基于ANSYS的电机本体、电机控制器及其EMC设计流程
写在文章开始
由ANSYS 电磁场仿真解决方案 / 低频技术工程师团队倾力打造的流程与应用分析系列文章，ANSYS在 - 西莫电机论坛，于近日在《西莫电机技术》2019年第3期期刊“ANSYS技术专栏”中重磅发布！内容主题涉及多目标优化、TDM时间分解法以及电机NVH仿真等等，内容丰富且极具操作指导意义，期许该系列文章能与广大低频电磁场仿真用户展开深度交流，祝西莫也期待西莫能为观众带去更多精彩优秀的内容，更好地服务电机行业从业人员。
1. 前言
据权威统计，在工业化国家中，有60%～70%的电力资源应用在各类型的电机及其控制系统中，如工业和生产领域、电气化交通运输领域、商业和住宅领域。在发展越来越迅猛的电动汽车行业，电机和控制器作为其核心部件，也得到了广泛的应用和发展。电机本体和控制器的结合应用越来越紧密。
一个性能优异的电机及其控制器系统，需要有以下三方面的保证：
性能优异的电机是电机及其控制系统的基础。比如：采用新型原材料和先进的磁路设计方法设计出高功率密度的电机，电机占用的几何空间就越小，电机的有效材料的利用率就越高；电机的效率越高，则可减小电机本体的发热，提高电机的寿命，提高整个电机机电系统的效率；齿槽转矩越小的电机，将减少电机控制算法设计的难度，同时减小最终整个机电系统的NVH；合适的槽型设计和绕组设计，可以减小电机绕组的漏感，从而为后期减小电机及其控制系统的电磁兼容EMC问题奠定良好的基础。
在电机型号确定后，性能优异的电机控制器将最大限度地发挥电机的效能。比如：相对SPWM，采用SVPWM调制方法可以减小逆变器的开关损耗、提高母线电压利用率；采用单位电流最大转矩控制方法（MTPA），将在不增加逆变器容量的情况下，使电机输出最大的转矩；采用时变PI参数控制方法，既可以提高电机的响应速度，又可以保证系统的稳定性。
满足电磁兼容EMC要求。在电机控制器一般都会采用几kHz甚至几十kHz的PWM开关信号来控制半导体器件IGBT等，在其工作过程中产生很高的dv/dt、di/dt，波形大多为接近矩形的周期波形，其中包含大量的高频信号分量；而控制器的各线路之间、线路与接地系统之间，存在大量的寄生RLGC，高频分量会沿着这些寄生参数流动，造成很大的传导和辐射电磁兼容问题，一方面可能使控制器不能满足各种电磁兼容标准，另一方面可能会影响控制器的基本运行性能。所以如何让电机及其控制系统满足电磁兼容EMC要求，对工程师提出了很高的要求。
ANSYS是全球领先的CAE软件供应商，为用户提供多个仿真软件，覆盖电机本体设计、电机控制器设计和EMC设计全流程，为设计出性能优异的电机及其控制系统提供了强有力的保证。
如图1设计流程，首先基于ANSYS电机专家设计工具RMxprt快速设计电机原型，并通过简单方便的“一键有限元功能”把电机模型输入到有限元分析软件ANSYS Maxwell中，并结合ANSYS的参数化和优化设计模块，帮助用于设计性能优异的电机本体；再通过瞬态协同仿真或等效电路的方法，把高精度的电机本体模型无缝链接到ANSYS系统仿真软件Simplorer/Twin Builder中，在后者中用IGBT等半导体器件搭建电机控制器逆变电路模型，为电机模型添加机械负载，并采用方框图或方程式搭建电机的控制算法，对电机控制器基本性能进行分析；随后通过ANSYS寄生参数提取工具Q3D Extractor提取控制器系统隐藏的各种寄生RLGC参数，并无缝连接到Simplorer/Twin Builder中，分析电机控制器的传导EMC性能，还可以结合ANSYS的SIwave和HFSS工具，仿真分析电机控制器从PCB电路板到机柜机箱的辐射EMC问题。
图1 基于ANSYS的电机本体、电机控制器及其EMC设计流程
