CN111077796A - 电机仿真系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及仿真技术领域，公开了一种电机仿真系统和方法。该电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与FPGA通信连接的中央处理器CPU；其中，FPGA包括电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块；通过在FPGA中设置逆变器模块和电机仿真模块，由逆变器模块接收CPU发出的驱动信号并将所述驱动信号输入到开关管实现对电机仿真模块的控制，同时逆变器模块实时向CPU反馈电流信息以及电机仿真模块实时向CPU反馈转子角度信息，根据反馈信息对电机仿真模型进行实时调参，使得仿真系统能够满足高速电机仿真需求，又降低了仿真系统的操作难度，为电机实时仿真提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明实施例涉及仿真技术领域，特别涉及一种电机仿真系统。
背景技术
在仿真技术领域，由于FPGA仿真具有速度快，步长小的优点，理论上FPGA能够满足开关频率大于5K Hz的高速电机的仿真。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：如果完全依靠FPGA进行高速电机的仿真，由于FPGA基于VHDL语言进行编程，调参工作量大且易出错，而电机仿真往往需要多次实时调参，使用FPGA进行电机仿真操作难度大。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种电机仿真系统和方法，使得使用FPGA进行电机仿真操作难度降低。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电机仿真系统，包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与所述FPGA通信连接的中央处理器CPU；其中，所述FPGA包括电机仿真模块和与所述电机仿真模块通信连接的逆变器模块；所述CPU用于向所述逆变器模块发送驱动信号；所述逆变器模块用于接收所述驱动信号并通过将所述驱动信号输入到可控开关管控制所述电机仿真模块，还用于向所述CPU发送所述逆变器模块的电流信息；所述电机仿真模块用于运行电机仿真模型，还用于向所述CPU发送所述电机仿真模型的转子角度信息。
本发明的实施方式还提供了一种电机仿真方法，应用于电机仿真系统，所述电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与所述FPGA通信连接的中央处理器CPU，其中，所述FPGA包括电机仿真模块和与所述电机仿真模块通信连接的逆变器模块；所述方法包括：所述CPU向所述逆变器模块发送驱动信号；所述逆变器模块接收所述驱动信号并通过将所述驱动信号输入到可控开关管控制所述电机仿真模块，并向所述CPU发送所述逆变器模块的电流信息；所述电机仿真模块运行电机仿真模型，并向所述CPU发送所述电机仿真模型的转子角度信息。
本发明实施方式相对于现有技术而言，将现场可编程逻辑阵列FPGA和中央处理器CPU通信连接，并在FPGA中设置电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块；通过在FPGA中设置逆变器模块和电机仿真模块，由逆变器模块接收CPU发出的驱动信号并将所述驱动信号输入到开关管实现对电机仿真模块的控制，同时逆变器模块实时向CPU反馈电流信息以及电机仿真模块实时向CPU反馈转子角度信息，根据反馈信息对电机仿真模型进行实时调参，使得仿真系统能够满足高速电机仿真需求，又降低了仿真系统的操作难度，为电机实时仿真提供了一种新的思路。
另外，所述FPGA还包括总通信接口；所述电机仿真模块和所述逆变器模块经由所述总通信接口与所述CPU通信连接；所述总通信接口用于管理接收到的所述CPU的数据。通过在FPGA中设置一个总通信接口管理接收到的CPU的数据，提高了FPGA中各模块的可移植性。
另外，所述CPU还包括逆变器接口；所述CPU经由所述逆变器接口与所述总通信接口通信连接；所述逆变器接口用于设置所述逆变器模块中的逆变器参数。通过在CPU中增加一个逆变器接口，简化对逆变器模块参数设置的流程。
另外，所述逆变器参数包括所述逆变器模块中可控开关管的驱动信号来源、所述可控制开关管各通道顺序以及所述逆变器的直流母线电压。
另外，所述CPU还包括第一电机接口；所述CPU经由所述第一电机接口与所述总通信接口通信连接；所述第一电机接口用于设置所述电机仿真模块中电机的仿真模型的电机参数。通过在CPU中增加一个第一电机接口，简化对电机仿真模块参数设置的流程。
另外，所述电机参数包括电机类型、电机功率、极对数、电阻、电感中的至少一种或者任意组合。
