CN106598034A - 电机驱动控制策略测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，公开了一种电机驱动控制策略测试系统及方法。其包括：上位机、实时仿真机、电机功率驱动模块以及电机；上位机用于生成运行于实时仿真机内的待测控制算法和通讯程序；电机功率驱动模块用于通过现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片，对反馈至实时仿真机的反馈信号进行调理；实时仿真机用于通过通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号和待测控制算法生成目标控制信号，将目标控制信号通过通讯程序发送至电机功率驱动模块；控制芯片还用于将目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制电机工作。本发明实施方式能够快速、便捷地搭建电机驱动控制策略的测试系统，具有较高的灵活性、通用性和稳定性。

Description

电机驱动控制策略测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机驱动控制策略测试系统及方法。

背景技术

电机驱动控制策略的研发工作为电机的稳定、高效运行提供了丰富的方案。电机驱动控制策略在研发阶段一般需要进行测试、验证。目前，较常采用的电机驱动控制策略的测试方式主要包括离线全数字仿真及快速控制原型(Rapid Control Prototyping，快速控制原型，简称RCP)测试。

离线全数字仿真通过搭建被控电机和变频器的仿真模型及控制器的控制算法模型，并将控制算法模型和被控设备的仿真模型模拟运行于工程上位机中来实现电机驱动控制策略的测试。该方法的优点是可以把控制算法及被控对象部署在同一个仿真环境内，方便快速的验证电机驱动控制算法。

而RCP测试方式的系统需包括：实时仿真设备、电机变频器(又称智能功率模块，Intelligent Power Module，简称IPM)、真实电机台架、信号调理装置、电机转速编码器、电流电压检测及过流保护电路等。用实时仿真设备实时地运行待测的电机控制算法，并使用实时仿真设备所带的I/O接口将电机控制信号发送给电机变频器，并通过编码器电路及电压、电流检测电路将真实电机的转速、电压和电流信号反馈给实时仿真设备，最终完成信号的闭环交互，实现了整个系统的闭环控制。该方法使用了实际电机驱动系统中的真实电机，电机驱动设备及各种真实的信号检测及驱动保护电路，可极大的还原电机驱动控制的真实环境，同时使用了实时仿真设备，可方便快速地改变电机的驱动控制算法。

发明人在实现本发明的过程中发现：离线全数字仿真存在如下问题：(1)离线全数字仿真中电机使用的是等效数学模型，忽略了电机的电磁特性及运行过程中的电机参数的变化，与实际的被控对象有所不同；(2)离线全数字仿真是信号级的仿真，控制算法与被控对象之间只是数据的输入输出，没有实际被控设备与控制器信号交互所涉及的数据调理延迟及通信协议等诸多问题，过于理想；(3)离线全数字仿真所需的仿真时间远远大于实际系统所需的时间，使得仿真模型无法接入实际被控设备，无法有效验证控制算法对于实际被控设备的时效性，以及在长时间跨度内的有效性。

RCP测试方式则存在如下问题：(1)在搭建快速控制原型测试系统时需预先根据电机台架和实时仿真设备自行配置电压电流采集电路、信号调理装置及隔离电路，该过程较为繁杂且不具有通用性；(2)在搭建快速控制原型测试系统时需预先根据实时仿真设备和电机变频器自行配置驱动电路和隔离电路，该过程较为繁杂且不具有通用性；(3)实时仿真设备与电机变频器和真实电机是经过I/O板卡与各级采集、驱动或隔离电路交互的，如果配置不当将会具有时延，会进一步影响电机控制策略的时效性；

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种电机驱动控制策略测试系统及方法，能够快速、便捷地搭建电机驱动控制策略的测试系统，具有较高的灵活性、通用性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电机驱动控制策略测试系统，包括：上位机、实时仿真机、电机功率驱动模块以及电机；所述上位机用于生成运行于所述实时仿真机内的待测控制算法和通讯程序；所述电机功率驱动模块用于通过现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片，对反馈至所述实时仿真机的反馈信号进行调理；其中，所述反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号；所述实时仿真机用于通过所述通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号和所述待测控制算法生成目标控制信号，将所述目标控制信号通过所述通讯程序发送至所述电机功率驱动模块；所述控制芯片还用于将所述目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制所述电机工作。

