CN103092081A - 一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，包括实时解算部分和电子负载部分，实时解算部分又包括FPGA和DSP，电子负载部分包括可控电流源和电压采样电阻；通过电压采样电阻对待测部件驱动控制器输出的PWM电压进行采样，经过ADC送入FPGA中进行电流解算，得到电机各相电流值并送入DSP，同时还输入到可控电流源中产生三相绕组的正反向电流并且输出给待测部件驱动器进行负载功率模拟；DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算并将计算结果返回给FPGA，同时还将预设参数绕组电阻和绕组电感发送给FPGA，FPGA根据所述转子位置计算得到HALL信号和旋变信号并且输出给待测部件驱动控制器用于模拟电机信号。

Description

一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统

技术领域

本发明涉及一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，属于电机控制驱动器的功率级模拟闭环测试技术领域。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，行星探测正在成为研究热点。我国月球探测工程研制月面巡视器完成月表巡视探测任务。巡视器通过控制驱动组件对移动机构进行控制驱动，为确保控制驱动组件在轨可靠工作，需对其各方面功能性能进行充分测试，特别是在变负载、变参数时，控制驱动组件的响应特性及对故障的判断和处理能力。由于月面重力、温度环境与地面存在较大差异，在地面环境下对移动机构的月面工作特性的真实模拟成为关系测试有效性的关键技术。

目前，对于低重力环境下电机及其负载工作特性的模拟方法主要有两种：

一是采用真实的电机及机构，采用砝码等装置进行静态负载模拟，或采用真实移动机构在模拟月场行驶模拟负载变化情况，进行闭环测试。

一是采用模拟的方式，可分为信号级模拟和功率级模拟。信号级模拟可对电机参数、HALL、旋变信号等进行仿真模拟，验证控制算法的有效性。

功率级模拟能在完成信号级模拟的同时，模拟负载变化时电机绕组电流变化，验证控制驱动线路的驱动性能。然而功率级的模拟系统设计，尚未见到公开发表的文章与相关专利。

第一种方法，可以满足对产品电性能闭环测试的需求，但采用砝码等装置不能实现负载的动态模拟，而采用真实移动机构在模拟月场行驶进行动态模拟，负载变化过程难以测量、控制，不利于对驱动性能的评价验证。同时，真实电机不能满足对电机参数变化的模拟。此外，用真实电机进行故障模拟往往对电机具有破坏性，且不利于对故障的控制。

第二种方法，采用信号级模拟可以实现电机参数、HALL、旋变信号的模拟，精度高且灵活可控，但不能模拟电机负载变化特性，不能满足对控制驱动电路驱动性能测试需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，实现对电机的信号级模拟和对电机负载的动态功率级模拟，以及电机故障状态的模拟与控制等功能，以满足电机控制驱动线路的测试覆盖性要求，为电机及机构设计提供依据。

本发明的技术解决方案是：

一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，包括实时解算部分和电子负载部分，实时解算部分又包括FPGA和DSP，电子负载部分包括可控电流源、和电压采样电阻；

通过电压采样电阻对待测部件驱动控制器输出的PWM电压进行采样，对所述采样电压经过ADC变换后送入FPGA中，FPGA进行电流解算，得到电机各相电流值并送入DSP中，同时还将得到的电机各相电流值经过DAC变换之后输入到所述可控电流源中，由可控电流源产生三相绕组的正反向电流并且输出给待测部件驱动器进行负载功率模拟；

DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算并将计算结果返回给FPGA，同时还将预设参数绕组电阻和绕组电感发送给FPGA，FPGA根据所述转子位置计算得到HALL信号和旋变信号并且输出给待测部件驱动控制器用于模拟电机信号。

所述FPGA进行电流解算是根据FPGA接收到的采样电压和DSP输出的反电势、绕组电阻和绕组电感，通过前向欧拉法对电压方程进行解算，从而得到电机各相电流值。

所述可控电流源包括线性光耦、第一运放A1、第二运放A2、电阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部输入经过线性光耦之后连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到运放A1的输入正端，同时还连接到电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接到运放A2的输出端，同时还连接到运放A2的输入负端；运放A1的输入负端通过电阻R1接地，同时还通过电阻R2与运放A1的输出端连接在一起，运放A1的输出端通过电阻Rs连接到运放A2的输入正端，运放A2的输入正端引出线作为所述可控电流源的输出。