另外，所述CPU还包括第二电机接口；所述CPU经由所述第二电机接口与所述总通信接口连接；所述第二电机接口用于设置所述电机仿真模型的旋变参数。通过在CPU中增加一个第二电机接口，简化对电机仿真模型旋变参数的设置流程。
另外，所述CPU根据磁场定向控制策略或直接转矩控制策略向所述逆变器模块发送驱动信号。CPU支持多种控制策略，提高了电机仿真系统的实用性。
另外，所述CPU与所述FPGA通过外设部件互连标准总线PCI-E通信连接。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
图1是根据本发明第一实施方式电机仿真系统的结构示意图；
图2是根据本发明第二实施方式电机仿真系统的结构示意图；
图3是根据本发明第三实施方式电机仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明的第一实施方式涉及一种电机仿真系统。其具体结构如图1所示。该电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与FPGA通信连接的中央处理器CPU，FPGA包括电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块。
其中，CPU可以基于Matlab或Simulink软件环境图形化搭建，用于向逆变器模块发送PMW驱动信号(脉宽调制信号)，并且可以通过FOC控制策略(磁场定向控制策略)或直接转矩控制策略对输出的PMW驱动信号进行控制，并通过外设部件互连标准总线PCI-E与FPGA通信连接。FPGA可以基于VIVADO软件环境搭建，FPGA中逆变器模块用于接收CPU发送的PMW驱动信号，在逆变器模块中包含多个可控开关管，将PMW驱动信号输入到设置好的可控开关管中，输出波形为正弦波的调制信号；FPGA中电机仿真模块运行电机仿真模型，接收由逆变器模块输出的调制信号，并将该调制信号作为电机仿真模型的输入信号进行电机仿真；逆变器模块还用于向CPU发送可控开关管输出的电流信息，电机仿真模块还用于向CPU发送电机仿真模型的转子角度信息，CPU通过接收反馈的电流信息和转子角度信息，实时监测电机仿真模型的输出情况从而进行对输入PMW驱动信号的调整。
在一个具体的例子中，基于Matlab软件环境搭建CPU，并使用FOC控制策略作为CPU的控制策略，控制输出6路PMW信号；基于VIVADO软件环境搭建FPGA，将逆变器模块设置为3相半桥逆变器，将电机仿真模块设置为永磁同步电机，并建立逆变器与电机正确信号传递关系；给定电机期望转速1500rpm，给FPGA和CPU同时上电运行，CPU发出6路PWM信号通过逆变器模块产生电流信号，从而带动电机仿真模块中电机仿真模型运行，仿真电机开始旋转；逆变器模块将电机电流信息反馈给CPU，电机控制模块将转子角度信息反馈给CPU，进而使CPU进行闭环计算，多次调整控制参数，进而调整PWM输出频率，直到电机达到转速1500rpm。
本发明实施方式相对于现有技术而言，将现场可编程逻辑阵列FPGA和中央处理器CPU通信连接，并在FPGA中设置电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块；通过在FPGA中设置逆变器模块和电机仿真模块，由逆变器模块接收CPU发出的驱动信号并将所述驱动信号输入到开关管实现对电机仿真模块的控制，同时逆变器模块实时向CPU反馈电流信息以及电机仿真模块实时向CPU反馈转子角度信息，根据反馈信息对电机仿真模型进行实时调参，使得仿真系统能够满足高速电机仿真需求，又降低了仿真系统的操作难度，为电机实时仿真提供了一种新的思路。
值得一提的是，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。
本发明的第二实施方式涉及一种电机仿真系统。其具体结构如图2所示。该电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与FPGA通信连接的中央处理器CPU，FPGA包括电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块，电机仿真模块和逆变器模块经由FPGA中的总通信接口和CPU中的各个接口通信连接，CPU的接口包括第一电机接口、逆变器接口和第二电机接口。
其中，CPU可以基于Matlab或Simulink软件环境图形化搭建，用于向逆变器模块发送PMW驱动信号(脉宽调制信号)，并且可以通过FOC控制策略(磁场定向控制策略)或直接转矩控制策略对输出的PMW驱动信号进行控制，并通过外设部件互连标准总线PCI-E与FPGA通信连接。FPGA可以基于VIVADO软件环境搭建，FPGA中逆变器模块用于接收CPU发送的PMW驱动信号，在逆变器模块中包含多个可控开关管，将PMW驱动信号输入到设置好的可控开关管中，输出波形为正弦波的调制信号；FPGA中电机仿真模块运行电机仿真模型，接收由逆变器模块输出的调制信号，并将该调制信号作为电机仿真模型的输入信号进行电机仿真；逆变器模块还用于向CPU发送可控开关管输出的电流信息，电机仿真模块还用于向CPU发送电机仿真模型的转子角度信息，CPU通过接收反馈的电流信息和转子角度信息，实时监测电机仿真模型的输出情况从而进行对输入PMW驱动信号的调整。