2. ANSYS电机本体设计仿真流程
ANSYS提供业界领先的电机本体设计仿真流程，如图2所示。首先基于电机的几何尺寸、原材料特性和绕组设计等基本物理特性，在RMxprt中基于各种电机模块快速设计电机原型，并输入到有限元二维仿真模块Maxwell2D或三维仿真模块Maxwell3D中仿真。如果用户设计的是新型电机，也可以直接采用各种机械建模软件MCAD建立电机的几何模型，直接输入到Maxwell2D\Maxwell3D中，设置电机各部分的原材料和电机里后，进行仿真分析。ANSYS还基于Maxwell，采用脚本编制出用户定义输出模块UDO和电机分析工具包Toolkit，使用户能够方便地获得电机的交直轴电感Ld、Lq，交直轴电流Id、Iq等参数；同时为用户提供一个电机虚拟实验平台，可以结合电机控制器的电压、电流容量，采取的控制算法等，方便地得到电机运行的T-N曲线、效率Map图等系统设计参数。
图2 ANSYS电机本体设计仿真流程
RMxprt是集成20多种常用电机模板的电机专家设计软件，无缝集成参数化、优化设计功能，并能自动生成Maxwell一键有限元分析模型和Simplorer系统仿真分析模型，它基于电机的几何尺寸、原材料特性和绕组设计等基本物理特性，快速设计电机模型，其使用方法如下：
选择电机模板类型
输入电机定子数据
输入电机槽型数据
输入电机绕组数据
输入转子数据
输入求解数据
RMxprt求解结果
图3 ANSYS RMxprt电机设计流程
经过RMxprt对电机方案进行快速优选后，可以通过“一键有限元”功能，把电机模型无缝生成到Maxwell中的有限元求解模型，继续进行精确的仿真分析和优化。Maxwell是业界领先的二维/三维电磁场有限元分析软件，可对任意结构的电机等电磁设备的各种真实的二维/三维电磁性能进行分析，包括各种正常和故障工况下的电磁性能分析，并可提取等效电路模型给电力电子系统仿真软件用于系统仿真，或通过瞬态有限元链接实现场路协同仿真。
采用Maxwell，可以对电机的各种几何尺寸、原材料进行优化仿真分析，在不增加成本的前提下，提高电机的电磁性能。如下图4中所示，以永磁同步电机的永磁体的偏心距、永磁体宽度和厚度作为优化变量，以永磁电机输出电磁转矩波动作为优化目标，经过Maxwell自动优化算法后，可以看出优化后的电机在物料成本上基本不变，输出平均电磁转矩变化也不大，但是电磁转矩的波动减小特别明显，提高了电机本身的性能，也为后期电机控制算法的设计提供极大的方便，同时减小最终整个机电系统的NVH。
图4 利用Maxwell优化永磁同步电机的电磁转矩波动
ANSYS还基于Maxwell，采用脚本编制出用户定义输出模块UDO和电机分析工具包Toolkit，帮助用户方便获得电机的内部参数，同时为用户提供一个电机虚拟实验平台。UDO和Toolkit直接嵌入Maxwell中，用户使用非常方便。
图5 UDO直接输出永磁同步电机交轴电感Lq随交轴电流Iq变化趋势图
如图6中，采用实际的电机实验台架测试永磁同步电机的效率Map图，需要数个实验人员配合，有的实验人员负责多次添加不同的机械负载，有的实验人员负责记录电机的输入电压电流数据以计算输入功率，有的实验人员负责记录电机输出机械功率，各种实验状态的切换和数据记录都要花费大量时间，还需要在实验完成后对数据进行处理才能得到如图6右侧的电机效率Map图。
图6 采用实际的电机实验台架测试永磁同步电机效率Map图
与图6对应，用户可以利用Maxwell的Toolkit工具包，搭建如图7的虚拟实验台，在该虚拟实验平台中，用户只需指定电机的控制方式（本例为MPTA）、电机所用逆变器的最大电流限制和电压限制，以及实验扫描点数等简单设置，在Maxwell中自动计算，就可以得到如图7右侧的电机效率Map图。
