使用基于FPGA的高速硬件在環(huán)仿真器進行電機控制器

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。

　　由于在經濟及環(huán)境等方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢，HEV受到了廣泛的關注，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)代電機驅動系統(tǒng)通常由脈沖寬度調制(PWM)所驅動。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時刻對仿真器正確產生仿真信號來說非常重要。否則仿真器可能產生抖動、非特征諧波等不準確結果，甚至變得不穩(wěn)定。下圖為PMSM電機驅動的電流波形仿真結果。

　　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時刻

　　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PMSM模型及定點BLDC模型均能在40個FPGA時鐘周期內完成一次更新運算。

　　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字I/O及仿真循環(huán)處于高速率，從而用于門信號開關時刻的精確檢測，而將模擬I/O設置于另一個循環(huán)狀態(tài)，之后再通過FIFO在兩個不同頻率的循環(huán)間傳輸數據。

設計的前提假設

a. 電力電子器件的理想開關模型

　　將電力電子器件建模為理想開關，當門信號為真（高）時，開關為理想的短路電路。當門信號為假（低）時，開關為理想的開路電路。理想開關模型非常適用于系統(tǒng)級仿真，此時我們不關心電力電子器件的寄生效應。此外，理想開關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。