0引言
在传统的无刷直流电动机系统没计巾，电机本体和电机控制系统分别是独立设计的，这样就会造成在电机本体设计中不能预估其最后加上控制系统的电机性能，而在电机控制系统设计中又由于不能准确模拟电机本体的性能造成不能准确地仿真控制系统的效果。电机本体仿真软件的优势是磁场有限元计算，对电机磁场进行较为准确的仿真，对驱动系统不能进行复杂的模拟。控制系统仿真软件能有效地仿真控制系统和控制算法的性能，但其电机本体是一些理想简化的数学模型甚至只用一个函数表示，由于控制对象不准确，其仿真结果电不能正确地反映控制系统的性能。两者都不能独市地、较为准确地仿真整个电机系统的性能，凶此，有必要将两者的设计仿真过程结合起来，从而较为准确地评估最终整个电机系统的性能。
电机本体设计主要针对的是电机磁场计算，而电机控制系统设计主要是对电机的电路系统进行控制：磁场影响电机本体反电动势，从而影响其电路驱动系统．由此可以看出，电机本体与电机控制系统的结合点是电机的反电动势。传统的无刷直流电动机仿真模型通常将反电动势波形近似为理想的120。电角度梯形波，其反电动势系数也由公式计算求得。然而针对不同结构的无刷直流电动机，于齿槽效应、绕组形式和电机磁场的非线性等多种因素，真实的反电势波形和理想的120。电角度梯形波有一定差距，顶部宽度很难达到120。，其顶部存在一定的波动，并且其真实的反电动势系数也由公式计算有所偏差。特别是大功率无刷直流电动机，由于大功率无刷直流电动机一般采用分布绕组，由于采用分布绕组q≠1，导致相电势平顶宽度小于120。电角度，而且电阻一般都比较小，其反电动势的误差会造成对绕组电流的仿真造成较大误差，从而影响其转矩和其它性能的仿真结果。因此当用理想的反电动势波形进行仿真时，仿真结果会与实际有较大的偏差，尤其是电机的转矩脉动。为l『减少这种偏差，应用比较真实的反电动势波形的电机本体模型是需要的。本文以一台22 kw电机为例，利用有限元磁场仿真软件Magne【对设计电机模型进行磁场计算，得出比较接近于真实的反电动势波形，再将反电动势波形如何导人到simulink模型中。从仿真结果可以看出，使用有限元计算反电动势的simulink模型仿真结果与最终电机试验波形基本一致，而使用理想反电动势的simulink模型仿真结果与最终电机试验波形具有较大不同。负载越小，电流波形差距越大。
1反电动势有限元计算
本文采用有限元磁场计算软件Magnet进行电机的反电动势有限元计算，以下详述了其计算过程。
1．1电机几何结构模型建立
MagneL支持2D／3D模型文件导入／导出类型，包括AutocAD、SAT、cATIA、Pr0／E、IGEs、EP、Invent-or等，也可以直接在编辑界面绘出。本文采用AutocAD软件画出其设计电机轴线截面图，导入Magnet软件中拉伸即可得到设计电机的三维模型，如图1所示。在Au【0一cAD的平面模型绘制中，要注意模型的封闭性。
1.2材料属性
材料属性包括基于温度和频率的电、磁、热的线性或非线性属性。由于本文主要针对其电机的磁场进行计算，定义其材料的电磁参数即可。根据《微特电机设计手册》中的材料属性，定义了以下四种主要材料：
1.3设置线圈参数和电路连接，剖分网格参数
根据22 kw电机的绕组参数和电路形式，对模型中的绕组进行参数编辑。为了提高求解精度和速度，对不同的实体设定不同的网格大小。．网格越小，计算越精确，但其计算速度越慢。一般气隙设小一点。另外还可以设定直线、圆弧分段来控制网格数，或者设定曲率大小来控制网格数。
1．4设置运动部件和求解器
将模型中的转子部分设置为运动部件，其驱动形式可选择为负载驱动或速度驱动。负载驱动即给运动部件(转子)一定的负载，主要用于仿真电机运行时的特性：而速度驱动则让运动部件(转子)以给定的速度运动，主要用米仿真绕组的反电动势。
由于本次仿真主要是为了得到电机的反电动势波形．因此设置为速度驱动。给转子一个恒定的速度(在本例中设置为1 r／min)，即可计算出其反电动势波形。在求解器方面，可设置其求解步长和终止时间，为了得到较为准确的反电动势波形，其步长应该较小，其终止时问能保证转子旋转一圈即可。
2 Simulink仿真
在simulink仿真中，其反电动势是速度和转子位置的函数：传统的仿真采用平顶的梯形波代替。在本文中，首先将Magnet仿真的反电动势结果做成simulink中二维数据表(Mat)文件，一维为转子的电角度，另一维即相反电动势。由于无刷直流电动机三相绕组的反电动势是相位相差120。电角度的，每一相绕组反电动势以360。电角度为一个周期，因此，数据文件只要包括一相绕组的在360。电角度内的反电动势数据即可。在simul-r-k中采用查找表的方式，即根据转子不同的电角度位置，查出此位置对应的三相绕组反电动势，再乘以转速，就可得到比较接近于真实的反电动势大小，如图2所示。
simulink模型其它部分与传统的仿真模型相同，在此不再详述。
3仿真结果分析与对比
本文中Magnet仿真的一相反电动势，simulink仿真的一一相反电动势波形和传统的simulink仿真的反电动势波形对比如图3所示.