电阻R1、R2、R3和R4的阻值相同。

所述DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算具体为：

(1)根据FPGA输入给DSP的电流信号，通过公式

计算得到电机电磁转矩T_e，其中，I_a、I_b、I_c分别为三相绕组电流，E_a、E_b、Ec分别为三相绕组空载反电势，Ω为转子转速；

(2)通过公式

计算转子角加速度其中，T_L为电机负载转矩，J为折算到电机轴上的转动惯量，β为粘性摩擦系数；

(3)对所述转子角加速度

进行一次积分，得到电机转速，将电机转速乘以电机反电势系数得到反电势并输出；

(4)对所述转子角加速度进行二次积分，得到电机转子位置并输出。

所述FPGA与DSP之间通过双口RAM进行通信。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明模拟系统可同时实现对电机的信号级模拟，对电机负载的动态功率级模拟，以及电机故障状态的模拟与控制等功能。本发明采用DSP+FPGA架构的嵌入式系统构成实时解算部分进行电机模型实时解算，采用可控电流源、可控电压源构成电子负载，实现电机绕组电流和反电势的模拟，能够实现对移动机构电机及其负载进行功率级的半物理的功率级仿真模拟，驱动控制组件的硬件在环仿真需求。

(2)本发明采用嵌入式系统对电机模型进行解算，对待测部件驱动控制器的测试有别于真实电机加负载模拟器对控制驱动组件的测试，具有精度高、适应性强、灵活可控等优点。目前，大多数电机控制算法依赖于电机的模型参数。但是由于电机在加工过程中型位误差的存在，同一图纸加工出来的电机其模型参数难免会在一定范围内变化。而且考虑到月球表面特殊的气候环境，昼夜温差变化剧烈，这对驱动电机，尤其是永磁电机的参数会产生较大幅度的影响。这些因素仅通过真实电机测试将难于进行准确模拟。然而本模拟装置将电机和负载均通过数学模型进行实时模拟，其最终表现为电机绕组的电压电流变化。电机的参数都可通过接口进行修改，可对全范围电机模型参数进行模拟。

(3)本发明采用电信号输出模拟电机及模型参数变化、负载变化、电机故障等，相对实际电机更加便捷、安全。特别是对于电机故障状态的模拟，在真实电机上实现往往是带有破坏性的，且不利于对故障的控制。而本模拟装置可以方便的对各类故障状况进行设置，并能通过模拟器进行监控准确得到故障发生的类型和时间，从而对控制驱动组件的故障信号检测和处理能力进行评估，安全可靠，操作方便灵活。

(4)本发明可用于多种构型的移动机构、不同电机参数的电机及其负载的半物理仿真模拟，具有很高的通用性。所模拟的电机和负载仅需要通过参数设置，在所允许的最大电压和电流条件下，可对各种功率等级和转速的电机进行模拟，采用本发明可以极大的提高工作效率，缩短研制周期，节约成本。

附图说明

图1为本发明模拟系统的总体结构框图；

图2为FPGA中实现原理图；

图3为DSP中实现原理图；

图4为可控电流源原理图；

图5为FPGA和DSP交互示意图；

具体实施方式

本发明提供了一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，能够实现对电机的信号级模拟，对电机负载的动态功率级模拟，以及电机故障状态的模拟与控制等功能，以满足电机控制驱动线路的测试覆盖性要求，为电机及机构设计提供依据。

为解决电机控制驱动线路功能性能验证问题，本发明涉及的模拟系统采用嵌入式设计，对电机及其负载进行功率级的模拟。主要由实时控制解算模块、电子负载模块和输入输出电路组成。实时控制解算部分采用DSP+FPGA的架构，负责电机及负载模型的实时计算；电子负载主要由可控电流源及开关组成，负责实现电机绕组电流和反电势的模拟。

本发明涉及的模拟系统通过以下技术途径实现电机及其负载的功率级模拟：

1)宽温度范围变化下电机参数变化模拟。模拟系统能够接收待测部件驱动控制器的PWM信号，进行电机模型实时解算，输出HALL换向信号和旋变信号，实现控制驱动组件的电性闭环测试。电机模型的参数灵活可控，可覆盖宽温度变化下的参数变化情况。

2)电机负载模拟。根据输入的实时负载力矩，通过电机模型计算绕组相应的电流变化，并加载真实电流到控制驱动组件，以实现电机负载的动态模拟，可准确模拟电机负载力矩对控制驱动组件的影响。

