基于NI VeriStand和JMAG-RT進(jìn)行高性能電機(jī)仿真

概覽
 

NI VeriStand的JMAG附件將NI實(shí)時(shí)測(cè)試軟件技術(shù)與JMAG-RT結(jié)合，JMAG-RT是JSOL公司JMAG有限元分析（FEA）工具套件中的一部分。借助于該軟件模塊，您可以使用NI VeriStand輕松地實(shí)時(shí)運(yùn)行高仿真有限元電機(jī)模型。這樣的電機(jī)仿真精確度極高，可減少花費(fèi)在昂貴的物理測(cè)試上的時(shí)間。您可以使用Windows操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)在仿真環(huán)境中運(yùn)行模型，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)（HIL）仿真 ，或使用NI可重配置的I / O（RIO）硬件進(jìn)行以FPGA為基礎(chǔ)的HIL仿真，實(shí)現(xiàn)最佳性能。

JSOL公司與NI合作開(kāi)發(fā)了用于NI VeriStand的JMAG附加軟件模塊，JSOL是JMAG機(jī)電設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仿真軟件的締造者。該附加軟件模塊使用由FEA生成的電感與反電動(dòng)勢(shì)（EMF）數(shù)據(jù)，進(jìn)行電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)產(chǎn)生非正弦通量和電流，經(jīng)典的D-Q模型就不再適用，這時(shí)就需要采用FEA技術(shù)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)制造商采用了高速電機(jī)，這對(duì)于優(yōu)化生產(chǎn)空間和成本來(lái)說(shuō)十分重要。 
 
圖1. NI VeriStand和JMAG RT相結(jié)合，提供了前所未有的仿真精度和運(yùn)行速度。
電機(jī)的多種用途
 

電機(jī)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大， 其在綠色能源領(lǐng)域的應(yīng)用也為嵌入式控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和測(cè)試工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，速度便是其一。電子驅(qū)動(dòng)引擎控制單元（ECU）控制算法的運(yùn)行速度必須遠(yuǎn)快于內(nèi)部燃燒引擎的動(dòng)力傳達(dá)ECU。更快的速度需求使得傳統(tǒng)的HIL測(cè)試不足以支持測(cè)試電機(jī)ECU。而電機(jī)的仿真必須具備高仿真精度，HIL測(cè)試系統(tǒng)則必須在1 µs的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行仿真模型，以充分顯示電機(jī)的實(shí)際操作。之前，高精度仿真和高速度運(yùn)行似乎不可能并存，許多測(cè)試工程師不得不因此采用更為昂貴的測(cè)功器或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證他們的嵌入式軟件。
 
 
圖2. 該略圖顯示了電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試的不同階段。
基于有限元分析（FEA）仿真的益處
 

在進(jìn)行高級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真時(shí)，工程師面臨的最大的挑戰(zhàn)之一就是如何同時(shí)保證模型的仿真度和仿真步長(zhǎng)時(shí)間。雖然簡(jiǎn)單的常量參數(shù)D-Q模型足以進(jìn)行部分HIL測(cè)試，但模型的高仿真精度在高級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中很多時(shí)候也是必須的。高精度的仿真可用于高效率電機(jī)應(yīng)用程序中控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化，該應(yīng)用在汽車(chē)和能源行業(yè)中非常常見(jiàn)。使用高仿真的JMAG FEA模型，您可以對(duì)復(fù)雜、非理想行為進(jìn)行仿真，如齒輪扭矩，并設(shè)計(jì)控制器來(lái)減少扭矩脈動(dòng)。 同樣地，您可以對(duì)高電流時(shí)的電機(jī)電感變化進(jìn)行仿真，高電流對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響很大，還能相應(yīng)地測(cè)試控制器。而仿真度低的模型并不能完全對(duì)齒輪扭矩、高電流時(shí)的電機(jī)電感，以及其他非線性進(jìn)行仿真，由此便會(huì)降低HIL測(cè)試的有效性。為了充分測(cè)試嵌入式控制軟件，測(cè)試人員不得不進(jìn)行更多的實(shí)地測(cè)試，并增加開(kāi)發(fā)時(shí)間。
 
 
圖3. 扭矩計(jì)算中包含了D-Q模型、離線JMAG模型和JMAG-RT模型，D-Q模型對(duì)扭矩的平均值進(jìn)行仿真，而JMAG與JMAG-RT模型對(duì)扭矩失真進(jìn)行仿真。
 