从图3可以看出，Magne【有限元磁场计算的相反电动势波顶明显小于120°。，且存在一定的波动。而本文的simulink模型的反电动势与有限元计算的一样。
仿真分别给定负载转矩0 2 N。m、O 4 N·m、O 8 N·m、l N·m。测试实际电机电流时也分别给定相同的负载，如图4所示。
本文simulink仿真负载从小到大的电流波形如图5所示。22 kw电机实际试验的负载从小到大的电流波形如图6所示。传统simulink仿真的负载从小到大的电流波形如图7所示
从图5、图6和图7的比较结果可以看出，采用本文的simulink仿真方法所得到的仿真结果与实际电机的运行情况较为符合，而传统的simulink仿真得到的仿真结果与实际电机的运行情况有较大误差，尤其是其负载较小时。
4非理想反电动势对电流波形的影响分析
由于大功率电机的电阻较小，反电动势的波动对电流的影响非常大。
(1)坡顶宽度对电流波形的影响当坡顶宽度大于120。电角度时，由于绕组只有在120。电角度内导通，坡顶宽度对电流波形没有影响。然而，由于极弧系数、充磁方式、绕组形式等因素的影响，在实际的大功率电机中，坡顶宽度一般都小于120。电角度。
当坡顶宽度小于120。电角度时，三相绕组的反电动势和逆变器直流端反电动势如图7所示。
忽略电感，根据公式：
式中：E为逆变器直流端反电动势。当E增大时，i减小；当E减小时，i增大。
因此，无电感的_4相仿真电流波形如图8所示。
实际电机中是有电感存在的。由于电感对电流的滞后作用，带电感A相仿真电流如图8所示，与本文的仿真结果和实际电机的工作电流相吻合。
(2)负载变化时电流波形变化的原因
由图5和图6可以看出．随着负载力矩从小到大，电流波形发生较大的变化。当力矩较小时，电流明显下陷。当力矩变大时，电流的下陷越来越小，直到消失。
根据无刷直流电动机的特性，电机的工作转矩是与电流成正比的。因此．随着负载转矩的增大，电机的平均电流也是增大的。当一相绕组由不导通变为导通时，电流会以一个接近指数函数的形式上升，具体形式为：
上升阶段直到接近于平均电流结束{4}。
在大功率无刷直流电动机中，由于机械特性较硬，在负载从小到大的过程中，速度变化小，反电动势变化电小，因此式(1)的参数都变化不大。电流上升阶段的时间主要由平均电流决定，由于负载大时的平均电流大于负载小时的平均电流，因此负载大时的上升时间要长于负载小时的上升时间，如图9所示。
当负载小时，电流上升阶段结束，反电动势依然在升高，因此电流会有下陷。而当负载大时，电流上升阶段结束时刻反电动势已经开始接近平稳，因此电流无明显改变。同时，由于负载小时，电流的平均幅值较小，电流的改变特别明显。而当负载大时，电流平均值较大，电流的改变已经不太明显。另外，电流的滞后性也对电流波形有所影响。上述原因综合造成了在非理想反电动势条件下，当负载从小到大变化时，电流的波形会发生较大的变化。
5结语
本文首先提出了以往无刷直流电机仿真方法中存在的不足，应结合磁场仿真软件和电路仿真软件才能较好地模拟无刷直流电动机系统的运行情况，分析出两种软件的结合点在于电机的反电动势；以磁场仿真软件Magnet和电路仿真软件simulink为例，提出并详细说明了一种基于有限元计算反电动势的simulink仿真方法；并通过一台22 kw的无刷直流电动机的仿真过程进行验证。仿真结果与实验结果的对比表明，传统的simulink仿真方法与电机实际运行情况有较大的差异，使用本文的simulink仿真方法能得到与实际情况较为符合的仿真结果，对电机本体性能分析、控制系统、算法的设计以及整个电机系统性能的评估具有一定的参考意义。
最后，通过对反电动势波形的分析，说明了造成电流波形在负载小的下陷波动以及实际电机在负载转矩大小变化时电流波形存在明显不同的原因.
