車用電機硬件在環(huán)實時仿真與測試平臺

車用電機硬件在環(huán)實時仿真與測試平臺高瑾;黃洋;宋石陽;姜淑影;黃蘇融【摘要】車用內(nèi)置式永磁電機功率密度高,參數(shù)非線性變化顯著.針對此情況，本文在高速FPGA芯片上建立車用永磁電機的非線性模型，與真實控制器連接，構(gòu)建了硬件在環(huán)半實物實時仿真與測試平臺(HIL-bench).利用兩臺產(chǎn)品級車用永磁電機組成共直流母線互饋對拖平臺(M/G-bench),與所構(gòu)建的實時仿真測試平臺進行對比.測試轉(zhuǎn)速范圍從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁區(qū),測試轉(zhuǎn)矩從輕載到額定負(fù)載.對比結(jié)果表明，在高速指標(biāo)方面川IL-bench系統(tǒng)仿真步長已達(dá)到1ps;在逼近現(xiàn)實工況指標(biāo)方面，兩個平臺的平均誤差為4.15%.【期刊名稱】《電工技術(shù)學(xué)報》【年(卷)，期】2014(029)011【總頁數(shù)】8頁(P99-106)【關(guān)鍵詞】車用永磁電機;硬件在環(huán);非線性;對拖【作者】高瑾;黃洋;宋石陽;姜淑影;黃蘇融【作者單位】上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院上海200072;上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院上海200072;上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院上海200072;上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院上海200072;上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院上海200072【正文語種】中文【中圖分類】TM3151引言內(nèi)置式永磁同步電機（IPMSM）在當(dāng)前電動汽車驅(qū)動中的應(yīng)用是比較廣泛的［1,2］。IPMSM的參數(shù)非線性變化是影響其性能的一個重要原因，電流［3］、溫度［4,5］等因素對參數(shù)的非線性都有不同程度的影響，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，這種非線性的變化更加明顯。為了提高仿真的可信度，取得逼近現(xiàn)實的仿真結(jié)果，上述非線性問題在建模時應(yīng)予以考慮，這無疑增大了建模的復(fù)雜性。半實物實時仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無人機自動測試跟蹤［6］、飛行器姿態(tài)控制［7］及飛船太空艙的水平和垂直自由度的控制［8］等航空領(lǐng)域，它是將系統(tǒng)的一部分用仿真模型來等效，保留了另一部分實物，兩者連接后實時運行。半實物實時仿真目前分為兩大類：快速控制原型（RapidControlPrototype,RCP）與硬件在環(huán)（Hardware-in-Loop,HIL）。在電機驅(qū)動領(lǐng)域，RCP采用虛擬控制器，與真實逆變器、真實電機連接后實時運行［9］；HIL采用虛擬電機，與真實控制器連接后實時運行［10］。半實物實時仿真繼承了傳統(tǒng)離線仿真的一系列優(yōu)點，如可行性驗證、縮短開發(fā)周期等。與離線仿真相比，它還有兩個突出特點：①半實物；②實時性。以硬件在環(huán)為例，由于運行是實時的，對于系統(tǒng)中的真實控制器來說，它并不能判斷所連接的控制對象是真實電機還是虛擬電機，當(dāng)然前提是虛擬電機要足夠逼近真實電機。從中可以看出半實物實時仿真在極端工況或故障容錯測試等方面具有較好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)高校已開始了電機驅(qū)動系統(tǒng)實時仿真的研究，文獻(xiàn)［11］采用德國dSPACE公司的DS1103構(gòu)建了虛擬電機，其仿真步長在15ps左右。近五年來，為提高實時性，可并行運算的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）芯片得到越來越多的應(yīng)用［12,13］。至2010年，國內(nèi)分別構(gòu)建了三相［14］與五相［15］IPMSM的實時仿真平臺，并進行了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)常規(guī)控制（最大轉(zhuǎn)矩電流比）與無速度傳感器控制（高頻信號注入法與滑模觀測器）的實時運行［16］。其電機模型仍然為理想?yún)?shù)，最快仿真步長接近4卜。為提高實時仿真精度，文獻(xiàn)［17,18］對兩種離散算法Shiftoperator和Delta-operator進行了比較，表明后者可以避免定點數(shù)據(jù)格式匹配問題，同時優(yōu)化了FPGA資源，從而獲得精度較高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)位適宜的電機模型。