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電機在現代生活中扮演著(zhù)重要角色。出于對安全、成本及效率的考慮，工程師——尤其是混合電動(dòng)力汽車(chē)(HEV)工程師——往往希望在特定的真實(shí)環(huán)境下通過(guò)仿真電機模型對電機控制器進(jìn)行測試。 由于在經(jīng)濟及環(huán)境等方面展現出的優(yōu)勢，HEV受到了廣泛的關(guān)注，而電機正是HEV的核心部件。尤其是考慮到HEV的電機及電力電子器件體積大, 成本高; 在讓控制器去控制這些實(shí)際的部件前, 先用硬件在環(huán)仿真的方法來(lái)測試和驗證控制器的性能是非常必要的. 本文討論基于FPGA而設計的高速HIL仿真器來(lái)實(shí)現電機控制器測試。下圖為HIL測試系統。 電機驅動(dòng)仿真器包括DC電壓源、逆變器橋路以及電機。我們支持永磁同步電機(PMSM)及無(wú)刷DC電機(BLDC). 為何需要基于FPGA的硬件在環(huán)仿真器 現代電機驅動(dòng)系統通常由脈沖寬度調制(PWM)所驅動(dòng)。下圖描述了PWM的基本概念。 電機控制器將參考波形與三角載波相比較，從而確定門(mén)控制信號的狀態(tài)。 當時(shí)，上面一個(gè)電力電子器件的門(mén)極控制信號為高, 下面的器件的控制信號為低 當時(shí)，上面一個(gè)電力電子器件的門(mén)極控制信號為低, 下面的器件的控制信號為高 準確檢測門(mén)信號的開(kāi)關(guān)時(shí)刻對仿真器正確產(chǎn)生仿真信號來(lái)說(shuō)非常重要。否則仿真器可能產(chǎn)生抖動(dòng)、非特征諧波等不準確結果，甚至變得不穩定。下圖為PMSM電機驅動(dòng)的電流波形仿真結果。 PWM頻率為10 kHz�？梢钥吹�，50 kHz的仿真循環(huán)速率還不足以讓仿真器及時(shí)地檢測出開(kāi)關(guān)時(shí)刻 因此不能獲得精確結果。檢測結果中包含了不想要的諧波分量，使結果與期望值偏差很大。而在200 kHz的循環(huán)速率下，檢測結果就好了很多。 為了獲得精確結果，仿真器的采樣間隔必須比控制器的PWM周期小很多。如此高循環(huán)速率的應用使基于FPGA的方案成為理想選擇。我們的定點(diǎn)PMSM模型及定點(diǎn)BLDC模型均能在40個(gè)FPGA時(shí)鐘周期內完成一次更新運算。 提示：有時(shí)，期望仿真循環(huán)速率可能超過(guò)模擬了I/O所能夠達到的速率。一般此時(shí)無(wú)需更新模擬I/O(扭矩輸入、電流輸出等)來(lái)匹配仿真循環(huán)率，用戶(hù)可使用多頻編程來(lái)保持數字I/O及仿真循環(huán)處于高速率，從而用于門(mén)信號開(kāi)關(guān)時(shí)刻的精確檢測，而將模擬I/O設置于另一個(gè)循環(huán)狀態(tài)，之后再通過(guò)FIFO在兩個(gè)不同頻率的循環(huán)間傳輸數據。 設計的前提假設 a. 電力電子器件的理想開(kāi)關(guān)模型 將電力電子器件建模為理想開(kāi)關(guān)，當門(mén)信號為真（高）時(shí)，開(kāi)關(guān)為理想的短路電路。當門(mén)信號為假（低）時(shí)，開(kāi)關(guān)為理想的開(kāi)路電路。理想開(kāi)關(guān)模型非常適用于系統級仿真，此時(shí)我們不關(guān)心電力電子器件的寄生效應。此外，理想開(kāi)關(guān)模型可大幅提升仿真速度。 對于電力電子器件的熱損失，可以計算其等效電阻，并將此電阻值計入電機的總電阻。 b. 積分方法 電機的數學(xué)模型是一組微分方程。當在FPGA上仿真電機驅動(dòng)模型時(shí)，實(shí)際上是在FPGA上對這些微分方程進(jìn)行積分。由于期望的積分步長(cháng)非常的小，僅為幾微秒的量級。 所以用戶(hù)可選擇最簡(jiǎn)單的積分方法，如歐拉方法，此方法適用于小步長(cháng)情況。 方案流程圖 下圖為創(chuàng )建基于FPGA電機仿真器的流程圖。 第一步，用戶(hù)需要采集電機參數及原始數據。通過(guò)浮點(diǎn)仿真來(lái)驗證仿真結果是否與測量數據相符。然后采用定點(diǎn)仿真來(lái)驗證定點(diǎn)電機模型，確定精度是否達到要求、輸出結果是否令人滿(mǎn)意。完成定點(diǎn)模型驗證后，就可以進(jìn)入最終部署階段。 應對定點(diǎn)實(shí)現的挑戰 不同的電機通常具有相差較大的功率級，然而定點(diǎn)數據類(lèi)型的范圍及精度是確定的，因此選擇合適的定點(diǎn)數據類(lèi)型非常重要，否則量化誤差就會(huì )快速積累從而導致錯誤的仿真結果。用戶(hù)往往難以調整或校準所有的定點(diǎn)數配置來(lái)適應自己的情況。美國國家儀器公司提供以下方案來(lái)應對這些挑戰。 a. 歸一化系統 除了使用工程單位外，電氣工程師還使用歸一化系統。歸一化系統將電流、電壓、速率等統一度量，使其操作點(diǎn)的歸一化值接近1.0。歸一化系統的這一特點(diǎn)非常適用于定點(diǎn)實(shí)現。通過(guò)歸一化可將定點(diǎn)電機模型用于各類(lèi)不同電機。 使用歸一化系統以后，用戶(hù)可為定點(diǎn)電機模型選擇確定的預定義定點(diǎn)數據類(lèi)型。下表為部分選擇列表。 以上選擇都為極端情況（如電流過(guò)載等）留有余量。 確定以上參數的定點(diǎn)數據類(lèi)型可幫助用戶(hù)選擇內部計算單位的定點(diǎn)配置，如下圖中Idq至Iabc的轉換。 b. 將部分計算量移至主機 電機仿真過(guò)程涉及一些除法操作，如。此類(lèi)操作不涉及電流等時(shí)變參數，因此用戶(hù)無(wú)需每步都更新該值。用戶(hù)可將這個(gè)除法操作移至主機來(lái)運算，避免在FPGA中進(jìn)行除法運算的棘手問(wèn)題。 因此針對定點(diǎn)電機模型共需兩個(gè)VI。主機VI處理一些除法操作及參數轉換工作；FPGA VI用于仿真目標的定點(diǎn)電機模型。 案例 下圖顯示了定點(diǎn)PMSM模型在加速及減速過(guò)程中的速率及電磁轉矩。 用戶(hù)可在上圖中觀(guān)察到減速階段的再生制動(dòng)效應。當電機將能量回饋給DC電源（電池）時(shí)，電磁轉矩為負值。 本文介紹了基于LabVIEW FPGA的電機驅動(dòng)仿真器，可以用來(lái)幫助用戶(hù)通過(guò)NI-RIO硬件創(chuàng )建高速電機驅動(dòng)HIL測試。 |
