三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法
专利汇可以提供三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种三维虚拟直流无刷 电机 动态仿真方法，属于 计算机辅助设计 的技术领域。其包括如下步骤：a、建立直流无刷电机的机理模型；b、建立直流无刷电机的三维 虚拟现实 场景模型：建立直流无刷电机的各个部分及负载的三维模型，并将所述三维模型转换为3ds文件输出；c、实现虚拟现实场景；d、实现虚拟仿真程序的交互。本发明所述三维直流无刷电机交互操作时， 可视化 性好；直流无刷电机交互时，能够通过交互操作过程中，对电机的设计及运行参数进行修正，能够使电机的设计达到最佳性能，能够预先对设计的直流无刷电机性能进行测试。，下面是三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法专利的具体信息内容。
1.三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法，其特征是：所述方法包括如下步骤：
a、建立直流无刷电机的机理模型：包括直流无刷电机的尺寸、额定转速、定子冲片与转子冲片的类型、直流无刷电机的额定功率、额定电压与额定电流、直流无刷电机的数学模型、驱动负载模型与温度变化模型；
根据前期对直流无刷电机的参数设计，得到直流无刷电机的主要尺寸参数；在直流无刷电机的设计中，主要尺寸参数包括电枢直径Da和电枢铁芯有效长度La，这两个参数确定了直流无刷电机的外形轮廓、重量及材料费用，与电机的技术性能指标有密切关系；在给定直流无刷电机的额定功率和转速下，电枢直径Da和电枢铁芯有效长度La与电、磁负荷的关系如下，
Da为电枢直径，单位为cm，La为电枢铁芯有效长度，单位为cm，nN为额定转速单位为r/min，A为电负荷，单位为A/cm，Bδ为磁负荷即电机气隙磁密，单位为T，αi为永磁体极弧系数，P′为电磁功率，单位为VA；
当直流无刷电机的额定转速nN确定后，由 知，直流无刷电机的极数p也能够确定，其中f为电网的频率，中国电网的频率为50Hz；直流无刷电机的磁路结构形式与所选择的永磁材料有关，依具体的应用要求而定；直流无刷电机的转子结构形式，主要有凸装式、嵌入式、内埋式三种基本形式；
根据直流无刷电机的结构，电机的建模应包括电机机壳、电机转子、转轴、转子冲片、电枢绕组风扇组件的建模；直流无刷电机在结构上分为两类：内转子直流无刷电动机，定子在外，永磁体在内；外转子直流无刷电机，定子在内，永磁体在外；外转子无刷直流电动机由3部分组成：电动机本体、转子位置传感器、电子换向线路；外转子式方波永磁电机的结构比普通交直流电机的更为简单，其励磁由粘结在转子表面的永磁体产生；用户进行设计时应先选择槽型，再选择转子结构，然后再进行详细参数设计；
假定直流无刷电机工作在两相导通星形三相六状态下，反电势波形是平顶宽度为
120°电角度的梯形波；电机在工作过程中磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称，电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；
设U1，U2，U3为定子相绕组电压；i1，i2，i3为定子相绕组电流；e1，e2，e3为定子相绕组电动势；L为每相绕组的自感；M为每两相绕组间的互感；δ为微分算子，Rs为任一定子绕组的电阻；δ＝d/dt，则三相绕组的电压平衡方程表示为：
当三相绕组的电压为星形连接，且没有中线时，则有：
i1+i2+i3＝0 (3)
并且
Mi2+Mi3＝-Mi1 (4)
将公式(3)和(4)式代入(2)式，得到直流无刷电机的数学模型为：
由公式(5)式得出电机的等效电路；
直流无刷电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的；因此，电磁转矩方程式表示为：