半實物實時仿真的另一個應(yīng)用是在電力電子變換器領(lǐng)域，包括器件設(shè)計［19］、多電平變換器［20］及變換器暫態(tài)過程［21］的仿真。綜上所述，實時性與逼近現(xiàn)實工況，即速度與精度，是半實物實時仿真的兩個重要指標(biāo)。針對車用高密度永磁同步電機，本文構(gòu)建了硬件在環(huán)實時仿真平臺（HIL-bench）,其仿真步長達(dá)到13,以滿足實時性的要求；在FPGA芯片上對車用IPMSM進行非線性建模，以提高逼近現(xiàn)實工況的精度。最后用兩臺相同規(guī)格的產(chǎn)品級車用IPMSM組成“電動機/發(fā)電機”對拖平臺（M/G-bench）。將兩個平臺的試驗結(jié)果進行對比。論文第1部分為IPMSM的FPGA非線性建模的說明，第2部分為模型的具體實現(xiàn)，第3部分為兩個平臺的組成，第4部分為試驗結(jié)果的分析及對比，第5部分為結(jié)論。2車用IPMSM的非線性參數(shù)在IPMSM眾多參數(shù)中，電感的非線性變化是影響IPMSM控制效果的一個關(guān)鍵。實驗樣機為兩臺已量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，其主要參數(shù)見表1。僅考慮飽和效應(yīng)時，直軸電感Ld基本保持恒值0.074mH，交軸電感Lq從0.14mH變化到0.21mH，變化幅度約為50%。電流越大，飽和程度越深，Lq隨電流幅值增大呈下降趨勢（見圖1）。進一步考慮交叉耦合效應(yīng)，則交、直軸之間相互影響（見圖2）。直軸電流id較小時，不足以引起直軸磁路飽和；交軸電流iq對直軸的交叉耦合影響較明顯（見圖2a）。圖1直軸、交軸非線性電感（飽和效應(yīng)）Fig.1Non-linearinductanceofdirect-axisandquadrature-axis（saturationeffectonly）圖2直軸、交軸非線性電感（交叉耦合效應(yīng)）Fig.2Non-linearinductanceofdirect-axisandquadrature-axis（cross-coupleeffect）為綜合考察非線性因素的影響，在id-iq平面上繪制恒定常數(shù)軌跡和非線性參數(shù)軌跡。恒定常數(shù)（Ld=0.074mH,Lq=0.2mH,pf=0.0426Wb,R=0.3Q）軌跡包括電壓極限橢圓、電流極限圓、恒轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）軌跡（見圖3實線）。非線性參數(shù)軌跡包括電感飽和效應(yīng)、交叉耦合效應(yīng)、逆變器輸出電壓基波效應(yīng)、永磁體磁鏈與電機電阻取75°C時的常值（該溫度為車用電機冷卻水的正常工作溫度）（見圖3數(shù)據(jù)點）。由圖3可知：負(fù)載越輕，兩類曲線吻合得越好，當(dāng)負(fù)載超過50%額定值之后，兩類曲線之間的差別越來越大（見圖3a）。繪制恒定參數(shù)曲線時，參數(shù)的取值在深飽和區(qū)，故轉(zhuǎn)速越高，兩類曲線的吻合程度越好（見圖3b）。將非線性數(shù)據(jù)點擬合（見圖3c），以用于設(shè)計控制程序中的給定電流指令查找表。圖3理想?yún)?shù)與非線性參數(shù)（飽和效應(yīng)、交叉耦合效應(yīng)、75C時的永磁體磁鏈，75C的電阻）的軌跡對比Fig.3Locusofideal&non-linearparametersinid-iqframe3驅(qū)動系統(tǒng)的FPGA建模3.1逆變器的FPGA建模以電壓型三相逆變器為原型，建模采用文獻(xiàn)［15,16］中提出的方法，該模型考慮了IGBT和二極管的管壓降及續(xù)流過程。采用Verilog語言編寫代碼，再生成模塊化結(jié)構(gòu)。逆變器的理想數(shù)學(xué)模型在FPGA上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。模塊采用同步時序的方法設(shè)計，根據(jù)輸入PWM信號的高低及電流的方向，先求出逆變器三個橋臂輸出端電壓uao、ubo、uco，再計算電機中性點電壓uno，然后得到三相相電壓uan、ubn、ucn。同步模塊確保各模塊運算時序同步。圖4電壓型逆變器的硬件在環(huán)FPGA建模Fig.4FPGA-ModelingofVSIinverterforhardware-in-the-loopreal-timesimulation電機中性點電壓按照式1計算三相相電壓為3.2IPMSM的FPGA建模FPGA建模的實質(zhì)是利用硬件描述語言，在FPGA中實現(xiàn)電機的離散數(shù)學(xué)方程。在電機高速、重載的工況下，電感會飽和。常見的根據(jù)dq軸數(shù)學(xué)模型進行建模，則假定電感值是常數(shù)。為提高HIL精確度，考慮電感的非線性至關(guān)重要。