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(chǎn)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(chǎn)設備、機器人等方面大量使用［1］。永磁同步電機系統(tǒng)雖然在很多方面都有優(yōu)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(tǒng)，耦合性高、模型復雜、非線性。為了更好地研究電機系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)點。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起，微服務體系架構［4］成為軟件開發(fā)的新趨勢。在此背景下，本文提出一種可將傳統(tǒng)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(wǎng)頁對模型進行遠程調(diào)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(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)建模方法進行建模，微服務架構研究也大多是商業(yè)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(xiàn)方法，該方法總結了永磁同步電機建模和商業(yè)微服務的優(yōu)點，以OpenModelica 平臺為建模工具，Spring Cloud 為微服務架構，實現(xiàn)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(jù)電機運行原理建立數(shù)學模型，使用Modelica 語言［9］進行動態(tài)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(diào)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(fā)用于實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)監(jiān)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(xiàn)，如由服務發(fā)現(xiàn)（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(fā)現(xiàn)、負載均衡等問題；通過Spring Cloud Config 可以統(tǒng)一管理配置，實現(xiàn)統(tǒng)一配置中心。因為Spring Cloud 功能強大，開發(fā)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(tǒng)的建模工具相比優(yōu)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(shù)方程轉換成帶有輸入和輸出的塊，根據(jù)輸入和輸出關系建立組件模型，這種方法使電機的動態(tài)仿真受限于繁瑣和復雜的計算。

Modelica 遵循FMI 標準，F(xiàn)MI 標準是一個在全球廣泛應用、可以實現(xiàn)聯(lián)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(huán)節(jié)。目前，基于Modelica 語言進行建模與動態(tài)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(fā)的開源仿真平臺。綜上所述，傳統(tǒng)建模多使用Simulink 進行動態(tài)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(tǒng)。本文基于OpenModelica 平臺分別對上述3 個模塊進行建模，然后根據(jù)各個模塊預留的接口進行連接，拼裝成一個完整的系統(tǒng)后進行電機動態(tài)仿真。模塊化建模有很多優(yōu)點，例如可以提高模塊的復用率、節(jié)約建模時間，可拓展性高，可根據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)在運行過程中恒定，不考慮飽和效應和集膚效應。

經(jīng)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(jīng)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(jù)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(shù)。

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(jù)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(xiàn)實系統(tǒng)，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(huán)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(huán)控制。

2.3 逆變器模塊

在運行系統(tǒng)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(jīng)過電機模型內(nèi)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(tài)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(shù)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(tài)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(shù)，smpmData 模塊主要對電機參數(shù)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(tǒng)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(diào)用，實現(xiàn)模型的微服務化。

3 模型微服務技術實現(xiàn)

根據(jù)導出的FMU 壓縮包還不能實現(xiàn)模型微服務，需要采用Python、Java 語言進行封裝調(diào)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(xiàn)流程

3.1 RESTful API 實現(xiàn)

API［21］指應用程序編程接口，描述了與外界進行通信的規(guī)則：怎樣接受響應和發(fā)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(lián)網(wǎng)中指一個軟件架構。RESTful API的實現(xiàn)需要兩步操作：①在Python 中安裝pyfmi 包，使得Python 可以調(diào)用FMU 文件；②使用flask 框架對第①步中調(diào)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(xiàn)代碼

3.2 微服務封裝與部署

微服務封裝后依靠IDEA 開發(fā)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(fā)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(diào)用，看是否能產(chǎn)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(chǎn)生一個斜率為1的頻率信號驅動，在0～1s的時間內(nèi)頻率信號從0 增加到50 Hz，并在后續(xù)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)生振蕩，短時間內(nèi)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(shù)設置有效。實驗證明將傳統(tǒng)模型轉變成微服務的設計可行。

5 結語

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)微服務變得非常流行。本文在傳統(tǒng)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(diào)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(tǒng)模型轉變成微服務是可行的。雖然實驗已經(jīng)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(xù)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。