1. 介紹

電機在現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。

由于在經濟及環境等方面展現出的優勢，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仿真器來實現電機控制器測試。下圖為HIL測試系統。

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).

2. 為何需要基于FPGA的硬件在環仿真器

現代電機驅動系統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。

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)來匹配仿真循環率，用戶可使用多頻編程來保持數字I/O及仿真循環處于高速率，從而用于門信號開關時刻的精確檢測，而將模擬I/O設置于另一個循環狀態，之后再通過FIFO在兩個不同頻率的循環間傳輸數據。

3. 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。

b. 積分方法

電機的數學模型是一組微分方程。當在FPGA上仿真電機驅動模型時，實際上是在FPGA上對這些微分方程進行積分。由于期望的積分步長非常的小，僅為幾微秒的量級。

所以用戶可選擇最簡單的積分方法，如歐拉方法，此方法適用于小步長情況。

4. 方案流程圖

下圖為創建基于FPGA電機仿真器的流程圖。

第一步，用戶需要采集電機參數及原始數據。通過浮點仿真來驗證仿真結果是否與測量數據相符。然后采用定點仿真來驗證定點電機模型，確定精度是否達到要求、輸出結果是否令人滿意。完成定點模型驗證后，就可以進入最終部署階段。

5. 應對定點實現的挑戰

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

a. 歸一化系統

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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，使其操作點的歸一化值接近1.0。歸一化系統的這一特點非常適用于定點實現。通過歸一化可將定點電機模型用于各類不同電機。

使用歸一化系統以后，用戶可為定點電機模型選擇確定的預定義定點數據類型。下表為部分選擇列表。

以上選擇都為極端情況（如電流過載等）留有余量。

確定以上參數的定點數據類型可幫助用戶選擇內部計算單位的定點配置，如下圖中Idq至Iabc的轉換。

b. 將部分計算量移至主機
電機仿真過程涉及一些除法操作，如。此類操作不涉及電流等時變參數，因此用戶無需每步都更新該值。用戶可將這個除法操作移至主機來運算，避免在FPGA中進行除法運算的棘手問題。

因此針對定點電機模型共需兩個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電機模型。

6. 案例

下圖顯示了定點PMSM模型在加速及減速過程中的速率及電磁轉矩。

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