其中，電機飽和效應(yīng)對交直軸電感的影響可表示為式中，交、直軸磁鏈均是電流的函數(shù)為借助有限元軟件的計算，可知在一個控制周期內(nèi)，電感隨電流的變化率：ALd（id）/AidsALq（iq）/Aiq較小，可忽略不計，對式（3）、式（4）進行整理，電流表達(dá)式簡化為用前向歐拉法對式（5）進行離散化處理（其中T為離散周期），得dq軸電流的迭代表達(dá)式為電磁轉(zhuǎn)矩方程為角速度迭代方程為交、直軸電感值隨交、直軸電流的變化規(guī)律用有限元軟件離線仿真而得到，然后制成FPGA中可用的數(shù)據(jù)表。建模時，利用命令重新定向技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為mif格式，以便Quartus中的LPM_ROM調(diào)用，實現(xiàn)模型運行過程中可實時查表，從而獲得電感的實時變化值。FPGA電機實時仿真模型（虛擬電機）包含電磁和機械兩部分（見圖5），主要包含以下模塊：相電壓三相靜止-兩相旋轉(zhuǎn)（3s-2r）坐標(biāo)變換，dq軸電流計算和相電流兩相旋轉(zhuǎn)/三相靜止（2r-3s）坐標(biāo)變換、電磁轉(zhuǎn)矩計算、電角速度計算和電角度計算等。其中，dq軸電流模塊和轉(zhuǎn)矩模塊中加入了非線性電感實時查表模塊。圖5車用IPMSM硬件在環(huán)的FPGA建模Fig.5FPGAmodelingofHILforEVIPMSM注：圖中①電壓3/2變換，②電流計算，③電流2/3變換，④電磁轉(zhuǎn)矩計算，⑤轉(zhuǎn)速計算，⑥轉(zhuǎn)子位置計算，⑦Ld地址生成，⑧Lq地址生成，⑨Plug-inROM，⑩有限元計算，?狀態(tài)方程系數(shù)計算，?數(shù)據(jù)格式匹配。4試驗平臺本文設(shè)計了兩個平臺，第一個平臺是硬件在環(huán)實時仿真與測試平臺（HIL-bench）；第二個平臺是雙電機（電動機/發(fā)電機）對拖平臺（M/G-bench）。這兩個平臺采用相同的電機控制器DS1103。以第二個平臺的測試結(jié)果為依據(jù)，對第一個平臺進行驗證。4.1硬件在環(huán)實時仿真平臺HIL-benchHIL-bench平臺（見圖6）包括兩部分硬件：虛擬電機和電機控制器，其中虛擬電機包括FPGA核心板及調(diào)理電路。圖6車用IPMSM硬件在環(huán)平臺HIL-benchFig.6HIL-benchofEVIPMSM（1）六路并行高速D-A，提供相電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)變壓器等模擬信號輸出。（2） 12路位置信號和3路光編信號輸出，作為虛擬電機狀態(tài)輸出信號。（3） PWM信號輸入，電機控制器的輸出信號，也通過磁耦與控制器隔離。（4） 串行通信，接口通過CP2102芯片轉(zhuǎn)化為USB通信協(xié)議，便于與上位機相連。DS1103通過DS815TransmitterCard通訊卡與上位機相連，實現(xiàn)DS1103控制器主板與上位機的通訊。FPGA虛擬電機通過USB-Blaster與上位機相連，實現(xiàn)上位機與數(shù)字化虛擬電機之間數(shù)據(jù)的傳輸。DS1103主板通過專門設(shè)計的接口板與虛擬電機系統(tǒng)進行信號交換，接口板要能匹配二者的輸入輸出接口。在該接口板上，可以觀察虛擬電機的模擬信號輸出，如電流信號、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號及轉(zhuǎn)子位置信號等。為提高運算速度，從系統(tǒng)時鐘頻率（50MHz）、模塊化與層次化、同步時序三個方面進行改進，系統(tǒng)實時仿真步長達(dá)到13。4.2電動機/發(fā)電機對拖平臺M/G-bench對拖平臺M/G-bench采用共用直流母線結(jié)構(gòu)（見圖7）,系統(tǒng)主要由直流電源柜、兩套逆變器、兩臺參數(shù)相同的IPMSM（主要參數(shù)見表1）、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、兩套DS1103控制器、上位機、水箱組成。兩臺IPMSM通過聯(lián)軸器同軸相連。圖7車用IPMSM共直流母線電動機發(fā)電機對拖平臺Fig.7CommonDCbusmotor/generatorbenchofEVIPMSM表1電機主要參數(shù)Tab.1TheparametersofIPMSMM/G-bench中兩臺IPMSM完全相同，將其中做電動機運行的標(biāo)示為M，做發(fā)電機運行的標(biāo)示為G。M工作于轉(zhuǎn)速閉環(huán)狀態(tài)，G工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，控制G的輸出即可改變M的負(fù)載。M由直流母線供電，拖動G轉(zhuǎn)動，G將能量通過逆變器回饋至直流母線。這種方式利于節(jié)能，對于功率較大的電機，節(jié)能效果明顯，直流柜最終輸出的能量僅為系統(tǒng)的全部損耗。