图7 采用Maxwell的Toolkit工具包获得永磁同步电机效率Map图
因为Maxwell本身的计算保证了电机仿真的准确性，所以如图7虚拟实验平台获得的电机效率Map图和图6实际电机实验台架获得的效率Map图误差是非常小的。
3. ANSYS电机控制器设计仿真方法
性能优异的电机，尤其是电动机，需要性能优异的电机控制器与之匹配，才能最大限度地发挥出电机的性能。电机控制器的设计包含两大部分：控制器硬件系统设计和控制器算法设计。
在硬件设计中，逆变器的半导体器件如IGBT或MosFet的选型、匹配和各种极限实验是关键。半导体器件是极为敏感的元件，瞬间的超过其最大工作范围的电压和电流都会使其发生不可逆的损坏。而电机控制器在工作期间，尤其是在方案还不成熟的开发阶段，由于各种原因出现瞬态大电压、高电流的概率很高，控制器半导体器件的损坏和更换，将严重影响控制器的开发进度。
ANSYS系统仿真软件Simplorer/Twin Builder本身包含丰富的器件库，用户可以利用器件库里高精度的半导体器件模型搭建虚拟的逆变器模型。对于一些新型的半导体器件，可利用Simplorer/Twin Builder中的半导体器件特征化建模工具，根据供货商提供的IGBT或MosFet的datasheet，实现特征化精确建模（包含各种特征参数和特性曲线），并可一键生成半导体器件的半桥测试电路和系统仿真模型，高效解决IGBT或Mosfet开关特性测试和系统性能分析问题；并可用于搭建精确的电机逆变器虚拟模型，仿真电机控制器在各种正常或故障状态下半导体器件所受的电压和电流应力，为设计半导体器件的保护方案，优化逆变器的设计提供重要的参考。
图8 某款IGBT特征化建模过程及其开通关断过程的电压电流测试与仿真波形对比
如图8中，根据某款IGBT的数据手册，在Simplorer/Twin Builder中提取其数据，并自动生成IGBT模型，并把IGBT开通和关断过程中Vce和Ic的仿真和测试波形作了对比（图8右下侧的对比波形中，偏光滑的是仿真波形，略有毛刺的是实际测试波形），可以看出两者的匹配度是非常好的，仿真波形真实地体现了IGBT在开通和关断过程中的电压、电流过冲，电流的拖尾效应等，用该IGBT搭建电机逆变器地仿真模型，则可以最大限度地体现逆变器在工作过程中正常或故障电流对IGBT的影响。
控制算法设计，也是电机控制器的关键，性能优异的电机控制算法将最大限度地发挥电机的效能。电机控制算法和实际的电机模型密切相关，所以在仿真设计电机控制算法时，电机模型的精度越高，则仿真的参考价值越高。在图9中，采用瞬态协同仿真方式，把高精度的电机有限元模型无缝链接到Simplorer/Twin Builder中，在后者中搭建控制算法模块，将实现控制算法和电机的最好匹配。
图9 Maxwell电机模型与Simplorer/TwinBuilder瞬态协同仿真
采用瞬态协同仿真方法时，Simplorer/Twin Builder的控制算法和Maxwell的有限元电机模型同时运行，可以获得一些电机单独仿真时难以获得的参数。比如，很多用户在Maxwell中仿真电机时往往采用正弦波电流驱动，而实际的电机控制器中，是采用几kHz甚至几十kHz的PWM波形来驱动电机。在评估电机的某些参数如电机损耗时，标准正弦波驱动和PWM驱动的差别是很大的。如图10中，采用标准正弦波驱动时，电机损耗是2.3kW；采用PWM驱动时，电机损耗是3.9kW，两者的区别是很大的。如果仿真的目的是精确评估电机在带逆变器工况下的损耗，则需要采用Maxwell和Simplorer/Twin Builder瞬态协同仿真方法，精确体现逆变器工作参数对实际电机的影响。
