永磁同步電機模型微服務實現

劉子杰，王 凱，2

（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院；2.上海出版印刷高等專科學校，上海 200093）

0 引言

生產生活中電機扮演著至關重要的角色，其中永磁同步電機（PMSM）具有運行可靠性高、轉矩波動小、體積小、控制精度高等特點，在新能源汽車、生產設備、機器人等方面大量使用［1］。永磁同步電機系統雖然在很多方面都有優勢，但是它是一個集控制、電氣、機械等領域于一體的復雜系統，耦合性高、模型復雜、非線性。為了更好地研究電機系統的復雜特性，一般使用Simulink 等工具進行仿真，但是無法脫離平臺使用，而且模型重用性很差，微服務應運而生。

微服務［2-3］是將單個應用程序實現為一組小型且獨立的服務，服務之間通過輕量級機制相互通信。微服務具有可伸縮、易維護、可獨立部署和可擴展等優點。隨著工業互聯網的興起，微服務體系架構［4］成為軟件開發的新趨勢。在此背景下，本文提出一種可將傳統電機模型轉變成微服務并在微服務架構上運行的方法。該方法可提高模型的重用率，模型可脫離平臺運行，可通過網頁對模型進行遠程調參以及實時查看模型的波形變化。

永磁同步電機模型仿真研究較多。文獻［5］設計了永磁同步電機調速系統仿真，文獻［6］對永磁同步電機的空間矢量控制進行研究，文獻［7］基于OpenModelica 進行永磁同步電機系統仿真研究，文獻［8］基于Spring Cloud 對微服務架構應用進行研究。這些永磁同步電機建模在使用不同控制策略基礎上采用傳統建模方法進行建模，微服務架構研究也大多是商業性的。針對上述問題，本文提出一個永磁同步電機模型微服務的實現方法，該方法總結了永磁同步電機建模和商業微服務的優點，以OpenModelica 平臺為建模工具，Spring Cloud 為微服務架構，實現了永磁同步電機微服務。

1 研究思路

1.1 微服務化步驟

永磁同步電機模型微服務化步驟如下：①根據電機運行原理建立數學模型，使用Modelica 語言［9］進行動態建模仿真，導出.FMU 文件；②將.FMU 文件通過Python、Java 語言進行封裝調用；③在微服務框架上進行微服務部署。

1.2 微服務框架選擇

Spring Cloud［10］是 由Pivotal團隊研發用于實現微服務架構應用的框架集合，包括Spring Cloud Consul、Spring Cloud Netflix、Spring Cloud Config 等，它還提供配置管理、服務發現、數據監控、熔斷降級、負載均衡等功能，這些功能都可通過Spring Cloud的子項目實現，如由服務發現（Eureka）、智能路由（Zuul）、客戶端負載均衡（Ribbon）等組件組成的Spring Cloud Netflix，可以解決服務間通信、服務注冊發現、負載均衡等問題；通過Spring Cloud Config 可以統一管理配置，實現統一配置中心。因為Spring Cloud 功能強大，開發效率高，所以本文將其作為微服務框架。

1.3 Modelica 語言及平臺選擇

Modelica 是一種面向對象的語言［11］，該語言主要通過文本方式和圖形建模工具兩種方式建模，與一些傳統的建模工具相比優勢明顯。如Simulink 仿真需要每個模型都有明確的輸入和輸出信號，因此用戶必須先將組件的微分方程和代數方程轉換成帶有輸入和輸出的塊，根據輸入和輸出關系建立組件模型，這種方法使電機的動態仿真受限于繁瑣和復雜的計算。

Modelica 遵循FMI 標準，FMI 標準是一個在全球廣泛應用、可以實現聯合仿真和模型重用的接口標準。通過FMI標準可以將模型導出為以.FMU 結尾的文件壓縮包形式，將模型轉化成FMU 文件是將模型微服務化的必備環節。目前，基于Modelica 語言進行建模與動態仿真的平臺很多，如MWorks、Dymola、SimulationX 和OpenModelica 等，其中OpenModelica 是一個由非盈利組織（OSMC）研發的開源仿真平臺。綜上所述，傳統建模多使用Simulink 進行動態仿真，使用OpenModelica 平臺進行PMSM 建模是一種嘗試，采用OpenModelica 是本文建模平臺的最佳選擇。