扭矩傳感器為MAGTROL公司的TorqueMasterTM311，其額定扭矩100N-m,過載能力200%，精度v0.1%，內(nèi)置自檢測試功能，可提供0至±10V扭矩信號輸出。5試驗結(jié)果與分析兩個平臺所用控制策略完全相同，基速以下為〃轉(zhuǎn)矩/電流”最大的MTPA控制，基速以上為弱磁控制。從啟動到試驗最高速，均采用查找表方式來確定交直軸電流的給定值。兩個平臺的一個明顯區(qū)別在于負(fù)載，HIL-bench實時仿真平臺的負(fù)載是人為給定的數(shù)字量，M/G-bench對拖平臺的負(fù)載由發(fā)電運行的電機G來產(chǎn)生，兩臺電機采用串聯(lián)式集中水冷，試驗過程中冷卻水溫保持在75。^5.1M/G-bench試驗結(jié)果用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和MAGTROL公司配套的軟件Torque1.0實時顯示轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速（見圖8）,直流母線電壓為100V。測試了六個不同負(fù)載的調(diào)速過程。以圖8a為例，試驗時首先啟動牽引電機M，并調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1000r/min;再啟動負(fù)載電機G，并通過控制轉(zhuǎn)矩指令，使軸上輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到并維持在10N-m;在25s時刻給定轉(zhuǎn)速1500r/min，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后繼續(xù)調(diào)節(jié)。同理，分別在50s、80s、120s、160s、235s時刻，轉(zhuǎn)速給定階躍值分別為2000r/min、2500r/min、2800r/min、3000r/min、3200r/min。然后分別在290s、325s、375s、440s、510s、600s時刻，將轉(zhuǎn)速給定值分別降到3000r/min、2800r/min、2500r/min、2000r/min、1500r/min、1000r/min。在上述調(diào)速過程，用示波器保存電流傳感器測量出的電動機M的相電流波形。圖8車用IPMSM對拖平臺試驗結(jié)果Fig.8Testresultofmotor/generatorbenchofEVIPMSM5.2電流的對比1（多工況）圖9id-iq平面上兩個平臺的試驗電流（。：HIL-bench;☆:motor/generatorbench）Fig.9Testresultofcurrentofmotor/generatorbenchandHIL-benchinid-iqframe將不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載的試驗結(jié)果繪制在同一個id-iq平面上（見圖9）。其中MTPA、恒轉(zhuǎn)矩、電壓極限等軌跡均是根據(jù)圖3c得到的，即考慮了飽和、交叉耦合、PWM調(diào)制方式、溫度等非線性因素后擬合而成。HIL-bench平臺的工作點略高于M/G-bench對拖平臺的工作點。原因在于前者的負(fù)載屬人為給定的理想值，其實質(zhì)為電磁轉(zhuǎn)矩。而后者為實際測量的軸上輸出轉(zhuǎn)矩，扣除了摩擦、風(fēng)阻、鐵耗、銅耗等因素，并不是電磁轉(zhuǎn)矩。5.3電流的對比2（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）HIL-bench可以輸出信號電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置等模擬量，便于示波器觀測。選取負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=60N?m的穩(wěn)態(tài)工況，將兩個平臺的相電流進行對比（見圖10）。兩個平臺穩(wěn)態(tài)電流峰值對比見表2，電流誤差數(shù)據(jù)處理時，以對拖平臺的實驗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。圖10兩個平臺的試驗電流（TL=60N-m）Fig.10Testresultofcurrentofmotor/generatorbenchandHIL-bench（TL=60N-m）6結(jié)論本文構(gòu)建了一種車用電機硬件在環(huán)實時仿真平臺，重點解決了非線性參數(shù)在FPGA中的實時建模問題。以M/G-bench對拖平臺為參照，進行了對比驗證。結(jié)果表明，HIL-bench的仿真步長達(dá)到1ps，兩個平臺的平均誤差為4.15%。