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概覽 NI VeriStand的JMAG附件將NI實(shí)時(shí)測試軟件技術(shù)與JMAG-RT結合，JMAG-RT是JSOL公司JMAG有限元分析（FEA）工具套件中的一部分。借助于該軟件模塊，您可以使用NI VeriStand輕松地實(shí)時(shí)運行高仿真有限元電機模型。這樣的電機仿真精確度極高，可減少花費在昂貴的物理測試上的時(shí)間。您可以使用Windows操作系統計算機在仿真環(huán)境中運行模型，使用實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行硬件在環(huán)（HIL）仿真 ，或使用NI可重配置的I / O（RIO）硬件進(jìn)行以FPGA為基礎的HIL仿真，實(shí)現最佳性能。 JSOL公司與NI合作開(kāi)發(fā)了用于NI VeriStand的JMAG附加軟件模塊，JSOL是JMAG機電設計和開(kāi)發(fā)仿真軟件的締造者。該附加軟件模塊使用由FEA生成的電感與反電動(dòng)勢（EMF）數據，進(jìn)行電機模型的實(shí)時(shí)仿真。由于電機結構的不對稱(chēng)性會(huì )產(chǎn)生非正弦通量和電流，經(jīng)典的D-Q模型就不再適用，這時(shí)就需要采用FEA技術(shù)�；旌蟿�(dòng)力汽車(chē)制造商采用了高速電機，這對于優(yōu)化生產(chǎn)空間和成本來(lái)說(shuō)十分重要。 
圖1. NI VeriStand和JMAG RT相結合，提供了前所未有的仿真精度和運行速度。 電機的多種用途 電機在汽車(chē)行業(yè)的應用范圍不斷擴大， 其在綠色能源領(lǐng)域的應用也為嵌入式控制系統開(kāi)發(fā)人員和測試工程師帶來(lái)了新的挑戰，速度便是其一。電子驅動(dòng)引擎控制單元（ECU）控制算法的運行速度必須遠快于內部燃燒引擎的動(dòng)力傳達ECU。更快的速度需求使得傳統的HIL測試不足以支持測試電機ECU。而電機的仿真必須具備高仿真精度，HIL測試系統則必須在1 μs的時(shí)間內執行仿真模型，以充分顯示電機的實(shí)際操作。之前，高精度仿真和高速度運行似乎不可能并存，許多測試工程師不得不因此采用更為昂貴的測功器或現場(chǎng)測試來(lái)驗證他們的嵌入式軟件。
圖2. 該略圖顯示了電機控制系統測試的不同階段。 基于有限元分析（FEA）仿真的益處 在進(jìn)行高級電機驅動(dòng)仿真時(shí)，工程師面臨的最大的挑戰之一就是如何同時(shí)保證模型的仿真度和仿真步長(cháng)時(shí)間。雖然簡(jiǎn)單的常量參數D-Q模型足以進(jìn)行部分HIL測試，但模型的高仿真精度在高級電機驅動(dòng)設計中很多時(shí)候也是必須的。高精度的仿真可用于高效率電機應用程序中控制系統性能的優(yōu)化，該應用在汽車(chē)和能源行業(yè)中非常常見(jiàn)。使用高仿真的JMAG FEA模型，您可以對復雜、非理想行為進(jìn)行仿真，如齒輪扭矩，并設計控制器來(lái)減少扭矩脈動(dòng)。 同樣地，您可以對高電流時(shí)的電機電感變化進(jìn)行仿真，高電流對電機產(chǎn)生的轉矩影響很大，還能相應地測試控制器。而仿真度低的模型并不能完全對齒輪扭矩、高電流時(shí)的電機電感，以及其他非線(xiàn)性進(jìn)行仿真，由此便會(huì )降低HIL測試的有效性。為了充分測試嵌入式控制軟件，測試人員不得不進(jìn)行更多的實(shí)地測試，并增加開(kāi)發(fā)時(shí)間。
