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)。混合動(dòng)力汽車制造商采用了高速電機(jī)，這對(duì)于優(yōu)化生產(chǎn)空間和成本來說十分重要。

　　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)開發(fā)人員和測(cè)試工程師帶來了新的挑戰(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 ?s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)場測(cè)試來驗(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時(shí)間。雖然簡單的常量參數(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)用在汽車和能源行業(yè)中非常常見。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，之前來說還是天方夜譚。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。