图10 PWM驱动电机和标准正弦波驱动电机的损耗对比
采用瞬态协同仿真方法，虽然电机模型精度高，使用方法简单方便，只需要菜单操作即可，但是由于控制器的开关频率一般都有几kHz甚至几十kHz，仿真步长是us级别的，每个仿真步长都要把Simplorer/Twin Builder搭建的控制算法和有限元电机模型运行一遍，所以需要的仿真总时间较长，所以只推荐在电机运行工况不复杂、要精确评估电机带逆变器工作时的损耗等特殊参数时，采用该方法。
对于一些复杂的电机模型，并且运行工况很复杂的控制器系统，需要仿真较长的系统运行时间。则可以经过简单的设置，通过在有限元软件Maxwell中扫描电机实际运行时所有可能的电流值和转子位置，得到对应的绕组磁通值和输出电磁转矩值，并生成电机的等效电路ECE模型，把该模型输入到Simplorer/Twin Builder中，在后者中搭建控制算法进行仿真。该方法的电机模型来自于精确的有限元计算数据，所以精度很高；在与Simplorer/Twin Builder联合仿真时只直接调用这些数据，所以仿真速度很快，同时保证了仿真精度和仿真速度，因此该方法可以仿真复杂控制算法与复杂电机模型的匹配。
图11 Maxwell提取电机ECE等效模型到Simplorer/TwinBuilder进行高级控制仿真
由于电机ECE模型与Simplorer/Twin Builder联合仿真精度高、速度快，因此可以进行一些复杂控制算法的仿真分析，比如MTPA（单位电流最大转矩）控制等。如图11，采用高精度电机ECE模型，搭建定子电流扫描电路，把电机定子电流从-300A到300A，功角从0deg~90deg扫描，得到对应的电机最大输出转矩时的Id和Iq分配数据，为MTPA提供电流指令基础。
图12 扫描电机定子电流得到MPTA控制策略时的Id和Iq的分配
有了图12获得的Id和Iq分配数据作为电流指令，便可以搭建如图13的包含MTPA的永磁同步电机矢量控制系统。
图13 包含MTPA的永磁同步电机矢量控制算法
图14对包含MTPA的电机矢量控制算法和普通矢量控制算法结果进行了对比，蓝色曲线为包含MPTA的电机转速和定子电流幅值，红色曲线为普通算法的电机转速和定子电流幅值。可以看出，采用了MPTA算法后，电机加速更快，在输出相同的电磁转矩时需要的定子电流更小，因此在不增加逆变器容量的前提下提高了电机的输出转矩性能，充分体现了电机控制算法和电机本体的良好匹配带来的优势。
图14 包含MTPA的电机矢量控制算法和普通矢量控制算法结果对比
4. ANSYS电机控制器EMC设计仿真方法
在电机控制器系统研发中，电磁兼容和干扰日益成为设计瓶颈。一方面电机控制器系统动力提升需要更大功率的电机和变流器，另一方面，分布式的大功率电气设备又会对各种自动化监控信号产生干扰。以EV/HEV电驱动系统为例：牵引电机高速运行，大功率IGBT以几kHz或更高频率的开关所导致的各种高低频电磁干扰将直接影响各种控制信号检测和传导；线缆、IGBT、母排、PCB关键路径走线等寄生参数也会直接影响各种功率和控制信号的传导；PCB控制板级信号串扰和电磁辐射干扰；各种电磁设备分布在有限的空间内，相互之间也存在电磁干扰，影响设备的性能；如何有效地设计各种共模和差模滤波器、各电磁设备的科学布局、功率电缆的连接和布局变得至关重要。因此，研发高品质的电机控制器系统，电磁兼容设计问题尤为重要。
ANSYS电机控制器EMC设计方法可解决电驱动系统电磁兼容设计问题，包括：部件级、设备级和系统级的电磁干扰和电磁兼容设计问题，主要由电机、变压器、电感、母排、IGBT等设备电磁场有限元分析工具Maxwell3D；电驱动系统设计和传导干扰分析工具Simplorer/TwinBuilder；线缆、母排、IGBT、PCB关键路径走线等寄生参数提取工具Q3D、PCB板级电磁兼容设计关键SIwave；系统级电磁干扰分析和电磁兼容设计工具HFSS等组成，既可以单独使用解决具体部件电磁兼容设计问题，又可以无缝集成为虚拟设计和仿真分析平台，解决设备和系统的电磁兼容设计问题。