2 模塊建模及組合

電機模塊、控制驅動模塊［12］以及逆變器模塊組成了基本的永磁同步電機運行系統。本文基于OpenModelica 平臺分別對上述3 個模塊進行建模，然后根據各個模塊預留的接口進行連接，拼裝成一個完整的系統后進行電機動態仿真。模塊化建模有很多優點，例如可以提高模塊的復用率、節約建模時間，可拓展性高，可根據需要隨時在該模塊上添加組件，同時不會影響其他模塊運行等。

2.1 電機模塊數學建模

作為一項成熟的技術，永磁同步電機應用非常廣泛，該電機由一個定子和一個轉子組成。通過兩相同步旋轉d-q 坐標系搭建永磁同步電機數學模型［13］。為了簡化分析步驟，假設定子和轉子的繞組在空間上呈正弦分布，不考慮磁滯和傅科電流損耗，機器參數在運行過程中恒定，不考慮飽和效應和集膚效應。

經過坐標系旋轉后，定子電壓方程表示為：

式（1）中，umq、umd分別代表經過坐標旋轉后的定子電壓，Rs為定子電阻，imq、imd分別代表q、d 軸上的定子電流，Ψmq、Ψmd分別代表q、d 軸上的定子磁鏈大小，ωv為轉子角速度。

磁鏈方程如下：

式（2）中，Ψfm代表永磁體磁鏈，Lq、Ld分別代表q、d 軸上的定子電感。

根據磁鏈方程可計算出電磁轉矩方程如下：

如果永磁同步電機為表貼式永磁電動機［14］，則Ld=Lq，即無凸級效應，沒有轉矩磁阻。上式可進一步化簡為：

式（3）、式（4）中的np代表極對數。

轉子運動方程如下：

式（5）中，TL代表負載轉矩；J代表轉動慣量。

根據上述方程以及永磁同步電機運行原理，使用OpenModelica 對電機模塊進行非因果建模。復用Modelica語言標準庫，通過組件建模建立電機模塊仿真，如圖1 所示。該電機模型主要包含永磁體、三相空間相量變換模塊（spacePhasorS）、定子電感、電阻、氣隙（airGapR）模塊等。輸入電流通過三相空間相量變換模塊進行Park 變換。氣隙模塊結合按式（4）計算磁鏈并且輸出。通過恒電流方式勵磁等價于永磁體模塊。另外，為了更符合現實系統，在圖1 中還添加了損耗模塊。一般來說，永磁同步電機損耗主要由鐵耗、銅耗、雜散耗和機械損耗組成。對損耗機理的分析可查閱文獻［15-16］。

Fig.1 Motor simulation model圖1 電機仿真模型

2.2 控制模塊

本文討論的永磁同步電機是不具有位置傳感器的電機［17-18］，主要有兩種方法驅動該類型電機：①矢量控制［19］。磁極位置主要通過電機電流、電動勢以及d-q 軸上的電感來判斷；②V/F 開環控制［20］。V/F 控制中的V 和F 分別代表輸出電壓和頻率，也就是通過V 和F 成正比來保證恒定磁通。OpenModelica 平臺標準庫中有VFcontroller 模塊，可以直接使用，所以本設計選擇V/F 開環控制。

2.3 逆變器模塊

在運行系統中，PMSM 運行需要交流電供電，直流電源若想驅動電機則需要通過DC/AC 逆變器變成三相交流電，并經過電機模型內部的Park 變換才可以驅動電機。本文的逆變器模型以簡單方式建模，使用OpenModelica 標準庫設計逆變器模型。理想狀態下，逆變器的輸入輸出功率相等，所以直流端的輸入電流可通過式（6）計算得到。另外，交流端功率由OpenModelica 組件庫中的功率傳感器測量，直流端電壓由電壓傳感器測量，再通過絕對值模塊求絕對值，信號電流模塊可以控制直流端電流大小。逆變器模型設計如圖2 所示。

Fig.2 Inverter model圖2 逆變器模型

2.4 模塊組合及參數設置

基于OpenModelica 平臺將封裝好的逆變器模型、電機模型、V/F 控制器模型、模擬負載等通過接口進行連接，最終達到PMSM 動態仿真目的，具體連接如圖3 所示。電機模型的正常運行需要設置合適的參數，smpmData 模塊主要對電機參數進行設置，角度傳感器模塊主要是檢測轉子滯后角，ramp 模塊主要提供斜坡信號。

Fig.3 PMSM system simulation model圖3 永磁同步電機系統仿真模型

電機模型在OpenModelica 平臺上建立和拼接完成后，因為平臺遵循FMI 標準，所以模型可以輸出FMU 壓縮文件。對FMU 文件進行封裝調用，實現模型的微服務化。

