase PMSM模块，DeskSim可以把模型直接部署到FPGA进行快速仿真。

实时模型中的电机参数与离线模型中的参数一致，将离线模型的功率电路部分和控制部分进行拆分，分别建立Cbox的“CPU+FPGA”程序和NetBox的“FPGA Alone”程序。

将功率电路部分模型转换到“FPGA Alone”程序中，设置相应的仿真步长，模型参数，配置UI和Scope的通道信号。

同理，将控制部分模型转换到“CPU+FPGA”程序中，也进行相应设置。

最终得到我们的实时模型，如下：

基于CBox的CPU+FPGA硬件架构，我们可以在CBox的CPU中部署控制算法和设置UI控制信号和Scope观测通道。

由于CPU中无法进行高速脉冲的生成，所以要对脉冲调制过程进行拆分。在CPU中仅进行脉冲的占空比信号生成，将12路占空比信号传输给CBox的FPGA板卡中，通过PWM模块进行脉冲的生成，通过实物线缆传输给NetBox。

同时，在CBox的FPGA板卡中也会通过AI和编码器通道采集NetBox的电机运行中的数据，并输出给CPU中以满足控制算法的需求。

基于NetBox的FPGA硬件架构，用户可以任意搭建电子电子模型或电机功率电路模型，模型可以部署到FPGA里面进行不超过1.5us的步长进行实时运行，无需进行FPGA编译。

这样，我们利用NetBox+CBox就完成了六相永磁同步电机系统的demo实时仿真程序。

实时模型搭建完成后载入EasyGo Desksim软件，软件会自动分析模型信息。在交互界面，用户可自定义搭建交互模块，将实时仿真设备与上位机在同一个局域网中连接，通过EasyGo Desksim将载入的程序部署到相应的设备中并开始运行实时仿真。

六相电机转速设置为60RPM，负载设置为5N·m时的仿真结果如下：

通过仿真的结果可知，CBox+NetBox的仿真系统对六相永磁同步电机的实时仿真与离线仿真结果基本一致，且调节转速和转矩的设定值，系统也能实时跟随变化，将电机转速稳定在设定值。

六相永磁同步电机系统的实时仿真测试应用就分享到这里，EasyGo Desksim可通过在线调参功能对系统的功率电路部分进行实时调控，这里就不过多赘述。

欢迎感兴趣的工程师们一起沟通交流，若对双电机或三电机实时仿真测试感兴趣，可以查看前面几期内容，也可以直接点击下图了解详情。