使用基于FPGA的高速硬件在環(huán)仿真器進(jìn)行電機控制器

b. 積分方法

　　電機的數學(xué)模型是一組微分方程。當在FPGA上仿真電機驅動(dòng)模型時(shí)，實(shí)際上是在FPGA上對這些微分方程進(jìn)行積分。由于期望的積分步長(cháng)非常的小，僅為幾微秒的量級。

　　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(cháng)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(hù)需要采集電機參數及原始數據。通過(guò)浮點(diǎn)仿真來(lái)驗證仿真結果是否與測量數據相符。然后采用定點(diǎn)仿真來(lái)驗證定點(diǎn)電機模型，確定精度是否達到要求、輸出結果是否令人滿(mǎn)意。完成定點(diǎn)模型驗證后，就可以進(jìn)入最終部署階段。

應對定點(diǎn)實(shí)現的挑戰

　　不同的電機通常具有相差較大的功率級，然而定點(diǎn)數據類(lèi)型的范圍及精度是確定的，因此選擇合適的定點(diǎn)數據類(lèi)型非常重要，否則量化誤差就會(huì )快速積累從而導致錯誤的仿真結果。用戶(hù)往往難以調整或校準所有的定點(diǎn)數配置來(lái)適應自己的情況。美國國家儀器公司提供以下方案來(lái)應對這些挑戰。

a. 歸一化系統

　　除了使用工程單位外，電氣工程師還使用歸一化系統。歸一化系統將電流、電壓、速率等統一度量，使其操作點(diǎn)的歸一化值接近1.0。歸一化系統的這一特點(diǎn)非常適用于定點(diǎn)實(shí)現。通過(guò)歸一化可將定點(diǎn)電機模型用于各類(lèi)不同電機。

　　使用歸一化系統以后，用戶(hù)可為定點(diǎn)電機模型選擇確定的預定義定點(diǎn)數據類(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。

　　確定以上參數的定點(diǎn)數據類(lèi)型可幫助用戶(hù)選擇內部計算單位的定點(diǎn)配置，如下圖中Idq至Iabc的轉換。

b. 將部分計算量移至主機

　　電機仿真過(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，因此用戶(hù)無(wú)需每步都更新該值。用戶(hù)可將這個(gè)除法操作移至主機來(lái)運算，避免在FPGA中進(jìn)行除法運算的棘手問(wèn)題。

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

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矩。

　　用戶(hù)可在上圖中觀(guān)察到減速階段的再生制動(dòng)效應。當電機將能量回饋給DC電源（電池）時(shí)，電磁轉矩為負值。

結論

　　本文介紹了基于LabVIEW FPGA的電機驅動(dòng)仿真器，可以用來(lái)幫助用戶(hù)通過(guò)NI-RIO硬件創(chuàng )建高速電機驅動(dòng)HIL測試。