基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試

張 璐，李忠虎*，王瀟霈，化玉偉

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，包頭 014010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)光熱與風(fēng)能發(fā)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，包頭 014010； 3. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

隨著汽車研發(fā)行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工編寫(xiě)算法代碼的開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)不能滿足需求，電機(jī)控制器測(cè)試涉及提前設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件接口電路，在這個(gè)測(cè)試過(guò)程中開(kāi)發(fā)的算法和編寫(xiě)的程序必須要在所有硬件電路完成后才能測(cè)試算法的正確性，為此一旦測(cè)試過(guò)程中硬件電路出現(xiàn)問(wèn)題，需要從硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始修改[1-2]，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)和開(kāi)發(fā)效率降低等問(wèn)題。利用HIL和快速控制原型(rapid control prototype，RCP)可以節(jié)約成本和縮短時(shí)間，同時(shí)可以方便實(shí)現(xiàn)故障模式注入和故障診斷測(cè)試，對(duì)電機(jī)控制器故障安全測(cè)試有一定的意義[3-5]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于DSP(TMS320F2812)為主控芯片的電動(dòng)汽車用無(wú)刷直流電機(jī)控制器。對(duì)電機(jī)控制器硬件系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]利用Infineon Tricore 1782芯片開(kāi)發(fā)電機(jī)控制單元(motor control unit，MCU)并基于ETAS公司的HIL系統(tǒng)搭建測(cè)試平臺(tái)，完成電機(jī)控制器與硬件在環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)試與測(cè)試，文獻(xiàn)[5]采用基于V流程的模式，利用DSP開(kāi)發(fā)了電機(jī)控制器并利用Typhoon HIL電力電子半實(shí)物仿真平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。然而這些研究雖然開(kāi)發(fā)了電機(jī)控制器，還有利用HIL對(duì)所開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制器進(jìn)行控制功能測(cè)試，但測(cè)試平臺(tái)缺乏故障模式的注入對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行控制功能和故障診斷測(cè)試。

其中故障安全包括故障檢測(cè)、診斷而管理也被應(yīng)用到各個(gè)方面車輛控制系統(tǒng)。在復(fù)雜的電力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有電動(dòng)或混合電動(dòng)兩種車輛，對(duì)于異常狀態(tài)，很難預(yù)測(cè)[6]。因此，故障安全測(cè)試是非常值得優(yōu)先考慮的。在許多情況下，MCU的失效模式試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室里是不容易操作的環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)中的故障模式測(cè)試，如電線短路或開(kāi)路，是特別困難的，因?yàn)樗鼈兒芎臅r(shí)、昂貴且測(cè)試樣本數(shù)量有限。選擇HIL的方法測(cè)試可以在優(yōu)化成本和縮短時(shí)間前提下進(jìn)行故障模式測(cè)試。

在硬件在環(huán)仿真平臺(tái)上搭建逆變器及PMSM的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模型，利用RCP將電機(jī)控制Simulink模型代碼下載到DSP形成電機(jī)控制板，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的線束使得電機(jī)控制板和硬件在環(huán)仿真平臺(tái)接口信號(hào)匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)控制器功能測(cè)試。并在HIL仿真平臺(tái)上測(cè)試控制器基本功能及逆變器開(kāi)路和短路等故障模式，驗(yàn)證控制器控制功能以及故障檢測(cè)算法的可行性。

1 電機(jī)控制器HIL測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

搭建的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它由電機(jī)控制器和HIL測(cè)試平臺(tái)兩部分組成。選取TI公司的TMS320F28335芯片作為電機(jī)控制器，該DSP芯片具有較強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)采集HIL系統(tǒng)發(fā)出的電流和位置信號(hào)[7]。在完成電機(jī)控制策略和故障診斷算法Simulink建模后，通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)下載運(yùn)行在電機(jī)控制DSP中，控制板將6路脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出到逆變器模型，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖 1 電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the motor controller hardware-in-the-loop test platform

圖 2 永磁同步電機(jī)的有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model of permanent magnet synchronous motor

在LabVIEW上建立了永磁同步電機(jī)和三相逆變器的數(shù)學(xué)模型，將模型在FPGA里運(yùn)行編譯，F(xiàn)PGA是一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列技術(shù)，因其是用硬件描述語(yǔ)言建立模型，為此大大提高了實(shí)時(shí)性。

2 HIL系統(tǒng)模型搭建

2.1 永磁同步電機(jī)線性模型

為滿足測(cè)試的需求，考慮仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，根據(jù)d-q軸坐標(biāo)系建立PMSM仿真模型并運(yùn)行在 FPGA里。電壓方程為

(1)

磁鏈方程為

(2)

將式(1)和式(2)進(jìn)行合并，整理微分項(xiàng)移至左側(cè)得

(3)

將式(3)進(jìn)行離散化處理，得到電機(jī)模型中的d-q軸電流迭代表達(dá)式為

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程式為

(5)

電機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)方程式為

(6)

將式(6)進(jìn)行離散化處理，得到電機(jī)模型中的轉(zhuǎn)速迭代表達(dá)式為

(7)