表2各工況下兩個平臺的電流峰值及其誤差Tab.2Maximumphase-current&erroroftwobenchesindifferentworking-conditions參考文獻(xiàn)RahmanMA,ChibaA,FukaoT.Superhighspeedelectricalmachinessummary[C].IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,USA,2006:1-4.ZwyssingC,KolarJW,ThalerW,etal.Designofa100W,500000r/minpermanentmagnetgeneratorformeso-scalegastubines[C].IEEEIndustryApplicationsSociety40thAnnualMeeting,HongKang,China,2005:253-260.宮海龍，柴鳳，程樹康.高轉(zhuǎn)矩永磁輪轂電機電感參數(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(21):61-66.GongHailong,ChaiFeng,ChengShukang.Researchoninductanceparametersofhightorquepermanentmagnetin-wheelmotor[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(21):61-66.WrobelR,MlotA,MellorPH.Contributionofendwindingproximitylossestotemperaturevariationinelectromagneticdevices[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2012,59(2):848-857.LiuKan,ZhangQiao,ChenJintao,etal.Onlinemulti-parameterestimationofnonsalientpolePMsynchronousmachineswithtemperaturevariationtracking[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronic,2011,58(5):1776-1788.LinFeng,DongXiangxu,ChenBenM,etal.Arobustreal-timeembeddedvisionsystemonanunmannedrotorcraftforgroundtargetfollowing[J].IEEETransactiononIndustrialElectronics,2012,59(2):1038-1048.SangWJeon,SeulJung,Hardware-in-the-loopsimulationforthereactioncontrolsystemusingPWM-basedlimitcycleanalysis[J].IEEETransactionsonControlSystemTechnology,2012,20(2):538-545.ChangTongli.Researchonexperimentalvalidationprocedureofdynamicshardwareintheloop[C].IEEEInternationalConferenceonIntelligentSystemDesignandEngineeringApplicationSimulationSystem,2010:200-204.孫紅飛，王樂英.dSPACE電機控制平臺的設(shè)計與矢量控制的實現(xiàn)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報,2011,27(4):16-19.SunHongfei,WangLeying.Designofdspacemotorcontrolplatformandvectorcontrolimplementation[J].JournalofTianjinUniversityofTechnology,2011,27(4):16-19.UmamaheswariMG,UmaG,VijayalakshmiKM.Designandimplementationofreduced-orderslidingmodecontrollerforhigher-orderpowerfactorcorrectionconverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,4(9):984-992.盧子廣，柴建云,王祥玲，等，電力驅(qū)動系統(tǒng)實時控制虛擬實驗平臺[J].中國電機工程學(xué)報,2003,23(4):119-123.LuZiguang,ChaiJianyun,WangXiangheng,etal.Virtualtestplatformforreal-timecontrolofelectricaldrives[J].ProceedingsoftheCSEE,2003,23(4):119-123.HuangSurong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