本发明的实施方式还提供了一种电机驱动控制策略测试方法，包括：将在上位机中生成的待测控制算法和通讯程序部署至实时仿真机；所述实时仿真机通过所述通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号以及所述待测控制算法生成目标控制信号，并将所述目标控制信号通过所述通讯程序发送至电机功率驱动模块以控制电机运转；其中，电机功率驱动模块中的现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片对反馈信号进行调理；其中，所述反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号；所述控制芯片还用于将所述目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制所述电机工作。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA)实现的控制芯片对电机的电压、电流、转速信号等的反馈信号进行调理以及将目标控制信号调制为脉冲PWM波，这样通过硬件代码实现信号调理具有运行速度快、可靠等优点，并且硬件代码还可以具有较高的通用性，从而有利于简化电机驱动控制策略的测试系统的搭建。并且，本实施方式通过实时仿真机中运行的通讯程序解析待测控制算法需要的反馈信号以及将生成的目标控制信号发送至电机功率驱动模块，从而可以更为灵活地方式实现实时仿真机与电机功率驱动模块之间的信息交换。因此，本实施方式无需在电机功率驱动模块和电机以及电机功率驱动模块和实时仿真机之间自行配置各种信号调理设备、隔离设备，进而可以简化电机驱动控制策略测试系统的搭建。因此，本实施方式不仅有利于缩短测试系统搭建时间，而且使得搭建的测试系统更具灵活性、通用性以及稳定，能够提高电机驱动控制策略的测试效率以及覆盖率。

另外，所述实时仿真机和所述电机功率驱动模块通过通信环通信连接。

另外，所述通信环为光纤通信环。光纤通信环具有传输速度快、传输带宽大且传输稳定不易丢失数据的优点，从而为待测控制算法提供了更稳定的测试系统。

另外，所述控制芯片还用于实现以下功能之一或其任意组合：对电机的电压、电流信号进行滤波；对电机的转速信号进行解码；将滤波后的电压、电流信号和/或转速信号发送至所述实时仿真机。

另外，所述电机功率驱动模块还包括信号采集装置以及与所述控制芯片通信连接的电机变频器；所述信号采集装置用于获取电机的电压、电流信号；所述控制芯片还用于根据所述信号采集装置获取的电机的电压、电流信号对所述电机变频器进行保护。通过在控制芯片中集成电机变频器保护功能，有利于进一步简化测试系统的搭建。

另外，所述上位机通过以太网与所述实时仿真机连接，所述上位机还用于监控所述实时仿真机控制电机功率驱动模块使得电机运转的情况，从而便于提高测试的自动化程度。

另外，所述通讯程序包括通讯库文件，所述上位机还用于配置所述通讯库文件；其中，所述通讯库文件封装有所述实时仿真机和所述电机功率驱动模块之间的通信信息；所述实时仿真机还用于根据配置的通讯库文件解析出需要的反馈信号。

另外，所述电机功率驱动模块通过信号线连接于所述电机，并通过所述信号线接收所述电机的转速信号。

另外，所述实时仿真机还用于控制所述待测控制算法周期性地运行。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式电机驱动控制策略测试系统的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式电机驱动控制策略的控制流程图；

图3是根据本发明第二实施方式电机驱动控制策略测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明实施方式基于离线全数字仿真以及快速控制原型测试的不足，提出了适用于电机驱动控制策略测试系统的、易于模块化的、基于功率快速控制原型的电机驱动功率模块。其中，电机驱动功率模块通过FPGA控制芯片实现了其与实时仿真机之间的通讯、反馈信号的调理、电机变频器的保护以及目标控制信号的调制等，并且实时仿真机通过通讯程序解析来自电机功率驱动模块的反馈信号，从而使得基于本实施方式的实时仿真机以及电机功率驱动模块搭建的电机驱动控制策略测试系统具有更佳的灵活性、通用性以及稳定性，简化系统搭建的操作。

本发明的第一实施方式涉及一种电机驱动控制策略测试系统。其结构如图1所示。本实施方式的电机驱动控制策略测试系统包括：上位机、实时仿真机、电机功率驱动模块以及电机。其中，上位机通过以太网连接于实时仿真机，实时仿真机和电机功率驱动模块通过通信环通信连接，电机功率驱动模块连接于电机。本实施方式对实时仿真机以及电机功率驱动模块之间的通信方式不做具体限制，还可以采用其他通信方式实现两者之间的通信。