式中：ud、uq分別為d、q軸定子電壓；id、iq分別為d、q軸定子電流；ψd、ψq分別為d、q軸磁鏈分量；ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；R為定子每項(xiàng)電阻；Ld、Lq分別為d、q軸電感；ψf為永磁體磁鏈；Te、TL分別為電機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；np為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

在LabVIEW中，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行公式建立對(duì)應(yīng)的仿真模型。真實(shí)的永磁同步電機(jī)其電感不是常量而是非線性變化的，模型的準(zhǔn)確度影響半實(shí)物仿真平臺(tái)的精度，因此，必須考慮電感的非線性變化。在該系統(tǒng)中，永磁電機(jī)電感參數(shù)和磁通參數(shù)由JMAG軟件創(chuàng)建的有限元模型生成，能夠很好地反映電感的非線性變化，使HIL仿真更接近實(shí)際情況，從而大大提高了電機(jī)的仿真精度[8]。

2.2 永磁同步電機(jī)有限元模型

按照J(rèn)MAG構(gòu)建永磁同步電機(jī)的幾何模型的一般流程，首先設(shè)定材料屬性和邊界條件。如圖 2所示，由有限元模型生成永磁電機(jī)電感參數(shù)和磁通參數(shù)，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)建立永磁同步電機(jī)模型[9]。其極數(shù)4極，定子槽數(shù)24個(gè)，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑60mm，氣隙長(zhǎng)度0.2mm，額定功率1.5kW。

建立的有限元模型電感Ld和Lq分別與電流id和iq關(guān)系的仿真曲線如圖 3、圖 4所示，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的正確性。

圖 3 d軸電感與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 The correspondence between inductance and current on axis d

圖 4 q軸電感與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 The correspondence between inductance and current on axis q

基于有限元的永磁同步電機(jī)模型，同樣也在FPGA中進(jìn)行計(jì)算，在LabVIEW中，通過(guò)調(diào)用讀取的永磁同步電機(jī)RTT文件sub-vi，實(shí)時(shí)獲取JMAG生成的RTT文件中的電感和磁通參數(shù)，并將其輸入電機(jī)模型進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)仿真。

2.3 逆變器模型

實(shí)際的電機(jī)控制器輸出的開(kāi)關(guān)頻率較高，可以達(dá)到100kHz，在LabVIEW軟件中建立逆變器的數(shù)學(xué)模型在FPGA里編譯運(yùn)行從而達(dá)到微秒級(jí)步長(zhǎng)。

以三相橋式逆變器為例，對(duì)其一個(gè)支路分析IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流方向。三相橋式逆變器如圖 5所示。單橋臂具有以下3種狀態(tài)：①V1開(kāi)關(guān)打開(kāi)，V4開(kāi)關(guān)關(guān)閉； ②V4開(kāi)關(guān)打開(kāi)，V1開(kāi)關(guān)關(guān)閉； ③V1和V4開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

V1、V2、V3、V4、V5、V6為6個(gè)開(kāi)關(guān)； Sa、Sb、Sc為橋臂； Udc為逆變器的直流供電壓； Ua、Ub、Uc為a、b、c三相電壓圖 5 兩電平三相電壓型逆變器示意圖Fig.5 Schematic diagram of two level three phase voltage source inverter

通過(guò)ia的方向和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以得到橋臂的輸出電壓[10]。

負(fù)電流時(shí)輸出電壓為

Va=DH(VD+Vdiode)+DZ(VD+Vdiode)-iaDHROR

(8)

式(8)中：DH為高壓側(cè)占空比；DL為低壓側(cè)占空比；DZ=(1-DH-DL)；VD為電池電壓；Vdiode為二極管壓降；ROR為開(kāi)關(guān)電阻狀態(tài)；ia為輸入相電流；Va為相輸出電壓。

零電流時(shí)，輸出電壓可用式(9)表示。在這個(gè)方程中，如果Va>VD+Vdiode，那么Va=VD+Vdiode。如果Va<-Vdiode，那么Va=-Vdiode。若Va介于VD+Vdiode～-Vdiode，則Va保持其值。即

VD+Vdiode≤Va≤-Vdiode

(9)

正電流時(shí)輸出電壓：

Va=DHVD-DLVdiode-DZVdiode-iaDHROR

(10)

2.4 永磁同步電機(jī)控制模型

永磁同步電機(jī)的矢量控制的核心思想是利用d-q坐標(biāo)系將其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單化，采取經(jīng)典的PI控制分別對(duì)id、iq電流進(jìn)行控制[11]，N為實(shí)際轉(zhuǎn)速，N*為設(shè)置參考轉(zhuǎn)速，θ為設(shè)置偏移角度。轉(zhuǎn)速外環(huán)提供電流的參考值，其控制原理圖如圖 6所示。

圖 6 永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of vector control for permanent magnet synchronous motor

2.5 基于模型的FOC自動(dòng)生成代碼

利用Embedded coder實(shí)現(xiàn)Simulink模型到CCS工程的自動(dòng)代碼生成。模型中包含電機(jī)矢量控制部分、傳感器部分及CAN輸入輸出部分等，所搭建的自動(dòng)生成代碼控制器模型部分如圖 7所示。