3 模型微服務技術實現

根據導出的FMU 壓縮包還不能實現模型微服務，需要采用Python、Java 語言進行封裝調用，以及在微服務架構上進行部署。操作流程如圖4 所示。

Fig.4 Model microservice implementation process圖4 模型微服務實現流程

3.1 RESTful API 實現

API［21］指應用程序編程接口，描述了與外界進行通信的規則：怎樣接受響應和發送請求。顧名思義，RESTful API［22］就是具有RESTful風格的應用程序編程接口，其 中RESTful 在互聯網中指一個軟件架構。RESTful API的實現需要兩步操作：①在Python 中安裝pyfmi 包，使得Python 可以調用FMU 文件；②使用flask 框架對第①步中調用的文件進行處理，生成帶有RESTful API 接口的服務，部分代碼如圖5 所示。

Fig.5 RESTful API interface implementation code圖5 RESTful API 接口實現代碼

3.2 微服務封裝與部署

微服務封裝后依靠IDEA 開發工具搭建Eureka 服務注冊中心。搭建Eureka 服務端（即服務注冊中心）和客戶端（電機模型微服務）方法大同小異，以搭建Eureka 服務端為例，步驟如下：①一個maven 項目由IDEA 開發工具建立；②將項目相關的依賴添加到pom.xml 文件中；③建立一個項目啟動類；④在resources 文件夾下建立一個以.yml 結尾的配置文件，并在該文件下配置Eureka 服務端的端口號和IP 地址等；⑤配置結束啟動類運行；⑥在瀏覽器中輸入Eureka 服務端的端口號和IP 地址，查看服務器端啟動情況。Eureka 服務端結構如圖6 所示。

Fig.6 Eureka server structure圖6 Eureka 服務端結構

Eureka 客戶端即電機模型微服務，將該服務在Eureka服務端進行注冊并運行啟動類。在瀏覽器中輸入Eureka服務端的端口號和IP 地址，即可看到運行界面，如圖7所示。

Fig.7 Eureka service registry center圖7 Eureka 服務注冊中心

從服務注冊中心的界面可以看到端口號為8503的電機模型微服務，為驗證電機模型微服務的正確性，對該微服務進行調用，看是否能產生正確波形。

4 仿真分析

電機模型微服務中的默認仿真時間為0～10s，該模型由ramp 模塊產生一個斜率為1的頻率信號驅動，在0～1s的時間內頻率信號從0 增加到50 Hz，并在后續運行過程中保持不變。為了驗證電機模型微服務界面的參數設置是否有效，同時便于觀察波形，電機模型微服務實驗時將界面中的仿真開始時間和結束時間設置為0 和2。另外，雖然可以在注冊中心觀察到電機模型微服務，但是不能判斷電機模型微服務是否能夠正常輸出波形，以及輸出的波形是否精確，本文通過運行電機模型微服務進行驗證。

在電機模型微服務運行過程中，V/F 控制器產生的電壓控制信號隨著ramp 模塊輸出的斜坡信號變化而變化，逆變器輸出電壓的大小由V/F 控制器決定，逆變器輸出的電壓信號如圖8 所示。

Fig.8 Phase voltage signal圖8 相電壓信號

負載力矩變化以及電機轉速曲線如圖9、圖10 所示。從圖9 可以看出，電機在1.2s 時添加了一個負載。從圖10中可以看出：因為電機啟動不是空載運行，所以轉速上升很快，在1.1s 左右達到電機額定轉速，在1.2 s 時對電機施加一個負載，負載的加入使電機轉速在1.2s 處產生振蕩，短時間內會恢復同步轉速。

Fig.9 Load moment variation圖9 負載力矩變化

Fig.10 Motor speed curve圖10 電機轉速曲線

從上述仿真結果波形圖可以看出，電機模型微服務的仿真波形和實際分析結果一樣，界面參數設置有效。實驗證明將傳統模型轉變成微服務的設計可行。

5 結語

隨著工業互聯網的發展，工業微服務變得非常流行。本文在傳統建模仿真基礎上，使用Python、Java 語言對通過OpenModelic 平臺導出的FMU 文件進行封裝調用，形成電機模型微服務，最后部署在Spring Cloud 架構上。通過對電機模型微服務的實驗仿真可知，將傳統模型轉變成微服務是可行的。雖然實驗已經達到預期效果，但是微服務架構中部署的微服務用例只有電機模型微服務，后續研究將逐漸完善注冊中心的微服務用例，并通過用例之間的接口進行組合，形成具有新功能的微服務。