介绍
电机在现代生活中扮演着重要人物。出于对安全、本钱及功率的考虑，工程师——尤其是混合电动力轿车(HEV)工程师——往往希望在特定的实在环境下经过仿真电机模型对电机操控器进行测验。
因为在经济及环境等方面展现出的优势，HEV受到了广泛的重视，而电机正是HEV的核心部件。尤其是考虑到HEV的电机及电力电子器材体积大, 本钱高; 在让操控器去操控这些实践的部件前, 先用硬件在环仿真的办法来测验和验证操控器的功能是十分必要的.
本文评论根据FPGA而规划的高速HIL仿真器来完结电机操控器测验。下图为HIL测验体系。
电机驱动仿真器包含DC电压源、逆变器桥路以及电机。咱们支撑永磁同步电机(PMSM)及无刷DC电机(BLDC).
为何需求根据FPGA的硬件在环仿真器
现代电机驱动体系一般由脉冲宽度调制(PWM)所驱动。下图描绘了PWM的基本概念。
电机操控器将参阅波形与三角载波相比较，然后确认门操控信号的状况。
当
时，上面一个电力电子器材的门极操控信号为高, 下面的器材的操控信号为低
当
时，上面一个电力电子器材的门极操控信号为低, 下面的器材的操控信号为高
准确检测门信号的开关时间对仿真器正确发生仿真信号来说十分重要。不然仿真器或许发生颤动、非特征谐波等不准确成果，乃至变得不稳定。下图为PMSM电机驱动的电流波形仿真成果。
PWM频率为10 kHz。能够看到，50 kHz的仿真循环速率还不足以让仿真器及时地检测出开关时间
因而不能取得准确成果。检测成果中包含了不想要的谐波重量，使成果与希望值差错很大。而在200 kHz的循环速率下，检测成果就好了许多。
为了取得准确成果，仿真器的采样距离有必要比操控器的PWM周期小许多。如此高循环速率的运用使根据FPGA的计划成为抱负挑选。咱们的定点PMSM模型及定点BLDC模型均能在40个FPGA时钟周期内完结一次更新运算。
提示：有时，希望仿真循环速率或许超越模仿了I/O所能够到达的速率。一般此刻无需更新模仿I/O(扭矩输入、电流输出等)来匹配仿真循环率，用户可运用多频编程来坚持数字I/O及仿真循环处于高速率，然后用于门信号开关时间的准确检测，而将模仿I/O设置于另一个循环状况，之后再经过FIFO在两个不同频率的循环间传输数据。
规划的条件假定
a. 电力电子器材的抱负开关模型
将电力电子器材建模为抱负开关，当门信号为真（高）时，开关为抱负的短路电路。当门信号为假（低）时，开关为抱负的开路电路。抱负开关模型十分适用于体系级仿真，此刻咱们不关心电力电子器材的寄生效应。此外，抱负开关模型可大幅提高仿真速度。
关于电力电子器材的热丢失，能够核算其等效电阻，并将此电阻值计入电机的总电阻。
b. 积分办法
电机的数学模型是一组微分方程。当在FPGA上仿真电机驱动模型时，实践上是在FPGA上对这些微分方程进行积分。因为希望的积分步长十分的小，仅为几微秒的量级。
所以用户可挑选最简略的积分办法，如欧拉办法，此办法适用于小步长状况。
计划流程图
下图为创立根据FPGA电机仿真器的流程图。
第一步，用户需求收集电机参数及原始数据。经过浮点仿真来验证仿真成果是否与丈量数据相符。然后选用定点仿真来验证定点电机模型，确认精度是否到达要求、输出成果是否令人满意。完结定点模型验证后，就能够进入终究布置阶段。
应对定点完结的应战
不同的电机一般具有相差较大的功率级，但是定点数据类型的规模及精度是确认的，因而挑选适宜的定点数据类型十分重要，不然量化差错就会快速堆集然后导致过错的仿真成果。用户往往难以调整或校准一切的定点数装备来习惯自己的状况。美国国家仪器公司供给以下计划来应对这些应战。
a. 归一化体系
除了运用工程单位外，电气工程师还运用归一化体系。归一化体系将电流、电压、速率等一致衡量，使其操作点的归一化值挨近1.0。归一化体系的这一特色十分适用于定点完结。经过归一化可将定点电机模型用于各类不同电机。
运用归一化体系今后，用户可为定点电机模型挑选确认的预界说定点数据类型。下表为部分挑选列表。
|
|
字长 |
整数字长 |
数据规模 |
|
归一化电流 |
32 |
5 |
[-16, 16) |
|
归一化速率 |
32 |
4 |
[-8, 8) |
|
归一化电压 |
24 |
4 |
[-8, 8) |
以上挑选都为极点状况（如电流过载等）留有余量。
确认以上参数的定点数据类型可协助用户挑选内部核算单位的定点装备，如下图中Idq至Iabc的转化。
b. 将部分核算量移至主机
电机仿真进程触及一些除法操作，如
。此类操作不触及电流等时变参数，因而用户无需每步都更新该值。用户可将这个除法操作移至主机来运算，防止在FPGA中进行除法运算的扎手问题。
因而针对定点电机模型共需两个VI。主机VI处理一些除法操作及参数转化作业；FPGA VI用于仿真方针的定点电机模型。
事例
下图显现了定点PMSM模型在加快及减速进程中的速率及电磁转矩。
用户可在上图中观察到减速阶段的再生制动效应。当电机将能量回馈给DC电源（电池）时，电磁转矩为负值。
定论
本文介绍了根据LabVIEW FPGA的电机驱动仿真器，能够用来协助用户经过NI-RIO硬件创立高速电机驱动HIL测验。