其中，FPGA中总通信接口用于管理接收到的CPU的数据；CPU中逆变器接口用于设置逆变器参数，逆变器参数包括逆变器中可控开关管的驱动信号来源、可控开关管各通道顺序以及逆变器的直流母线电压；CPU中第一电机接口用于设置电机仿真模块中电机的仿真模型的电机参数，电机参数包括电机类型、电机功率、极对数、电阻、电感中的至少一种或任意组合；CPU中第二电机接口用于设置电机仿真模型的旋变参数，还用于接收FPGA中过流、过压、过温、缺相等故障信息并传递给CPU。
在一个具体的例子中，基于Simulink软件环境搭建CPU，并使用FOC控制策略作为CPU的控制策略，控制输出6路PMW信号；
在CPU中逆变器接口设置逆变器模块中可控开关管的6个开关管通道顺序，直流母线电压设置为540V，该逆变器接口与FPGA中总通信接口端口号设定为0～9，其中0～5用于传递PWM信号，6用于设置直流母线电压，7～9用于传输3相电流信息；
在CPU中第一电机接口设置电机仿真模块中电机仿真模型的电机极对数为4，电阻为0.01欧姆，电感为0.0015H，转动惯量为0.002；该第一电机接口与FPGA中总通信接口端口号设定为10～11，其中10用于设置电机参数，11用于传输转子角度信息；
在CPU中第二电机接口设置电机仿真模块中电机仿真模型的旋变极对数为2，激励频率为10KHz，角度补偿为0；该第二电机接口与总通信接口端口号设定为12～13，其中12用于设置旋变参数，13用于传输故障信息；
基于VIVADO软件环境搭建FPGA，将逆变器模块设置为3相半桥逆变器，将电机仿真模块设置为永磁同步电机，并建立逆变器与电机正确信号传递关系；给定电机期望转速1500rpm，给FPGA和CPU同时上电运行，CPU发出6路PWM信号通过逆变器模块产生电流信号，从而带动电机仿真模块中电机仿真模型运行，仿真电机开始旋转；逆变器模块将电机电流信息反馈给CPU，电机控制模块将转子角度信息反馈给CPU，进而使CPU进行闭环计算，多次调整控制参数，进而调整PWM输出频率和顺序，直到电机达到转速1500rpm。
值得一提的是，通过在FPGA中设置了总通信接口，使得在需要对FPGA各模块的控制或参数调整时只需要通过在CPU中更改控制参数，CPU的搭建环境Simulink的模型库中存在多种控制模型，比如CLARK变换模型、PARK变换模型和PI调节模块模型等，通过模型的简单组合，就能快速搭建支持实时调参电机控制的CPU。
本发明实施方式相对于现有技术而言，将现场可编程逻辑阵列FPGA和中央处理器CPU通信连接，并在FPGA中设置总通信接口、电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块，并将电机仿真模块和逆变器模块经由FPGA中的总通信接口和CPU中的各个接口通信连接，CPU的接口包括第一电机接口、逆变器接口和第二电机接口；通过在FPGA中设置逆变器模块和电机仿真模块，由逆变器模块接收CPU发出的驱动信号并将所述驱动信号输入到开关管实现对电机仿真模块的控制，同时逆变器模块实时向CPU反馈电流信息以及电机仿真模块实时向CPU反馈转子角度信息，根据反馈信息对电机仿真模型进行实时调参，另外通过在CPU中设置多个接口，简化了对FPGA中各模块参数的设置流程，降低了基于FPGA的高速电机仿真系统的操作难度。
本发明的第三实施方式涉及一种电机仿真方法。该方法应用于电机仿真系统，电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与FPGA通信连接的中央处理器CPU，其中，FPGA包括电机仿真模块和与电机仿真模块通信连接的逆变器模块；该方法包括：CPU向逆变器模块发送驱动信号；逆变器模块接收驱动信号并通过将驱动信号输入到可控开关管控制电机仿真模块，并向CPU发送逆变器模块的电流信息；电机仿真模块运行电机仿真模型，并向CPU发送电机仿真模型的转子角度信息。
本实施方式中的一种电机仿真方法如流程图3所示，可以具体包括以下步骤：
步骤301：CPU向逆变器模块发送驱动信号。
具体地说，CPU可以基于Matlab或Simulink软件环境图形化搭建，用于向逆变器模块发送PMW驱动信号(脉宽调制信号)，并且可以通过FOC控制策略(磁场定向控制策略)或直接转矩控制策略对输出的PMW驱动信号进行控制，并通过外设部件互连标准总线PCI-E与FPGA通信连接。
步骤302：逆变器模块接收驱动信号并将驱动信号输入到可控开关管。
具体地说，FPGA可以基于VIVADO软件环境搭建，FPGA中逆变器模块用于接收CPU发送的PMW驱动信号，在逆变器模块中包含多个可控开关管，将PMW驱动信号输入到设置好的可控开关管中，输出波形为正弦波的调制信号；此外，逆变器模块还用于向CPU发送可控开关管输出的电流信息。
步骤303：可控开关管控制电机仿真模块运行电机仿真模型。