在一个例子中，实时仿真机和电机功率驱动模块通过光纤通信环通信连接。具体而言，实时仿真机和电机功率驱动模块均具有光纤连接端口，且实时仿真机和电机功率驱动模块中均包括有用于实现通信协议的通信模块以及信号转换模块。实时仿真机和电机功率驱动模块上的光纤连接端口通过光纤连接后形成光纤通信环。在一个例子中，实时仿真机上的光纤连接端口包括一个光纤进口以及一个光纤出口，电机功率驱动模块上的光纤连接端口也包括一个光纤进口以及一个光纤出口，将实时仿真机的光纤进口和电机功率驱动模块的光纤出口连接，将实时仿真机的光纤出口和电机功率驱动模块的光纤进口连接，即可形成光纤闭环通信。在一个例子中，实时仿真机以及电机驱动功率模块中的通信模块可以FPGA硬件代码实现，信号转换模块包括光电转换模块以及电光转换模块。本实施方式通过光纤通信环实现实时仿真机和电机功率驱动模块之间的实时通信，使得两者之间的信息交换具有准确、稳定、高效的优点。

其中，上位机用于生成运行于实时仿真机内的待测控制算法和通讯程序。在实际应用中，可以在上位机中通过图像化界面的电力与电力电子系统仿真软件编写待测控制算法(即电机驱动控制程序)，从而完成待测控制算法的搭建。同时还可以在上位机中编写用于对实时仿真机和电机功率驱动模块之间的通信信号进行解析的通讯程序，完成通讯程序搭建。在一个例子中，通讯程序包括通讯库文件，该通讯库文件封装有实时仿真机和电机功率驱动模块之间的通信信息，上位机还用于配置该通讯库文件。在实际应用中，可以将实时仿真机和各种类型的电机驱动功率模块之间交换的通信信息均封装有通讯库文件中。在实际测试时，仅需要根据实际搭建的测试系统中的电机驱动功率模块与实时仿真机需要交换的通信信息对该通讯库文件进行配置，使得通讯程序能够根据配置后的通讯库文件解析出实时仿真机与电机功率驱动模块之间实际需要交换的通信信息。

在一个例子中，可以将待测控制算法和通讯程序均编译为可实时运行的机器代码(例如C代码)，并通过以太网将待测控制算法和通讯程序下载并部署到实时仿真机中。并且，上位机还可以通过以太网监控实时仿真机控制电机功率驱动模块使得电机运转的情况，例如上位机可以完成电机模型配置、测试管理、自动测试、数据监控和数据分析等功能。

实时仿真机中的CPU(Central Processing Unit的简称，中央处理单元)可以实时运行待测控制算法和通讯程序。本实施方式中，实时仿真机用于通过通讯程序从光纤通讯环中通信信息中解析出电机功率驱动模块反馈的电机的电压、电流信号以及转速信号等，将解析出的反馈信号提供给待测控制算法程序，并根据反馈信号和待测控制算法生成目标控制信号，将生成的目标控制信号通过通信程序发送至电机功率驱动模块。

电机功率驱动模块包括：控制芯片、信号采集装置以及电机变频器。其中，控制芯片采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)电路实现。信号采集装置以及电机变频器均与控制芯片通信连接。在一个例子中，信号采集装置可以为加在电机变频器的输出侧的电流或电压互感器，从而可以在搭建电机驱动控制策略测试系统时，无需自行配置信号采集装置。在一个例子中，控制芯片用于实现以下功能：对反馈至实时仿真机的反馈信号进行调理，反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号；将目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制电机运转(即图1中的调制模块)；对电机的电压、电流信号进行滤波(即图1中的滤波模块)；对电机的转速信号进行解码(即图1中的解码模块)；将滤波后的电压、电流信号和/或转速信号发送至实时仿真机(即通过图1中的设备通讯与保护模块)；信号采集装置用于获取电机的电压、电流信号，控制芯片还用于根据信号采集装置获取的电机的电压、电流信号对电机变频器进行保护(即通过图1中的设备通讯与保护模块)。

本实施方式中，电机变频器通过电缆与电机连接，电机功率驱动模块通过信号线(例如屏蔽线)连接于电机的转速信号输出侧，从而可以获取电机的编码器采集的转速信号。常用的编码器类型包括：增量型编码器和绝对值型编码器，由于不同类型的编码器提供的转速信号的数据格式存在差异，因此，控制芯片中的第二信号调理模块可以针对一种常用的编码器类型进行设计，当编码器类型发生变化且控制芯片不支持该编码器类型时，可以直接更换电机功率驱动模块中的控制芯片以支持对应的编码器类型。

本实施方式中，实时仿真机还可以用于控制待测控制算法周期性地运行。其控制流程如图2所示，一个系统周期内的控制流程包括：接收电机功率驱动模块发送的反馈信号，运行一次待测控制算法中的控制程序并输出目标控制信号，通过目标控制信号控制电机驱动模块以驱动电机运转。整个控制流程需要在一个系统运行周期内完成，若整个控制流程完成后还没到下一个系统运行周期的开始，则整个系统将会等待一段空闲时间，待下一个系统运行周期开始时系统将重新运行。本实施方式的一个系统周期中实时仿真机可以使用微秒级的速度来运行控制算法，控制芯片可以使用纳秒级的速度并行运行的硬件代码。因此，在一个例子中，电机驱动控制策略测试系统单步的设备运行周期可以达到几十微秒级，从而可以快速有效地完成电机驱动控制。