3 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

如圖 8所示，該系統(tǒng)可以分為上位機(jī)、下位機(jī)、NI線纜等。上位機(jī)采用NI公司LabVIEW軟件建立仿真模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行統(tǒng)一管理及修改參數(shù)；下位機(jī)采用NI的RT實(shí)時(shí)控制器及輸入輸出硬件板卡。其中的FPGA板卡信號(hào)接口速度快，處理器運(yùn)行速度更快。

圖 7 永磁同步電機(jī)矢量控制器模型Fig.7 Vector controller model of permanent magnet synchronous motor

圖 8 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of hardware-in-the-loop simulation platform

圖 9 逆變器故障注入模型Fig.9 Inverter fault injection model

在FPGA運(yùn)行逆變器、電機(jī)等模型，模型中的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)、電流信號(hào)、電壓信號(hào)及位置等輸入輸出信息通過(guò)配置FPGA的I/O與MCU相連接。其余溫度信號(hào)的模擬可以由輸入輸出采集板卡模擬并通過(guò)I/O將信號(hào)傳遞給MCU[12]。采用的NI實(shí)時(shí)控制器配置及板卡的簡(jiǎn)單功能描述如表 1所示。

表 1 PXI實(shí)時(shí)控制器配置及板卡Table1 PXI real-time controller configuration and board card

HIL仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)故障模式注入，實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩種，方式一為配置故障注入板卡，而且一旦配置完成，可在各輪測(cè)試中反復(fù)使用，大幅提高了測(cè)試效率；方式二為通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行故障類型的選擇及故障注入操作[13]，即在逆變器模型中加入故障注入程序，例如逆變器短路、開(kāi)路等LabVIEW中添加逆變器故障模型，可以模擬逆變器開(kāi)路和短路等故障。

采用方式二的故障注入方法，如圖 9所示紅色框?yàn)镮GBT故障注入模型。

4 仿真結(jié)果

在使用HIL模擬器進(jìn)行MCU測(cè)試時(shí)，需要在HIL模擬器與MCU(或RCP)之間進(jìn)行接線。本次測(cè)試給定電機(jī)3種運(yùn)行狀態(tài)來(lái)測(cè)試電機(jī)控制器算法的有效性和性能，第一種運(yùn)行狀態(tài)：轉(zhuǎn)速控制模式讓電機(jī)載0.5 N·m，初始啟動(dòng)速度給定為正轉(zhuǎn)100 r/min；第二種運(yùn)行狀態(tài)：電機(jī)由正轉(zhuǎn)100 r/min繼續(xù)加速到正轉(zhuǎn)200 r/min；第三種狀態(tài)：轉(zhuǎn)矩控制模式在電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)將帶載由0.5 N·m突加到4 N·m。HIL測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 10所示。3種狀態(tài)測(cè)得電機(jī)速度和三相電流分別如圖 11～圖 13所示。

圖 10 HIL測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 HIL test and experiment platform

圖 11 運(yùn)行狀態(tài)1Fig.11 Running status 1

圖 12 運(yùn)行狀態(tài)2Fig.12 Running status 2

圖 13 運(yùn)行狀態(tài)3Fig.13 Running status 3

圖11 ～圖 13顯示了半實(shí)物仿真平臺(tái)可以測(cè)試控制器基本性能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，啟動(dòng)瞬間三相定子電流存在較小的脈動(dòng)；轉(zhuǎn)速增加時(shí)三相電流幅值隨之增加。

a相上橋臂開(kāi)路故障，三相電流幅值發(fā)生變化，控制器能夠通過(guò)調(diào)節(jié)保持在200r/min左右。a橋臂IGBT和二極管短路故障，IGBT最嚴(yán)重的故障是開(kāi)關(guān)元件短路。它會(huì)使車輛失去動(dòng)力，使駕駛員和乘客暴露在危險(xiǎn)中，特別是在高速行駛的環(huán)境下，添加故障后，控制器檢測(cè)到故障后速度經(jīng)過(guò)調(diào)整立即降為0。結(jié)果如圖 14～圖 15所示。

圖 14 逆變器上橋臂開(kāi)路仿真圖Fig.14 Simulation of open circuit of inverter upper bridge arm

圖 15 逆變器上橋臂短路仿真圖Fig.15 Simulation of short circuit of inverter upper bridge arm

5 結(jié)論

在FPGA平臺(tái)上搭建了永磁同步電機(jī)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)，在JMAG軟件中建立了電機(jī)有限元模型，利用HIL測(cè)試平臺(tái)和RCP形成完整的新能源電機(jī)控制器半實(shí)物仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所搭建的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)能夠與電機(jī)控制器協(xié)調(diào)工作，完成電機(jī)控制器動(dòng)態(tài)控制性能的測(cè)試和逆變器開(kāi)路和短路的故障檢測(cè)，該系統(tǒng)不僅可以縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，對(duì)進(jìn)一步研究復(fù)雜故障注入測(cè)試來(lái)驗(yàn)證電機(jī)控制器故障安全邏輯有一定價(jià)值。