3)故障状态模拟与控制。根据预设的故障信息，输出相应的故障信号，包括HALL换向故障、绕组过流、过热故障等，可验证控制驱动组件对故障的判断处理能力。

如图1所示，本发明提供的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统包括实时解算部分和电子负载部分，实时解算部分又包括FPGA和DSP，电子负载部分包括可控电流源、主电源、电流源电源和电压采样电阻；

其中DSP作为主控制器，负责实现整个系统的调度以及电机和负载模型的解算。FPGA作为DSP的协处理器，主要负责电机绕组电压方程的计算和各类接口电路的输入输出，通过DSP和FPGA各自功能的合理划分，充分发挥两种高性能控制器各自的特点和优势。借助于DSP+FPGA的高速处理能力，实现对结构机构无刷直流电机的实时模拟。

通过电压采样电阻对待测部件驱动控制器输出的PWM电压进行采样，对所述采样电压经过ADC变换后送入FPGA中，FPGA进行电流解算，得到电机各相电流值并送入DSP中，同时还将得到的电机各相电流值经过DAC变换之后输入到所述可控电流源中，由可控电流源产生三相绕组的正反向电流并且输出给待测部件驱动器进行负载功率模拟；

如图2所示，FPGA进行电流解算是根据FPGA接收到的采样电压和DSP输出的反电势、绕组电阻和绕组电感，通过前向欧拉法对电压方程进行解算，从而得到电机各相电流值。

如图5所示，DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算并将计算结果返回给FPGA，同时还将预设参数绕组电阻和绕组电感发送给FPGA，FPGA根据所述转子位置计算得到HALL信号和旋变信号并且输出给待测部件驱动控制器用于模拟电机信号。FPGA与DSP之间通过双口RAM进行通信。

考虑到对绕组电流实时模拟的需要，可控电流源需要根据实时解算部件的计算电流值，快速模拟出相应大小的绕组电流。功率器件的斩波信号通常在10KHz左右，为了满足电流实时跟踪的需要，要求可控电流源能够在10μs内跟踪电流指令。而常用的开关型电流源将难以满足实时性的要求。

如图4所示，本发明可控电流源包括线性光耦、第一运放A1、第二运放A2、电阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部输入经过线性光耦之后连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到运放A1的输入正端，同时还连接到电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接到运放A2的输出端，同时还连接到运放A2的输入负端；运放A1的输入负端通过电阻R1接地，同时还通过电阻R2与运放A1的输出端连接在一起，运放A1的输出端通过电阻Rs连接到运放A2的输入正端，运放A2的输入正端引出线作为所述可控电流源的输出。电阻R1、R2、R3和R4的阻值相同。

通过FPGA计算得到的绕组电流经电流型DAC转换，通过高频响线性光耦隔离后，由大功率运放PA12A实现电流输出。当R₁＝R₂＝R₃＝R₄时，R_L上的电流I_O＝U_in/R_S，即输出电流与负载R_L无关，通过改变输入电压U_in可以控制输出电流I_O。

如图3所示为本发明中DSP实现原理图，DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算具体通过如下步骤进行：

(1)根据FPGA输入给DSP的电流信号，通过公式计算得到电机电磁转矩T_e，其中，I_a、I_b、I_c分别为三相绕组电流，E_a、E_b、E_c分别为三相绕组空载反电势，Ω为转子转速；

无刷直流电机数学模型 $\left(\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}R& 0& 0\\ 0& R& 0\\ 0& 0& R\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}L& M& M\\ M& L& M\\ M& M& L\end{array}\right)P\left(\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{E}_a\\ E_b\\ E_c\end{array}\right)$ 其中U_a、U_b、U_c分别为三相绕组电压，R为绕组相电阻，L为绕组自感，M绕组互感，P为微分算子；

(2)通过公式

计算转子角加速度

其中，T_L为电机负载转矩，J为折算到电机轴上的转动惯量，β为粘性摩擦系数；

(3)对所述转子角加速度

进行一次积分，得到电机转速，将电机转速乘以电机反电势系数得到反电势并输出；

(4)对所述转子角加速度

进行二次积分，得到电机转子位置并输出。

本发明采用FPGA作为协处理器，具有控制速度快，可靠性高等优点。本方案中的FPGA采用EP2C35F484，主频可达100MHz，具有33216个Les，最大RAM bits为483840，乘法器35个，4个PLL，可用I\O管脚达到322个。高速并行计算能力和丰富的I/O资源，使其能够满足多电机实时性仿真对快速性的要求，主要实现对电机电压方程的快速计算，ADC、DAC的控制和相关信号的输入和输出。