设TL为负载转矩；J为电机的转动惯量；ω为直流无刷电机的旋转角速度，B为阻尼系数；直流无刷电机的驱动负载的数学模型为：
直流无刷电机的温度变化模型：假定直流无刷电机发热部分为均匀物体，采用一种常用的发热计算方法，考虑dt时间内发热物体的能量平衡，有：
Qdt＝Cdθ+αSθdt (8)
Q为单位时间内均匀物体所产生的热量，C为物体的热容量，α为发热物体表面的散热系数，S为发热体的表面面积，θ为物体表面对于周围介质的温升；
物体发热达到稳态时，物体达到稳定温升θ∞；温升不再发生变化，Cdθ＝0，代入上式，得：
Qdt＝αSθ∞dt (9)
若解决不稳定温升问题，对等式(8)求解得直流无刷电机的温度变化模型为：
θ＝θ0+(θ∞-θ0)(1-e-tT) (11)
θ0为物体的起始温升， 为均匀发热物体的发热时间常数；
b、建立直流无刷电机的三维虚拟现实场景模型：建立直流无刷电机的各个部分及负载的三维模型，并将三维模型转换为3ds文件输出；
利用已有的三维建模软件建立直流无刷电机各个组成部分的三维模型，并对直流无刷电机的负载模型建立相应的三维模型，得到直流无刷电机的三维虚拟现实场景；通过上述三维建模软件导出三维现实场景的3ds文件；对应输出的 3ds文件，建立对应的模型库及模型库管理系统，模型库管理系统进行对输出模型的存储、查询、管理及维护；模型库内能够存储不同设计的直流无刷电机，通过模型库管理系统进行统一管理，对后续直流无刷电机的设计和仿真提供必要的补充；
c、实现虚拟现实场景：根据步骤a中直流无刷电机的机理模型建立直流无刷电机的仿真运算程序模块，仿真运算程序模块读取预先建立数据库的信息，对直流无刷电机的机理模型进行仿真计算，并输出直流无刷电机的仿真计算结果；所述数据库包括直流无刷电机机理模型的参数和直流无刷电机的运行环境参数；
采用面向对象的程序设计语言C++，根据步骤a中得到的直流无刷电机的数学模型，直流无刷电机驱动负载的数学模型及直流无刷电机的温度变化模型，利用C++编程语言对上述各个数学模型编制运算仿真程序，建立直流无刷电机的仿真运算程序模块；建立直流无刷电机运行状态参数的数据库，在数据库内输入直流无刷电机环境运行参数，仿真运算程序模块通过读取数据库内的环境运行参数，实现对直流无刷电机的仿真计算，输出直流无刷电机的仿真计算结果；
d、实现虚拟仿真程序的交互：读取步骤b中生成的3ds文件，并生成对应的三维直流无刷电机图形；三维直流无刷电机图形利用步骤c仿真计算结果驱动，并对三维直流无刷电机进行交互操作，且利用输出设备对三维直流无刷电机的运行进行动态展现；
先利用面向对象程序设计语言C++编写读取3ds文件的程序模块，提取三维无刷直流电机的模型数据；再通过OpenGL图像软件接口读取C++编程提取的模型数据，在OpenGL图像软件接口中重构直流无刷电机，生成对应的三维直流无刷电机图形，通过读取步骤c中对直流无刷电机的仿真计算结果，实现对OpenGL图形软件接口中的三维直流无刷电机图形文件进行驱动，使OpenGL图形软件接口中对应的三维直流无刷电机在对应的运行状态，利用OpenGL图形软件接口还能够实现用户对电机仿真的交互操作；OpenGL图形软件接口还有输出接口，利用输出设备对三维直流无刷电机的运行状态进行动态展现；
在OpenGL图形软件接口中，还能够对读取3ds文件生成的三维直流无刷电机图形的进行场景布置；利用OpenGL图形软件接口对直流无刷电机进行场景布置时，直流无刷电机表n
面和负载表面采用纹理映射的方法加入到场景中，选用2 大小的bmp图片作为纹理，其中n为像素数；再选择合适的映射坐标，实现对直流无刷电机表面及负载表面进行纹理映射；
最后为场景布光，在OpenGL图形软件接口中开启场景的光照功能；
在三维直流无刷电机系统虚拟仿真系统中，对虚拟直流无刷电机和负载的交互操作都能够看成对其进行平移、旋转、缩放、对称操作的组合，用户能够从任意角度旋转电机，这样便于观察电机系统的运行情况，用户也能够改变电机定子外径、定子内径的尺寸，或者用户能够改变电机输入的电压值，通过仿真程序的运算，用得到的数据驱动虚拟电机的运行，以测试电机运行状态的变化情况；
