使用基于FPGA的高速硬件在環(huán)仿真器進(jìn)行電機(jī)控制器

b. 積分方法

　　電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一組微分方程。當(dāng)在FPGA上仿真電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型時(shí)，實(shí)際上是在FPGA上對(duì)這些微分方程進(jìn)行積分。由于期望的積分步長(zhǎng)非常的小，僅為幾微秒的量級(jí)。

　　所以用戶(hù)可選擇最簡(jiǎn)單的積分方法，如歐拉方法，此方法適用于小步長(zhǎng)情況。

方案流程圖

　　下圖為創(chuàng)建基于FPGA電機(jī)仿真器的流程圖。

　　第一步，用戶(hù)需要采集電機(jī)參數(shù)及原始數(shù)據(jù)。通過(guò)浮點(diǎn)仿真來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果是否與測(cè)量數(shù)據(jù)相符。然后采用定點(diǎn)仿真來(lái)驗(yàn)證定點(diǎn)電機(jī)模型，確定精度是否達(dá)到要求、輸出結(jié)果是否令人滿(mǎn)意。完成定點(diǎn)模型驗(yàn)證后，就可以進(jìn)入最終部署階段。

應(yīng)對(duì)定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)

　　不同的電機(jī)通常具有相差較大的功率級(jí)，然而定點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型的范圍及精度是確定的，因此選擇合適的定點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型非常重要，否則量化誤差就會(huì)快速積累從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的仿真結(jié)果。用戶(hù)往往難以調(diào)整或校準(zhǔn)所有的定點(diǎn)數(shù)配置來(lái)適應(yīng)自己的情況。美國(guó)國(guó)家儀器公司提供以下方案來(lái)應(yīng)對(duì)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(diǎn)的歸一化值接近1.0。歸一化系統(tǒng)的這一特點(diǎn)非常適用于定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)歸一化可將定點(diǎn)電機(jī)模型用于各類(lèi)不同電機(jī)。

　　使用歸一化系統(tǒng)以后，用戶(hù)可為定點(diǎn)電機(jī)模型選擇確定的預(yù)定義定點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型。下表為部分選擇列表。

　　以上選擇都為極端情況（如電流過(guò)載等）留有余量。

　　確定以上參數(shù)的定點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型可幫助用戶(hù)選擇內(nèi)部計(jì)算單位的定點(diǎn)配置，如下圖中Idq至Iabc的轉(zhuǎn)換。

b. 將部分計(jì)算量移至主機(jī)

　　電機(jī)仿真過(guò)程涉及一些除法操作，如。此類(lèi)操作不涉及電流等時(shí)變參數(shù)，因此用戶(hù)無(wú)需每步都更新該值。用戶(hù)可將這個(gè)除法操作移至主機(jī)來(lái)運(yùn)算，避免在FPGA中進(jìn)行除法運(yùn)算的棘手問(wèn)題。

　　因此針對(duì)定點(diǎn)電機(jī)模型共需兩個(gè)VI。主機(jī)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(biāo)的定點(diǎn)電機(jī)模型。

案例

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

　　用戶(hù)可在上圖中觀察到減速階段的再生制動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)電機(jī)將能量回饋給DC電源（電池）時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值。

結(jié)論

　　本文介紹了基于LabVIEW FPGA的電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真器，可以用來(lái)幫助用戶(hù)通過(guò)NI-RIO硬件創(chuàng)建高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)HIL測(cè)試。