圖3. 扭矩計算中包含了D-Q模型、離線(xiàn)JMAG模型和JMAG-RT模型，D-Q模型對扭矩的平均值進(jìn)行仿真，而JMAG與JMAG-RT模型對扭矩失真進(jìn)行仿真。 在FEA仿真中，電機模型極其精確，且具有高精度，可充分體現電機中的非線(xiàn)性 。然而，這種高精真的仿真耗時(shí)嚴重，之前來(lái)說(shuō)還是天方夜譚。設計工程師們不得不測量電機參數，并在后處理過(guò)程中進(jìn)行數據分析。 對于復雜的電機模型，該過(guò)程需要花費數個(gè)小時(shí)。NI與JSOL公司合作，借助其FEA工具、JMAG和JMAG-RT，可生成高精度模型，再搭配使用NI LabVIEW系統設計軟件和NI VeriStand軟件來(lái)配置實(shí)時(shí)測試應用程序，最終完成驗證任務(wù)。 通過(guò)這樣的方式，NI滿(mǎn)足了電機測試和仿真中的主要需求�，F在您可以使用LabVIEW FPGA和基于FPGA的NI RIO硬件，從而以微秒的速度運行FEA電機模型。這些模型可精確地仿真復雜的非線(xiàn)性行為， 然后您就可以將在FPGA中運行的模型連接至其它硬件，以高I / O速率進(jìn)行完整測試。 用于NI VeriStand的JMAG附加軟件 NI VeriStand是基于配置的軟件環(huán)境，可用于創(chuàng )建實(shí)時(shí)測試應用。其即買(mǎi)即用的特點(diǎn)可幫助您進(jìn)行實(shí)時(shí)目標主機通信、數據記錄、激勵生成，以及報警檢測和響應。NI VeriStand從仿真測試到HIL測試的轉換相當快速，可讓您復用測試組件，包括測試文件、預警、步驟和分析程序等。您可以輕松地重新映射模型、硬件通道等參數，以促成真實(shí)I / O。如此簡(jiǎn)單的轉換能夠節省您的回歸測試時(shí)間，并幫助您使用NI TestStand等測試執行軟件完成自動(dòng)化測試。 NI VeriStand具備開(kāi)放的框架，可通過(guò)實(shí)時(shí)插件創(chuàng )建特定應用功能，這為測試系統提供了最大的靈活性。您可以借助NI VeriStand的JMAG附件在HIL測試中運行具有高精度的實(shí)時(shí)模型。它能夠啟動(dòng)內聯(lián)FEA仿真，將分析時(shí)間從幾小時(shí)縮短至微秒。您還可在NI PXI實(shí)時(shí)控制器上運行具備中等精度的FEA模型，其仿真步長(cháng)約為20至30μs。在基于NI RIO的FPGA上運行FEA模型，可實(shí)現對仿真度要求極高的應用程序。這些基于FPGA的模型的步長(cháng)可低達1μs。JMAG電機模型庫擁有各種不同類(lèi)型的電機，可與多種電機型號進(jìn)行匹配。您能夠將可定制度高的模型修改成特定的電機類(lèi)型，從而避免創(chuàng )建自定義模型。
圖4. 該電機仿真圖說(shuō)明了，根據自身的應用需求，您在不同的終端上應該如何部署針對NI VeriStand的JMAG附加軟件。 NI VeriStand和針對NI VeriStand的JMAG附加軟件可在NI PXI實(shí)時(shí)控制器和NI RIO FPGA I/ O設備上運行。NI PXI提供了多種高速和高精度的I / O模塊，可確保您獲取所需的I / O，來(lái)滿(mǎn)足特定的應用需求。除了實(shí)時(shí)的PXI功能，PXI的NI RIO模塊在FPGA上還具備極高的處理速度。NI PXIe-7965R極高的性能讓您放心借助FPGA進(jìn)行模型計算，即使是在具備最高精度的JMAG-RT FEA模型上也可行。
總結 在真實(shí)系統中測試多種順變電流以及故障情況往往很麻煩或難操作，但這一點(diǎn)可通過(guò)實(shí)時(shí)高精度電機仿真實(shí)現。在這之前，通過(guò)HIL測試以及標準電機D-Q模型來(lái)實(shí)現許多情況，例如電機終端上或直流和交流總線(xiàn)間的故障仿真，幾乎不可能完成。 NI的HIL平臺可提供最高仿真度的實(shí)時(shí)仿真，讓您在開(kāi)發(fā)的早期階段就發(fā)現問(wèn)題并優(yōu)化性能。全面的HIL測試可減少驗證嵌入式軟件的現場(chǎng)測試次數，最終縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并提高開(kāi)發(fā)效率。 |