在OpenGL图形软件接口中设定变换矩阵：
其中，主对角线上元素g、h、j和k的作用是使空间立体产生局部或总体比例变换；
(i)、局部比例变换
在变换矩阵Φ中利用主对角线上元素g、h、j控制比例变换，最后一个主对角线上元素k＝1，令其余元素为零，则空间任意立体点(x，y，z)的局部比例变换为，即x′＝gx，y′＝hy，z′＝jz；由此可知，空间点(x，y，z)坐标分别按比例系数g、h、j进行变换，能使整个三维直流无刷电机图形按比例放大或缩小；
(ii)、全比例变换
全比例变换矩阵为
即x′＝x/k，y′＝y/k，z′＝z/k，由此可知：
当k＞1时，则三维直流无刷电机各方向等比例缩小；
当0＜k＜1时，则三维直流无刷电机各方向等比例放大；
(iii)、三维平移变换
平移变换是使三维直流无刷电机在空间平移一段距离，三维直流无刷电机的形状和大小保持不变；空间任一点(x，y，z)的变换矩阵为：
即x′＝x+l，y′＝y+m，z′＝z+n；l，m，n分别为沿x，y，z轴方向的平移量，所述l，m，n的正负表示了空间任一点的平移方向；
(iv)、三维对称变换
在三维空间最简单的对称变换是对称于坐标平面的变换；空间一点对xOy坐标面变换时，点的(x，y)坐标不变，只改变z的正负号；因此，其变换矩阵为
同理，对xOz坐标的对称变换矩阵和对yOz坐标面的对称变换矩阵分别为：
(v)、三维旋转变换
三维旋转变换是指空间立体绕坐标轴旋转γ角，正负按右手定则确定；旋转变换前后立体的大小和形状不发生变化，只是空间位置相对原位置发生了变化；当三维直流无刷电机绕某一坐标轴旋转时，三维直流无刷电机上各点在此轴坐标值不变，而在该坐标轴所垂直的另两坐标轴所组成的坐标面上的坐标值相当于一个二维的旋转变换；物体能够绕X轴、Y轴或Z轴进行旋转，从而得到相应的旋转变换矩阵；得到相对z轴的旋转变换矩阵为：
空间任意一点(x，y，z)相对z轴的旋转变换结果为：
[x y z 1]·Φz＝[xcosγ-ysinγ xsinγ+ycosγ z 1]＝[x′y′z′1]；
即x′＝xcosγ-ysinγ，y′＝xsinγ+ycosγ，z′＝z；
空间任意一点相对x轴的旋转变换矩阵为：
空间任意一点(x，y，z)相对x轴的旋转变换结果为：
[x y z 1]·Φx＝[x ycosγ-zsinγ ysinγ+zcosγ 1]＝[x′y′z′1]；
即x′＝x，y′＝ycosγ-zsinγ，z′＝ysinγ+zcosγ；
空间任意一点相对y轴的旋转变换矩阵为：
空间任意一点(x，y，z)相对y轴的旋转变换结果为：
[x y z 1]·Φy＝[xcosγ+zsinγ y -xsinγ+zsinγ1]＝[x′y′z′1]；
即x′＝xcosγ+zsinγ，y′＝y，z′＝-xsinγ+zsinγ；
通过在OpenGL图形软件接口中设置上述交互变换矩阵，在OpenGL图形软件接口中对三维直流无刷电机进行交互变换时，能够得到相对应的交互变换的三维直流无刷电机；通过仿真计算结果对上述交互变换后的三维直流无刷电机进行仿真驱动，并通过输出设备对三维直流无刷电机的运行状态进行动态展现；
在利用OpenGL图形软件接口对三维直流无刷电机动态仿真系统中，采用正投影将直流无刷电机和负载直接映射到屏幕上，这样最终的图像反映的是物体的实际大小；另外采用多重窗口显示方案，将显示区域划分成4部分，每个部分显示不同的内容，第一部分用来显示电机和负载整体的运行情况，第二部分用来显示电机内部的运行状况，第三部分是参数输入窗口，用来调整电机的参数，使电机达到最佳的运行效果；第四部分是参数输出窗口，用虚拟的温度显示仪显示电机的温升、电机的转速。
三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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