《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 可編程邏輯 > 設(shè)計應(yīng)用 > 基于FPGA高速硬件在環(huán)仿真器實現(xiàn)電機控制器測試
基于FPGA高速硬件在環(huán)仿真器實現(xiàn)電機控制器測試
摘要: 電機是混合電動力汽車(HEV)的核心部件,,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際的部件前, 先用硬件在環(huán)仿真的方法來測試和驗證控制器的性能是非常必要的.
關(guān)鍵詞: FPGA 仿真器 電機控制 LabView
Abstract:
Key words :

介紹

電機在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色,。出于對安全、成本及效率的考慮,,工程師——尤其是混合電動力汽車(HEV)工程師——往往希望在特定的真實環(huán)境下通過仿真電機模型對電機控制器進行測試,。

由于在經(jīng)濟及環(huán)境等方面展現(xiàn)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際的部件前, 先用硬件在環(huán)仿真的方法來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(shè)計的高速HIL仿真器來實現(xiàn)電機控制器測試,。下圖為HIL測試系統(tǒng),。

 

電機驅(qū)動仿真器包括DC電壓源、逆變器橋路以及電機,。我們支持永磁同步電機(PMSM)及無刷DC電機(BLDC).


為何需要基于FPGA的硬件在環(huán)仿真器

現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)通常由脈沖寬度調(diào)制(PWM)所驅(qū)動,。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,,從而確定門控制信號的狀態(tài),。

時,上面一個電力電子器件的門極控制信號為高, 下面的器件的控制信號為低

時,,上面一個電力電子器件的門極控制信號為低, 下面的器件的控制信號為高

準確檢測門信號的開關(guān)時刻對仿真器正確產(chǎn)生仿真信號來說非常重要,。否則仿真器可能產(chǎn)生抖動、非特征諧波等不準確結(jié)果,,甚至變得不穩(wěn)定,。下圖為PMSM電機驅(qū)動的電流波形仿真結(jié)果。

 

PWM頻率為10 kHz,??梢钥吹剑?0 kHz的仿真循環(huán)速率還不足以讓仿真器及時地檢測出開關(guān)時刻

因此不能獲得精確結(jié)果,。檢測結(jié)果中包含了不想要的諧波分量,,使結(jié)果與期望值偏差很大。而在200 kHz的循環(huán)速率下,,檢測結(jié)果就好了很多,。

為了獲得精確結(jié)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(yīng)用使基于FPGA的方案成為理想選擇,。我們的定點PMSM模型及定點BLDC模型均能在40個FPGA時鐘周期內(nèi)完成一次更新運算,。

提示:有時,期望仿真循環(huán)速率可能超過模擬了I/O所能夠達到的速率,。一般此時無需更新模擬I/O(扭矩輸入,、電流輸出等)來匹配仿真循環(huán)率,用戶可使用多頻編程來保持數(shù)字I/O及仿真循環(huán)處于高速率,,從而用于門信號開關(guān)時刻的精確檢測,,而將模擬I/O設(shè)置于另一個循環(huán)狀態(tài),之后再通過FIFO在兩個不同頻率的循環(huán)間傳輸數(shù)據(jù),。


設(shè)計的前提假設(shè)

a. 電力電子器件的理想開關(guān)模型

將電力電子器件建模為理想開關(guān),,當門信號為真(高)時,開關(guān)為理想的短路電路,。當門信號為假(低)時,,開關(guān)為理想的開路電路。理想開關(guān)模型非常適用于系統(tǒng)級仿真,,此時我們不關(guān)心電力電子器件的寄生效應(yīng),。此外,理想開關(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(shù)學(xué)模型是一組微分方程,。當在FPGA上仿真電機驅(qū)動模型時,實際上是在FPGA上對這些微分方程進行積分,。由于期望的積分步長非常的小,,僅為幾微秒的量級。

所以用戶可選擇最簡單的積分方法,,如歐拉方法,,此方法適用于小步長情況。


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,,用戶需要采集電機參數(shù)及原始數(shù)據(jù)。通過浮點仿真來驗證仿真結(jié)果是否與測量數(shù)據(jù)相符,。然后采用定點仿真來驗證定點電機模型,,確定精度是否達到要求、輸出結(jié)果是否令人滿意,。完成定點模型驗證后,,就可以進入最終部署階段。


應(yīng)對定點實現(xiàn)的挑戰(zhàn)

不同的電機通常具有相差較大的功率級,然而定點數(shù)據(jù)類型的范圍及精度是確定的,,因此選擇合適的定點數(shù)據(jù)類型非常重要,,否則量化誤差就會快速積累從而導(dǎo)致錯誤的仿真結(jié)果。用戶往往難以調(diào)整或校準所有的定點數(shù)配置來適應(yīng)自己的情況,。美國國家儀器公司提供以下方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn),。

a. 歸一化系統(tǒng)

除了使用工程單位外,電氣工程師還使用歸一化系統(tǒng),。歸一化系統(tǒng)將電流,、電壓、速率等統(tǒng)一度量,,使其操作點的歸一化值接近1.0,。歸一化系統(tǒng)的這一特點非常適用于定點實現(xiàn)。通過歸一化可將定點電機模型用于各類不同電機,。

使用歸一化系統(tǒng)以后,,用戶可為定點電機模型選擇確定的預(yù)定義定點數(shù)據(jù)類型。下表為部分選擇列表,。

 

字長

整數(shù)字長

數(shù)據(jù)范圍

歸一化電流

32

5

[-16, 16)

歸一化速率

32

4

[-8, 8)

歸一化電壓

24

4

[-8, 8)


以上選擇都為極端情況(如電流過載等)留有余量,。

確定以上參數(shù)的定點數(shù)據(jù)類型可幫助用戶選擇內(nèi)部計算單位的定點配置,,如下圖中Idq至Iabc的轉(zhuǎn)換,。

 

b. 將部分計算量移至主機

電機仿真過程涉及一些除法操作,如,。此類操作不涉及電流等時變參數(shù),,因此用戶無需每步都更新該值。用戶可將這個除法操作移至主機來運算,,避免在FPGA中進行除法運算的棘手問題,。

因此針對定點電機模型共需兩個VI。主機VI處理一些除法操作及參數(shù)轉(zhuǎn)換工作,;FPGA VI用于仿真目標的定點電機模型,。


案例

下圖顯示了定點PMSM模型在加速及減速過程中的速率及電磁轉(zhuǎn)矩。

 

用戶可在上圖中觀察到減速階段的再生制動效應(yīng),。當電機將能量回饋給DC電源(電池)時,,電磁轉(zhuǎn)矩為負值。


結(jié)論

本文介紹了基于LabVIEW FPGA的電機驅(qū)動仿真器,,可以用來幫助用戶通過NI-RIO硬件創(chuàng)建高速電機驅(qū)動HIL測試,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。