使用基于FPGA的高速硬件在環(huán)仿真器進行電機控制器測試

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)。

　　當時，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

　　當時，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。可以看到，50 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。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)配置來適應自己的情況。美國國家儀器公司提供以下方案來應對這些挑戰(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定義定點數(shù)據(jù)類型。下表為部分選擇列表。

　　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。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。