具体地说，FPGA中电机仿真模块运行电机仿真模型，接收由逆变器模块输出的调制信号，并将该调制信号作为电机仿真模型的输入信号进行电机仿真；此外，电机仿真模块还用于向CPU发送电机仿真模型的转子角度信息。CPU通过接收反馈的电流信息和转子角度信息，实时监测电机仿真模型的输出情况从而进行对输入PMW驱动信号的调整。
在一个具体的例子中，所述电机仿真系统中所述FPGA还包括总通信接口；所述电机仿真模块和所述逆变器模块经由所述总通信接口与所述CPU通信连接；所述总通信接口用于管理接收到的所述CPU的数据。
在一个具体的例子中，所述电机仿真系统中所述CPU还包括逆变器接口；所述CPU经由所述逆变器接口与所述总通信接口通信连接；所述逆变器接口用于设置所述逆变器模块中的逆变器参数。
在一个具体的例子中，所述逆变器参数包括可控开关管的驱动信号来源、所述可控开关管各通道顺序以及所述逆变器的直流母线电压。
在一个具体的例子中，所述电机系统中所述CPU还包括第一电机接口；所述CPU经由所述第一电机接口与所述总通信接口通信连接；所述第一电机接口用于设置所述电机仿真模块中电机的仿真模型的电机参数。
在一个具体的例子中，所述电机系统中所述CPU还包括第二电机接口；所述CPU经由所述第二电机接口与所述总通信接口连接；所述第二电机接口用于设置所述电机仿真模型的旋变参数。
在一个具体的例子中，所述电机系统中所述CPU根据磁场定向控制策略或直接转矩控制策略向所述逆变器模块发送驱动信号。
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。
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，只要包括相同的逻辑关系，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。
即，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)
1.一种电机仿真系统，其特征在于，包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与所述FPGA通信连接的中央处理器CPU；
其中，所述FPGA包括电机仿真模块和与所述电机仿真模块通信连接的逆变器模块；
所述CPU用于向所述逆变器模块发送驱动信号；
所述逆变器模块用于接收所述驱动信号并根据所述驱动信号控制所述电机仿真模块，还用于向所述CPU发送所述逆变器模块的电流信息；
所述电机仿真模块用于运行电机仿真模型，还用于向所述CPU发送所述电机仿真模型的转子角度信息。
2.根据权利要求1所述的电机仿真系统，其特征在于，所述FPGA还包括总通信接口；
所述电机仿真模块和所述逆变器模块经由所述总通信接口与所述CPU通信连接；
所述总通信接口用于管理接收到的所述CPU的数据。
3.根据权利要求2所述的电机仿真系统，其特征在于，所述CPU还包括逆变器接口；
所述CPU经由所述逆变器接口与所述总通信接口通信连接；
所述逆变器接口用于设置所述逆变器模块中的逆变器参数。
4.根据权利要求3所述的电机仿真系统，其特征在于，所述逆变器参数包括所述逆变器模块中可控开关管的驱动信号来源、所述可控制开关管各通道顺序以及所述逆变器的直流母线电压。
5.根据权利要求2所述的电机仿真系统，其特征在于，所述CPU包括第一电机接口；
所述CPU经由所述第一电机接口与所述总通信接口通信连接；
所述第一电机接口用于设置所述电机仿真模块中电机的仿真模型的电机参数。
6.根据权利要求5所述的电机仿真系统，其特征在于，所述电机参数包括电机类型、电机功率、极对数、电阻、电感中的至少一种或者任意组合。
7.根据权利要求2所述的电机仿真系统，其特征在于，所述CPU包括第二电机接口；
所述CPU经由所述第二电机接口与所述总通信接口连接；
所述第二电机接口用于设置所述电机仿真模型的旋变参数；
所述第二电机接口还用于接收所述FPGA中的故障信息并传递给所述CPU。
8.根据权利要求1所述的电机仿真系统，其特征在于，所述CPU根据磁场定向控制策略或直接转矩控制策略向所述逆变器模块发送驱动信号。
9.根据权利要求1所述的电机仿真系统，其特征在于，所述CPU与所述FPGA通过外设部件互连标准总线PCI-E通信连接。
10.一种电机仿真方法，其特征在于，应用于电机仿真系统，所述电机仿真系统包括：现场可编程逻辑阵列FPGA和与所述FPGA通信连接的中央处理器CPU，其中，所述FPGA包括电机仿真模块和与所述电机仿真模块通信连接的逆变器模块；
所述方法包括：
所述CPU向所述逆变器模块发送驱动信号；
所述逆变器模块接收所述驱动信号并根据所述驱动信号控制所述电机仿真模块，并向所述CPU发送所述逆变器模块的电流信息；
所述电机仿真模块运行电机仿真模型，并向所述CPU发送所述电机仿真模型的转子角度信息。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200428 |