DSP采用TI公司的28335，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，片内内置256K＊16-bit FLASH，可存放用户程序，FLASH可加密，提供1路RS232转换电路，方便与上位机实现通讯，提供2路CAN2.0B接口，均配备CAN收发转换电路。两路CAN接口都可以接入CAN网络实现双通道实时通讯。良好浮点计算能力，使其可以实现电机转矩方程、负载机械方程以及故障模型的计算，丰富的接口资源方便与上位机通讯。

FPGA与DSP通信方式主要有：串口通信、DMA通信、利用标准总线结构通信和利用共享存储器进行通信等。模拟器要求FPGA与DSP之间进行高速可靠的通信，并且希望硬件结构尽可能简单。所以选择FPGA与DSP之间通过双口RAM来进行通讯。

在系统设计时，可以采用外扩双口RAM芯片，也可以通过调用Altera公司提供的双口RAM模块在FPGA内部实现。由FPGA实现双口RAM作为DSP的外扩存储器，其读写速度很快，DSP对其访问时无需插入等待，因而可实现DSP与FPGA的高速数据交换。因为双口RAM一部分单元只由DSP写入，由FPGA读出，而令一部分单元只由FPGA写入，由DSP读出，因此不会出现DSP和FPGA同时对某一单元进行写操作的情况。由FPGA实现双端口RAM作为其它数字控制器的外扩存储器，这样做不仅简化了系统的硬件结构、提高了通讯的可靠性，而且充分利用了系统的现有硬件资源，也很好地体现了FPGA在硬件设计中的灵活性。

Claims (6)

1.一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于包括实时解算部分和电子负载部分，实时解算部分又包括FPGA和DSP，电子负载部分包括可控电流源和电压采样电阻；

通过电压采样电阻对待测部件驱动控制器输出的PWM电压进行采样，对所述采样电压经过ADC变换后送入FPGA中，FPGA进行电流解算，得到电机各相电流值并送入DSP中，同时还将得到的电机各相电流值经过DAC变换之后输入到所述可控电流源中，由可控电流源产生三相绕组的正反向电流并且输出给待测部件驱动器进行负载功率模拟；

DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算并将计算结果返回给FPGA，同时还将预设参数绕组电阻和绕组电感发送给FPGA，FPGA根据所述转子位置计算得到HALL信号和旋变信号并且输出给待测部件驱动控制器用于模拟电机信号。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于：所述FPGA进行电流解算是根据FPGA接收到的采样电压和DSP输出的反电势、绕组电阻和绕组电感，通过前向欧拉法对电压方程进行解算，从而得到电机各相电流值。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于：所述可控电流源包括线性光耦、第一运放A1、第二运放A2、电阻R1、R2、R3、R4和Rs，外部输入经过线性光耦之后连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到运放A1的输入正端，同时还连接到电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接到运放A2的输出端，同时还连接到运放A2的输入负端；运放A1的输入负端通过电阻R1接地，同时还通过电阻R2与运放A1的输出端连接在一起，运放A1的输出端通过电阻Rs连接到运放A2的输入正端，运放A2的输入正端引出线作为所述可控电流源的输出。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于：电阻R1、R2、R3和R4的阻值相同。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于：所述DSP根据输入数据完成电机转子位置和反电势的计算具体为：

(1)根据FPGA输入给DSP的电流信号，通过公式

计算得到电机电磁转矩T_e，其中，I_a、I_b、I_c分别为三相绕组电流，E_a、E_b、E_c分别为三相绕组空载反电势，Ω为转子转速；

(2)通过公式

计算转子角加速度

其中，T_L为电机负载转矩，J为折算到电机轴上的转动惯量，β为粘性摩擦系数；

(3)对所述转子角加速度

进行一次积分，得到电机转速，将电机转速乘以电机反电势系数得到反电势并输出；

(4)对所述转子角加速度

进行二次积分，得到电机转子位置并输出。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式电机及负载功率级模拟系统，其特征在于：所述FPGA与DSP之间通过双口RAM进行通信。

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