CN113589734B - 一种基于分布式fpga构架的电机模拟器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，本发明所提出的基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统灵活、可扩展，降低对单一FPGA计算能力要求的同时，实现了系统的模块化设计。当实际电机模拟器功率需求等级需要变化和调整时，可通过增加和删减级联FPGA控制单元的个数实现对控制系统的灵活调整，从而减小了设计人员重新开发设计整体系统的工作量，本发明适用范围广，使用灵活方便。

Description

一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统。
背景技术
电机模拟器系统正广泛应用于电力系统和工业生产测试的各个领域，如电网测试、轨道交通、电驱系统测试以及面向新能源汽车电机控制器的测试等。电机模拟器主要功能是通过内部模型运算和对半导体开关器件的高速精确开关控制实现对电机三相电气特性的模拟，从而实现对机械真实旋转电机的替代，提高对电机控制器的测试效率以及测试的安全性和灵活性。电机模拟器系统的核心性能指标为其模拟精度和系统稳定性，而为了提高系统模拟精度和系统稳定性则需尽可能提高内部逻辑和算法的运行速率。
电机模拟器系统通常包含大量高速实时并行运算逻辑和算法(us级别运算周期)，如：PWM电压采集、电机模型、电流控制、三相电流采集、位置传感器模拟以及PWM输出控制等。现有电机模拟器系统的控制构架大都基于一个独立的FPGA控制单元进行集中控制，这就带来两方面的问题：一是大量的高速实时逻辑运行对实时处理系统和单元提出了较高的计算能力要求，尤其是当单独采用一个FPGA控制单元实现所有高速运行逻辑时往往无法满足实时性要求；二是当电机模拟器功率等级提高，功率半导体器件需要扩充的时候，采用独立的FPGA控制单元无法满足PWM高速并行同步实时输出所需要的IO口个数需求，限制了电机模拟器系统整体的灵活性和扩展性。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有电机模拟器系统技术的不足，提供一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，该系统降低对单一FPGA计算能力要求的同时可灵活进行扩展，其适用范围广，使用灵活方便。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，所述主FPGA控制单元包括PWM电压采集模块、电机模型模块、电流控制算法模块和三相电流采集模块，PWM电压采集模块采集被测电机控制器输出高频PWM电压并将其作为电机模型模块的输入信号，电机模型模块对输入信号进行计算得到目标电流，三相电流采集模块采集实际电流，电流控制算法模块对目标电流和实际电流进行闭环控制，并将计算所得三相目标电压输出到从FPGA控制单元阵列；从FPGA控制单元阵列对电流控制算法模块计算所得的三相目标电压进行SVPWM输出控制；从FPGA控制单元对电机模型模块对电机位置传感器和温度传感器进行模拟。
作为一种优选方式，从FPGA控制单元阵列中包括U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组，每组PWM阵列内部包括两个以上可级联扩展的FPGA单元，且可根据电机模拟器功率等级不同而进行任意扩展。
作为一种优选方式，主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列三者之间的数据通信采用高速实时通信协议。
所述的高速实时通信协议包括但不局限于实时以太网、实时高速SPI通信、高速PXIe总线通信、CAN通信和FlexRay总线。
作为一种优选方式，U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组的各级联FPGA单元之间通过时钟同步的方法对移相载波PWM输出进行精确相位控制。
所述U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组采用SiC模块作为功率单元的基础元器件，各SiC模块之间互相并联。
所述主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元可布置于同一机柜或不同机柜内部。作为一种优选方式，所述主FPGA控制单元独立布置于测控柜，从FPGA控制单元阵列布置于功率柜，从FPGA控制单元布置于被测件操作柜，各柜体间采用低压LVDS高速差分通信线束进行实时通信。
所述的主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元均采用200M主频高性能处理器。
所述电机模型模块包括永磁同步电机模型和交流异步电机模型。
本发明的有益效果是：(1)本发明的电机模拟器系统包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，其内部各算法和逻辑之间可高速并行运行而互不干扰，提高系统的工作效率；(2)从FPGA控制单元阵列结构可根据电机模拟器功率等级不同而进行任意扩展；(3)主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列布置灵活，可根据需要将从FPGA控制单元布置于靠近被测件处，缩短位置传感器模拟信号与被测件之间距离；从FPGA控制单元阵列布置于功率半导体器件柜体内部，每相PWM阵列FPGA单元可就近布置于各自对应的功率半导体驱动板，从而减小驱动信号延时和散差，提高驱动延时一致性。
附图说明
图1是基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统示意图。
图2是对各FPGA单元在各机柜的位置布置示意图。