在FEA仿真中，電機(jī)模型極其精確，且具有高精度，可充分體現(xiàn)電機(jī)中的非線性 。然而，這種高精真的仿真耗時(shí)嚴(yán)重，之前來(lái)說(shuō)還是天方夜譚。設(shè)計(jì)工程師們不得不測(cè)量電機(jī)參數(shù)，并在后處理過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 對(duì)于復(fù)雜的電機(jī)模型，該過(guò)程需要花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)。NI與JSOL公司合作，借助其FEA工具、JMAG和JMAG-RT，可生成高精度模型，再搭配使用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件和NI VeriStand軟件來(lái)配置實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用程序，最終完成驗(yàn)證任務(wù)。 通過(guò)這樣的方式，NI滿足了電機(jī)測(cè)試和仿真中的主要需求?，F(xiàn)在您可以使用LabVIEW FPGA和基于FPGA的NI RIO硬件，從而以微秒的速度運(yùn)行FEA電機(jī)模型。這些模型可精確地仿真復(fù)雜的非線性行為， 然后您就可以將在FPGA中運(yùn)行的模型連接至其它硬件，以高I / O速率進(jìn)行完整測(cè)試。
用于NI VeriStand的JMAG附加軟件
 

NI VeriStand是基于配置的軟件環(huán)境，可用于創(chuàng)建實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用。其即買(mǎi)即用的特點(diǎn)可幫助您進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)主機(jī)通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵(lì)生成，以及報(bào)警檢測(cè)和響應(yīng)。NI VeriStand從仿真測(cè)試到HIL測(cè)試的轉(zhuǎn)換相當(dāng)快速，可讓您復(fù)用測(cè)試組件，包括測(cè)試文件、預(yù)警、步驟和分析程序等。您可以輕松地重新映射模型、硬件通道等參數(shù)，以促成真實(shí)I / O。如此簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換能夠節(jié)省您的回歸測(cè)試時(shí)間，并幫助您使用NI TestStand等測(cè)試執(zhí)行軟件完成自動(dòng)化測(cè)試。
 

NI VeriStand具備開(kāi)放的框架，可通過(guò)實(shí)時(shí)插件創(chuàng)建特定應(yīng)用功能，這為測(cè)試系統(tǒng)提供了最大的靈活性。您可以借助NI VeriStand的JMAG附件在HIL測(cè)試中運(yùn)行具有高精度的實(shí)時(shí)模型。它能夠啟動(dòng)內(nèi)聯(lián)FEA仿真，將分析時(shí)間從幾小時(shí)縮短至微秒。您還可在NI PXI實(shí)時(shí)控制器上運(yùn)行具備中等精度的FEA模型，其仿真步長(zhǎng)約為20至30μs。在基于NI RIO的FPGA上運(yùn)行FEA模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真度要求極高的應(yīng)用程序。這些基于FPGA的模型的步長(zhǎng)可低達(dá)1µs。JMAG電機(jī)模型庫(kù)擁有各種不同類(lèi)型的電機(jī)，可與多種電機(jī)型號(hào)進(jìn)行匹配。您能夠?qū)⒖啥ㄖ贫雀叩哪Ｐ托薷某商囟ǖ碾姍C(jī)類(lèi)型，從而避免創(chuàng)建自定義模型。
 
圖4. 該電機(jī)仿真圖說(shuō)明了，根據(jù)自身的應(yīng)用需求，您在不同的終端上應(yīng)該如何部署針對(duì)NI VeriStand的JMAG附加軟件。
 

NI VeriStand和針對(duì)NI VeriStand的JMAG附加軟件可在NI PXI實(shí)時(shí)控制器和NI RIO FPGA I/ O設(shè)備上運(yùn)行。NI PXI提供了多種高速和高精度的I / O模塊，可確保您獲取所需的I / O，來(lái)滿足特定的應(yīng)用需求。除了實(shí)時(shí)的PXI功能，PXI的NI RIO模塊在FPGA上還具備極高的處理速度。NI PXIe-7965R極高的性能讓您放心借助FPGA進(jìn)行模型計(jì)算，即使是在具備最高精度的JMAG-RT FEA模型上也可行。
 

 
總結(jié)
 

在真實(shí)系統(tǒng)中測(cè)試多種順變電流以及故障情況往往很麻煩或難操作，但這一點(diǎn)可通過(guò)實(shí)時(shí)高精度電機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)。在這之前，通過(guò)HIL測(cè)試以及標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)D-Q模型來(lái)實(shí)現(xiàn)許多情況，例如電機(jī)終端上或直流和交流總線間的故障仿真，幾乎不可能完成。
NI的HIL平臺(tái)可提供最高仿真度的實(shí)時(shí)仿真，讓您在開(kāi)發(fā)的早期階段就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并優(yōu)化性能。全面的HIL測(cè)試可減少驗(yàn)證嵌入式軟件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試次數(shù)，最終縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并提高開(kāi)發(fā)效率。