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调速永磁同步电动机优化设计

与矢量控制系统联合仿真

[王杨]

[中国科学院沈阳计算技术研究所，110168]

[

摘

要

]

调速永磁同步电动机 ASSM 是现代交流伺服控制系统的主要动力源，其中尤以表贴式永磁体的 ASSM

使用的最为普遍，这种电机可以通过优化永磁体形状得到较为理想的气隙磁密波形，从而使反电势尽量正

弦化，这样一方面最大限度的削弱了电机的齿槽转矩，同时也降低了电机反电势谐波对驱动系统的影响，

提高了整个控制系统的控制精度。对于 ASSM，传统的电机设计方法大多是将电机的控制系统部分进行理

想化假设，然后只对电机本体进行电磁设计，这样虽然比较便捷，但是无法考察电机本体在整个控制系统

中的性能表现，现在通过 Maxwall/Rmxprt、Simplorer 以及 Matlab/Simulink 的联合仿真，可以将电机本

体的有限元或磁路模型、开关功率电源模型、以及控制算法整合成一个大的计算机仿真模型，通过联合仿

真，一方面可以更准确的检验电机设计方案的性能表现，另一方面，也可以实现控制算法的优化，以及控

制算法与电机设计方案之间的配合。

本文针对以上问题，以一台 130 口径 ASSM 为例，对电机的永磁体形状和槽口宽进行了参数化扫描

分析 sweep ansys，并以齿槽转矩为目标函数进行了最优化 optimization 求解；在 Maxwall 3D 瞬态场下

对永磁电机控制影响较大的电感参数 Ld、Lq 进行了计算；利用 Maxwall/Rmxprt、Simplorer 以及

Matlab/Simulink 对采用 id=0 控制策略时的 SVPWM 矢量控制系统进行了联合仿真。

[

关键词

] 永磁同步电动机，优化设计，齿槽转矩，矢量控制，联合仿真

Design Optimization of ASSM and

Co-simulation of SVPWM Control System

[Wang Yang]

[Shenyang Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences,110168]

[ Abstract ]

ASSM speed permanent magnet synchronous motor is the main source of power in modern

AC servo control system, which is the most common surface mount ASSM especially the use

of permanent magnets, which can be more satisfactory motor flux density by optimizing the

shape of the permanent magnet waveform, so as sinusoidal back EMF, so on the one hand to

maximize the weakened cogging torque of the motor, but also reduces the motor back EMF

harmonics of the drive system to improve the control accuracy of the control system. For

ASSM, traditional methods are mostly motor design is part of the motor control system were

idealized assumptions, and then only to the motor body electromagnetic design, this is a

relatively easy, but you can not examine the performance of the motor body in the whole

control system, now By Maxwall / co-simulation Rmxprt, Simplorer and Matlab / Simulink, and

can be integrated finite element model of the motor body or magnetic circuit, switching power

supply models and control algorithms into a large computer simulation model, through

co-simulation, one can more accurate test performance motor design programs, on the other

hand, can also be achieved control optimization algorithms, and control with algorithms and

motor design programs.

Aiming at these problems, with a 130 caliber ASSM example, permanent magnet motor notch

shape and width of the scan parameters were, and cogging torque as the objective function

is optimized for solving; in Maxwall 2D and 3D Under the permanent magnet motor control

parameters affect larger inductor Ld, Lq calculated; by Maxwall / Rmxprt, Simplorer and

Matlab / Simulink for the entire control system was co-simulation.

[ Keyword ] PMSM, optimized design, Cogging torque, SVPWM, co-simulation

1 前言

调速永磁同步电动机 ASSM 是现代交流伺服控制系统的主要动力源，其中尤以表贴式

永磁体的 ASSM 使用的最为普遍，这种电机可以通过优化永磁体形状得到较为理想的气隙

磁密波形，从而使反电势尽量正弦化，这样一方面最大限度的削弱了电机的齿槽转矩，同

时也降低了电机反电势谐波对驱动系统的影响，提高了整个控制系统的控制精度。

对于 ASSM，传统的电机设计方法大多是将电机的控制系统部分进行理想化假设，然

后只对电机本体进行电磁设计，这样虽然比较便捷，但是无法考察电机本体在整个控制系

统中的性能表现，现在通过 Maxwall/Rmxprt、Simplorer 以及 Matlab/Simulink 的联合仿真，

可以将电机本体的有限元或磁路模型、开关功率电源模型、以及控制算法整合成一个大的

计算机仿真模型，通过联合仿真，一方面可以更准确的检验电机设计方案的性能表现，另

一方面，也可以实现控制算法的优化，以及控制算法与电机设计方案之间的配合。

本文针对以上问题，以一台 130 口径 ASSM 为例，利用 RMxprt 软件中的 sweep ansys

工具对电机的永磁体形状和槽口宽进行了参数化扫描，在此基础之上利用 optimization 工

具，以齿槽转矩为目标函数进行了最优化求解；在 Maxwall 3D 瞬态场下对永磁电机控制影

响较大的电感参数 Ld、Lq 进行了计算；利用 Maxwall/Rmxprt、Simplorer 以及 Matlab/Simulink

对使用 id=0 控制策略时的 SVPWM 矢量控制系统进行了联合仿真。

2 基于 Maxwall/Rmxprt 的调速永磁同步电动机优化设计

本节以一台 130 口径的调速永磁同步电机设计方案为例，利用 Maxwall/Rmxprt 对电机

的定子槽口 Bs0、永磁体极弧系数 Embrace、永磁体偏心距 Offset 三个参数进行了参数化扫

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2018-12-10

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