图3是从FPGA控制单元阵列驱动功率半导体结构示意图。
图4是电机位置传感器实现方法示意图。
图5是旋转变压器角度信号模拟原理示意图。
图6是高速SPI通信原理示意图。
图7是基于时钟同步的移相载波输出PWM示意图。
图8是基于本方案输出的13电平电压示意图。
图9是输出正弦电流波形示意图。
图10是对该正弦电流的THD谐波分析图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列三部分。主FPGA控制单元包括PWM电压采集模块、电机模型模块、电流控制算法模块和三相电流采集模块，PWM电压采集模块采集被测电机控制器输出高频PWM电压并将其作为电机模型模块的输入信号，电机模型模块对输入信号进行计算得到目标电流，三相电流采集模块采集实际电流，电流控制算法模块对目标电流和实际电流进行闭环控制(采用dq轴电流闭环方式)，并将计算所得三相目标电压输出到从FPGA控制单元阵列进行电压调制输出。本实施例中主FPGA控制单元采用独立的主频200MHz的PXIe-FPGA板卡，PWM电压采集模块采用高速AD模块。
从FPGA控制单元阵列对电流控制算法模块计算所得的三相目标电压进行SVPWM输出控制；本实施例中，从FPGA控制单元阵列采用主频200MHz的多个级联单板FPGA，从FPGA控制单元阵列中包括U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组，每组PWM阵列内部包括两个以上可级联扩展的FPGA单元，且可根据电机模拟器功率等级不同而进行任意扩展。
从FPGA控制单元对电机模型模块对电机位置传感器和温度传感器进行模拟。本实施例中，从FPGA控制单元采用主频200MHz的单板FPGA实现对电机位置传感器(光电编码器和旋转变压器)的模拟及温度传感器的模拟，其可单独布置于距离被测件较近的位置，从而保证对旋变10～20kHz正弦信号的采集和模拟。
本发明的主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元可布置于同一机柜或不同机柜内部，其设置方式灵活。如图2所示，为其中一种布置方式举例，电机模拟器系统采用三个独立柜体设计，包括被测件操作柜、功率柜和测控柜，主FPGA控制单元独立布置于测控柜，从FPGA控制单元阵列布置于功率柜，从FPGA控制单元布置于被测件操作柜，各柜体间采用低压LVDS高速差分通信线束进行实时通信。采用此种FPGA布置方案的优势在于：1.测控柜可布置于测试人员临近位置，便于与测试上位机进行数据传输和通信；2.功率柜可根据用户功率等级需求对级联FPGA控制单元PWM阵列进行扩展；3.位置传感器模拟所用的从FPGA控制单元布置于临近被测电机控制器处，可尽可能缩短旋变和光编等高频信号线束的长度。此外，还可根据用户需求、现场场地布置空间及功率等级等对主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元进行其他灵活布置和排列方案的制定。
本实施例中，以从FPGA控制单元阵列的U相PWM阵列组为例，对U/V/W相PWM阵列驱动功率半导体结构进行说明，V/W相PWM阵列组与U相PWM阵列组类似。如图3所示，为了实现驱动功率的模块化设计，本发明采用多个可级联扩展的FPGA单元的方案，各级联FPGA即FPGA_U1、FPGA_U2、FPGA_Un-1、FPGA_Un之间利用高速信号传输菊花链结构对电压指令进行实时传递，并通过时钟同步机制对各自输出PWM的相位控制，U/V/W各相使用独立的PWM阵列组，即U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组。采用SiC模块作为功率单元的基础元器件，且各SiC模块之间互相并联，即共同接入相同的直流高压，各级联FPGA通过对输出PWM的相位控制实现对输出相电压的正弦度优化和谐波抑制，且各SiC模块上下桥臂的PWM信号间采用死区时间注入方法防止出现上下桥臂的直通，从而避免器件的损坏。基于此种PWM阵列的扩展方式是通过增加级联FPGA控制单元，并通过菊花链方式将传输的电压指令高速信号进行再扩展，并通过增加软铜排的方式实现对SiC模块功率单元直流高压输入端口和相电压输出端口的级联扩展。
从FPGA控制单元接收到主FPGA单元发送的角度信号后，通过内部逻辑程序实现对两种位置传感器的模拟，即旋转变压器和光电编码器，如图4所示。其中，旋转变压器模拟部分接收被测电机控制器发送的高频激励信号(2k～20kHz)，并进行高速AD转换，得到信号表达如下：
V＝Vesinωt
其中，Ve为激励信号幅值，单位为V；ω＝2πf为激励信号角频率，单位为rad/s；t为时间，单位为s。
从FPGA控制单元基于当前模拟电机转子角度θ对旋变sin和cos信号进行模拟，sin信号表达：
Vs＝Ks·sinθ·V＝Ks·sinθ·Vesinωt
cos信号表达：
Vc＝Kc·cosθ·V＝Kc·cosθ·Vesinωt
其中，Ks和Kc分别为sin信号和cos信号相对于激励信号的变比，基于激励信号所模拟正弦信号和余弦信号如图5所示，被测电机控制器可通过对正弦信号和余弦信号外包络线的提取和反正切计算对当前实际角度θ的估算。
光电编码器模拟部分接收被测电机控制器的光编供电，采用对A/B/Z信号的差分模拟来实现对不同角度的表示，即首先根据光电编码器码盘所含脉冲数对单个脉冲所对应的角度进行计算，表达式如下所示：
其中，n为码盘脉冲数，本方案采用4096线码盘，Δθ为单个脉冲对应角度。则可通过当前实际机械角度θ来判断其处于A/B脉冲的正相位或者负相位，且A和B脉冲本身相差90°，Z脉冲则在360°范围内仅在0°完成一次脉冲跳变。
