使用基于FPGA的高速硬件在環仿真器進行電機控制器

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。

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。

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

　　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。

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。

結論

　　本文介紹了基于LabVIEW FPGA的電機驅動仿真器，可以用來幫助用戶通過NI-RIO硬件創建高速電機驅動HIL測試。