采用本实施方式的电机驱动控制策略测试系统，在实时仿真机中运行有通讯程序，并通过通信程序实现实时仿真机以及电机功率驱动模块之间的信息交互，同时在电机驱动功率模块中通过FPGA实现了信号调理、通信、设备保护等的多种功能，因此使得在搭建测试系统时，省去了繁杂的信号调理装置的选型、配置过程、信号隔离的设置过程以及各种I/O卡的配置过程，使得测试系统的搭建过程得到简化，并且使得测试系统具有更佳的灵活性、通用性以及稳定性。本实施方式通过高速光纤通信环进行通信以及FPGA控制芯片进行信号调理等，可避免由于信号调理装置等的选型不当导致的通讯时延对测试时序的影响，提高了测试的实时性。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明的第二实施方式涉及一种电机驱动控制策略测试方法。其流程如图3所示。本实施方式的电机驱动控制策略测试方法包括：

步骤301：将在上位机中生成的待测控制算法和通讯程序部署至实时仿真机。

步骤302：实时仿真机通过通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号以及待测控制算法生成目标控制信号，并将目标控制信号通过通讯程序发送至电机功率驱动模块以控制电机运转。

其中，电机功率驱动模块中的现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片对反馈信号进行调理。其中，反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号。控制芯片还用于将目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制电机工作。

采用本实施方式的电机驱动控制策略测试方法，在搭建测试系统时，仅需在上位机中生成待测控制算法，并对通讯库文件进行配置，即可进行待测控制算法的测试。因此，本实施方式的测试系统具有较高的灵活性、通用性和稳定性。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，包括：上位机、实时仿真机、电机功率驱动模块以及电机；

所述上位机用于生成运行于所述实时仿真机内的待测控制算法和通讯程序；

所述电机功率驱动模块用于通过现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片，对反馈至所述实时仿真机的反馈信号进行调理；其中，所述反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号；

所述实时仿真机用于通过所述通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号和所述待测控制算法生成目标控制信号，将所述目标控制信号通过所述通讯程序发送至所述电机功率驱动模块；

所述控制芯片还用于将所述目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制所述电机工作。

2.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述实时仿真机和所述电机功率驱动模块通过通信环通信连接。

3.根据权利要求2所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述通信环为光纤通信环。

4.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述控制芯片还用于实现以下功能之一或其任意组合：

对电机的电压、电流信号进行滤波；

对电机的转速信号进行解码；

将滤波后的电压、电流信号和/或转速信号发送至所述实时仿真机。

5.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，

所述电机功率驱动模块还包括信号采集装置以及与所述控制芯片通信连接的电机变频器；

所述信号采集装置用于获取电机的电压、电流信号；

所述控制芯片还用于根据所述信号采集装置获取的电机的电压、电流信号对所述电机变频器进行保护。

6.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述上位机通过以太网与所述实时仿真机连接，所述上位机还用于监控所述实时仿真机控制电机功率驱动模块使得电机运转的情况。

7.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，

所述通讯程序包括通讯库文件，所述上位机还用于配置所述通讯库文件；其中，所述通讯库文件封装有所述实时仿真机和所述电机功率驱动模块之间的通信信息；

所述实时仿真机还用于根据配置的通讯库文件解析出需要的反馈信号。

8.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述电机功率驱动模块通过信号线连接于所述电机，并通过所述信号线接收所述电机的转速信号。

9.根据权利要求1所述的电机驱动控制策略测试系统，其特征在于，所述实时仿真机还用于控制所述待测控制算法周期性地运行。

10.一种电机驱动控制策略测试方法，其特征在于，包括：

将在上位机中生成的待测控制算法和通讯程序部署至实时仿真机；

所述实时仿真机通过所述通讯程序解析出需要的反馈信号，并根据解析出的反馈信号以及所述待测控制算法生成目标控制信号，并将所述目标控制信号通过所述通讯程序发送至电机功率驱动模块以控制电机运转；

其中，电机功率驱动模块中的现场可编程逻辑门阵列实现的控制芯片对反馈信号进行调理；其中，所述反馈信号包括：电机的电压、电流信号以及转速信号；所述控制芯片还用于将所述目标控制信号调理成脉冲宽度调制波以控制所述电机工作。