本发明所述的主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元内部各算法和逻辑之间可高速并行运行而互不干扰。如图6所示，以SPI通信为例，展示其具体实施过程。对于并行高速运行的FPGA单元，本方案采用四根数字线束进行SPI高速通信的实现，其中一根作为时钟总线，即SCK，时钟信号决定了主从之间数字通信的波特率，为实现信号不因高速传输而发生畸变，采用LVDS差分专用芯片实现信号电平的转换，并以双绞线的形式排查传输共模干扰；采用一根线束作为片选，即可实现传输的使能功能，在无数据帧传输时片选拉高，降低FPGA程序的运行负载率，在由数据帧传输时片选拉低，实现从节点的唤醒和数据接收；对于主控制器节点来说，采用一根数据线束作为发送，并同时采用一根数据线束作为接收，收发数据通过内部移位寄存器对内部缓冲区进行高速读写，避免由于数据传输量过大导致的数据阻塞和丢失。
UVW各相独立的PWM阵列内部各级联FPGA单元之间通过时钟同步的方法实现对移相载波PWM输出的精确相位控制。本发明中所述的基于时钟同步的移相载波PWM输出，可通过硬线触发中断方式或周期性计数同步方式实现对各并联SiC模块PWM波形的精确相位控制。
如图7所示，以三个级联FPGA(每个FPGA分别控制一个SiC半桥)为例，为基于时钟同步的移相载波输出PWM示意图，其中，采用硬线触发中断的方式对三个FPGA的周期性技术进行同步，形成周期性计数的载波，采用内部时钟延时的方式对各载波之间的相位差进行精确控制，各载波之间相位差为
电压指令通过SPI菊花链通信方式进行传递，并基于此输出电压形成调制波，各FPGA所形成载波与调制波进行比较后输出相位差为120°的方波信号。
如图8所示，为基于12个FPGA级联单元并联，并采用移相载波计数后输出的相电压波形实验图像，由图可见，采用所提出的基于模块化FPGA级联方案可输出近似于正弦波的电压，电平数为并联FPGA个数加一(此处具有13个电平)，能够有效的降低电压THD谐波输出分量，提升电机模拟器电压模拟精度。
如图9所示，为基于此分布式FPGA构架下电机模拟器实验输出正弦电流波形示意图，由图可见基于此发明所实现的电流正弦度较高，电流幅值约为±60A，电流交变频率约为10Hz，THD谐波含量约为1.38％，如图10所示，满足对电机正弦电流的模拟需求。
综上，本发明所提出的基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统灵活可扩展，降低对单一FPGA计算能力要求的同时，实现了系统的模块化设计。当实际电机模拟器功率需求等级需要变化和调整时，可通过增加和删减级联FPGA控制单元的个数实现对控制系统的灵活调整，从而减小了设计人员重新开发设计整体系统的工作量。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。

Claims (10)

1.一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述电机模拟器系统包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，所述主FPGA控制单元包括PWM电压采集模块、电机模型模块、电流控制算法模块和三相电流采集模块，PWM电压采集模块采集被测电机控制器输出高频PWM电压并将其作为电机模型模块的输入信号，电机模型模块对输入信号进行计算得到目标电流，三相电流采集模块采集实际电流，电流控制算法模块对目标电流和实际电流进行闭环控制，并将计算所得三相目标电压输出到从FPGA控制单元阵列；从FPGA控制单元阵列对电流控制算法模块计算所得的三相目标电压进行SVPWM输出控制；从FPGA控制单元对电机模型模块对电机位置传感器和温度传感器进行模拟。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：从FPGA控制单元阵列中包括U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组，每组PWM阵列内部包括两个以上可级联扩展的FPGA单元，且可根据电机模拟器功率等级不同而进行任意扩展。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组采用SiC模块作为功率单元的基础元器件，各SiC模块之间互相并联。
4.根据权利要求2所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组的各级联FPGA单元之间通过时钟同步的方法对移相载波PWM输出进行精确相位控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列三者之间的数据通信采用高速实时通信协议。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述的高速实时通信协议，包括但不局限于实时以太网、实时高速SPI通信、高速PXIe总线通信、CAN通信和FlexRay总线。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元可布置于同一机柜或不同机柜内部。
8.根据权利要求7所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述主FPGA控制单元独立布置于测控柜，从FPGA控制单元阵列布置于功率柜，从FPGA控制单元布置于被测件操作柜，各柜体间采用低压LVDS高速差分通信线束进行实时通信。
9.根据权利要求1所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述的主FPGA控制单元、从FPGA控制单元阵列和从FPGA控制单元均采用200M主频高性能处理器。
10.根据权利要求1所述的一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，其特征在于：所述电机模型模块包括永磁同步电机模型和交流异步电机模型。
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