基于現(xiàn)場可編程門陣列的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測試

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)的手工編寫算法代碼的開發(fā)模式已經(jīng)不能滿足需求，電機(jī)控制器測試涉及提前設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件接口電路，在這個(gè)測試過程中開發(fā)的算法和編寫的程序必須要在所有硬件電路完成后才能測試算法的正確性，為此一旦測試過程中硬件電路出現(xiàn)問題，需要從硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開始修改[1-2]，勢必會(huì)導(dǎo)致開發(fā)周期延長和開發(fā)效率降低等問題。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試，對(duì)電機(jī)控制器故障安全測試有一定的意義[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)試與測試，文獻(xiàn)[5]采用基于V流程的模式，利用DSP開發(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)行測試。然而這些研究雖然開發(fā)了電機(jī)控制器，還有利用HIL對(duì)所開發(fā)的電機(jī)控制器進(jìn)行控制功能測試，但測試平臺(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試。

其中故障安全包括故障檢測、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[6]。因此，故障安全測試是非常值得優(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。一般來說，單片機(jī)中的故障模式測試，如電線短路或開路，是特別困難的，因?yàn)樗鼈兒芎臅r(shí)、昂貴且測試樣本數(shù)量有限。選擇HIL的方法測試可以在優(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)控制器功能測試。并在HIL仿真平臺(tái)上測試控制器基本功能及逆變器開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算法的可行性。

1 電機(jī)控制器HIL測試平臺(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)場可編程門陣列技術(shù)，因其是用硬件描述語言建立模型，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。

以三相橋式逆變器為例，對(duì)其一個(gè)支路分析IGBT開關(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開關(guān)打開，V4開關(guān)關(guān)閉； ②V4開關(guān)打開，V1開關(guān)關(guān)閉； ③V1和V4開關(guān)關(guān)閉。

V1、V2、V3、V4、V5、V6為6個(gè)開關(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，可在各輪測試中反復(fù)使用，大幅提高了測試效率；方式二為通過上位機(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、開路等LabVIEW中添加逆變器故障模型，可以模擬逆變器開路和短路等故障。

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測試時(shí)，需要在HIL模擬器與MCU(或RCP)之間進(jìn)行接線。本次測試給定電機(jī)3種運(yùn)行狀態(tài)來測試電機(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測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 10所示。3種狀態(tài)測得電機(jī)速度和三相電流分別如圖 11～圖 13所示。

圖 10 HIL測試實(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相上橋臂開路故障，三相電流幅值發(fā)生變化，控制器能夠通過調(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，控制器檢測到故障后速度經(jīng)過調(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)仿真測試平臺(tái)，在JMAG軟件中建立了電機(jī)有限元模型，利用HIL測試平臺(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)控制性能的測試和逆變器開路和短路的故障檢測，該系統(tǒng)不僅可以縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，對(duì)進(jìn)一步研究復(fù)雜故障注入測試來驗(yàn)證電機(jī)控制器故障安全邏輯有一定價(jià)值。