由于电机控制器的EMC问题是一个牵涉很多方面的复杂问题，以下用一个实际的例子来描述如何采用ANSYS的各种软件工具来解决电机控制器系统的EMC问题。
如图15所示大功率电机控制系统装配图，由690V-50Hz的交流电供电，经过Delta-Delta/Wye变压器隔离移相后，经过并联的SCR变换成直流母线电压，然后在该直流母线上接若干逆变器Inverter驱动不同功率等级的电机。由于某电机功率为1000HP(马力)，需要两个逆变器并联才能驱动。由于存在并联的大功率电缆，造成在该电机支路中总是出现随机的大电流，造成系统运行不稳定，甚至系统损坏。
图15 大功率电机控制驱动系统装配图
为了定位和解决该问题，首先采用ANSYS的寄生参数提取工具Q3D Extractor，按照线缆的实际尺寸和材料建立线缆模型，并提取寄生参数，如图16所示。
图16 Q3D Extractor建立并联功率线缆寄生参数抽取模型
在Simplorer/Twin Builder建立电机控制器系统仿真模型，并无缝输入Q3D Extractor建立的功率线缆并联模型，如图17。
图17 考虑并联功率线缆寄生参数的电机控制器系统模型
通过仿真分析，得到如图18的结果，分析可得系统的接地线、线缆托盘与大地之间由很大的接地电流，正是由于这些电流的存在，造成系统运行不稳定，甚至系统损坏。
图18 考虑并联功率线缆寄生参数的电机控制器系统模型
定位了问题所在后，在仿真系统中采取如下图19的EMC整改措施：在直流母线侧安装共模直流斩波器和电压缓冲器，采用每相功率线缆对应一根地线的对称功率线缆，在逆变器Inverter输出处添加LR滤波器，并直接在此处把相同相位的线缆直接连接。
图19 考虑EMC整改措施的电机控制器系统模型
经过仿真分析，采用这些整改措施后，系统的接地电流之一Icg由整改前的92.4 Apk减小为整改后的13.6Apk，如图20所示。实际的系统按照相同的方法整改后，也提高了系统运行的稳定性。
图20 EMC整改前后的接地电流Icg对比
利用ANSYS的各个仿真软件模块，除了可以对电机控制器系统的传导EMC进行分析、设计和整改外，还可以对控制器的辐射EMC进行分析、设计和整改。电机控制器基本都装在金属机箱中，金属的机箱机柜通常能够实现良好的屏蔽性能，但是机箱上的散热孔、连接器接头缝隙均可能造成电磁泄露，ANSYS解决方案可对机箱机柜的屏蔽效能进行仿真，并对机箱通风孔的布局进行优化设计。把电驱动系统中PCB控制板的SIwave辐射仿真结果可作为干扰源，通过链接场源，可在HFSS中分析实际PCB放置在机箱中造成的电磁泄漏情况。如下图21，采用ANSYS对应的工具，可以分析带机箱的电机控制器的辐射EMC。
图21 电机控制器PCB辐射在机箱中形成的电场分布及3m电场仿真结果
5. 总结
利用ANSYS平台下的RMxprt、Maxwell、Simplorer/Twin Builder、Q3D Extractor、SIwave、HFSS等软件模块，可以完成电机本体的高精度仿真设计、电机控制器硬件系统及控制算法与电机本体的协同仿真设计、仿真电机控制器系统的EMC问题并评估改进措施的合理性，为用户提供了完善的从部件到系统，再到EMC的电磁仿真设计平台。用户还可以深入与ANSYS的结构和流体软件结合，进一步仿真设计电机及其控制器的几何特性和散热特性等，相关内容将在后续的主题文章中详细介绍。
