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電力電子設(shè)備測(cè)試面臨全新挑戰(zhàn)
高速
EV電力電子設(shè)備的特征在于2kHz至20kHz范圍內(nèi)的快速 切換頻率。業(yè)界希望使用基于碳化硅和氮化鎵的新設(shè)計(jì)來(lái) 進(jìn)一步提高上述頻率。要對(duì)切換行為進(jìn)行準(zhǔn)確建模，所需 的仿真時(shí)間步長(zhǎng)頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于剛才所說(shuō)的切換速度，很 多情況下，與使用基于CPU的標(biāo)準(zhǔn)仿真系統(tǒng)相比，所需頻率 要高出許多倍。
復(fù)雜行為
電機(jī)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性行為，例如磁飽和與齒槽轉(zhuǎn)矩。 此類行為可能很難建模，而且計(jì)算量非常大。線性模型可 用于測(cè)試基本的嵌入式控制器功能，但是要進(jìn)行調(diào)整和 優(yōu)化，則需要準(zhǔn)確地表示更復(fù)雜的系統(tǒng)行為。 使用基于CPU的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真具有局限性，因此無(wú)法 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的較早階段采用模型在環(huán)(MIL)和硬件在環(huán) (HIL)等基于仿真的方法，也無(wú)法避免成本高昂且耗時(shí)的電 動(dòng)發(fā)電機(jī)(電機(jī)測(cè)試臺(tái))物理測(cè)試。
方法
借助FPGA進(jìn)行高速仿真
能夠達(dá)到足夠的仿真速度，以實(shí)現(xiàn)EV電力電子設(shè)備的MIL 和HIL測(cè)試，這意味著在仿真期間達(dá)到小于1秒的范圍，即 可執(zhí)行能夠以足夠的保真度表示這些復(fù)雜系統(tǒng)的模型。要 以上述速度關(guān)閉控制回路，需要從基于CPU的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)?使用FPGA來(lái)模擬電力電子設(shè)備和電機(jī)的范例。
但是，基于FPGA的仿真帶來(lái)了新的難題。在FPGA上開(kāi) 發(fā)復(fù)雜的電力電子和電機(jī)模型通常需要專門的FPGA編 程知識(shí)。此外，整個(gè)編譯過(guò)程需要不斷重復(fù)編程、編譯和 測(cè)試的流程，需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能完成。
EV動(dòng)力總成設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于管理動(dòng)力流并優(yōu)化動(dòng)力轉(zhuǎn)換。
解決方案
NI實(shí)時(shí)測(cè)試架構(gòu) + OPAL-RT電力電子仿真
NI通過(guò)PXI和CompactRIO硬件提供了靈活的測(cè)試、測(cè)量和 控制功能。兩種系統(tǒng)都將實(shí)時(shí)CPU與用戶可編程的FPGA和 模塊化I/O結(jié)合在一起。它們還通過(guò)運(yùn)行VeriStand軟件， 將模型與I/O集成在一起，并配置和運(yùn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。
PXI和CompactRIO都提供了實(shí)現(xiàn)基于FPGA的仿真方法所 需的系統(tǒng)架構(gòu)。借助這些系統(tǒng)，您能夠以亞微秒的環(huán)路速 率運(yùn)行復(fù)雜的電力電子和電機(jī)模型，確保所需的仿真保 真度，從而返回準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果并在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早完成 更多測(cè)試。
VeriStand
VeriStand是一款實(shí)時(shí)測(cè)試軟件，可幫助您進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)主 機(jī)通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵(lì)生成，以及預(yù)警檢測(cè)和響應(yīng)。
此外，VeriStand從仿真測(cè)試到HIL測(cè)試的轉(zhuǎn)換相當(dāng)快速， 您還可復(fù)用測(cè)試組件，包括測(cè)試配置文件、預(yù)警、步驟和分 析程序等。您可以為硬件信道和物理I/O重新匹配模型中的 參數(shù)。這種過(guò)渡可在執(zhí)行回歸測(cè)試時(shí)幫助節(jié)省時(shí)間，并有助 于使用TestStand等測(cè)試執(zhí)行軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化。
此外，VeriStand還具備開(kāi)放式的框架，可通過(guò)插件創(chuàng)建應(yīng) 用程序特有的功能。這為測(cè)試系統(tǒng)提供了最大的靈活性。
OPAL-RT
適用于VeriStand的電力電子插件
NI與NI合作伙伴OPAL-RT合作，為VeriStand提供基于FPGA 的電力電子附件。該附件可直接與VeriStand集成，并且可通 過(guò)LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)套件進(jìn)行擴(kuò)展，是一款基于FPGA且功 能強(qiáng)大的電力電子和電機(jī)仿真工具，包括以下內(nèi)容：
· OPAL-RT的電子硬件求解器(eHS)，這是一種功能 強(qiáng)大的浮點(diǎn)求解器，可用于在FPGA上模擬電路，而 無(wú)需編寫數(shù)學(xué)方程式。從各種流行的電路圖編輯器 導(dǎo)入模型以進(jìn)行電力電子仿真，例如MathWorks Simscape?Electrical?專用電源系統(tǒng)庫(kù)、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim。您可以選擇 eHSx64或eHSx128來(lái)匹配電力電子拓?fù)涞膹?fù)雜性和大 小(系統(tǒng)中狀態(tài)、開(kāi)關(guān)以及測(cè)量和控制信號(hào)的數(shù)量)。
· 機(jī)器模型求解器，包括永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)配置以 及位置反饋設(shè)備(如分解器和編碼器)。
· 多個(gè)受支持的2D和3D求解器，可以從有限元分析或?qū)嶒?yàn) 數(shù)據(jù)中以表格形式導(dǎo)入機(jī)器特性。
· 信號(hào)生成引擎(例如正弦波、脈沖寬度調(diào)制(PWM)和正弦 波PWM)，直接內(nèi)置于FPGA設(shè)計(jì)中，用于生成用于開(kāi)環(huán) 和/或閉環(huán)測(cè)試的控制信號(hào)。
· 能夠使用定制的測(cè)試場(chǎng)景和參數(shù)集在仿真過(guò)程中更改參 數(shù)，可以生成故障并自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試，而無(wú)需重新加載或 重新編譯模型。
結(jié)果
借助NI和OPAL-RT解決方案，您可以在FPGA上實(shí)現(xiàn)基于亞 微秒模型的電力電子和電機(jī)仿真，進(jìn)行高準(zhǔn)確度的MIL設(shè)計(jì) 研究。您可以將這些模型連接到基于FPGA的高性能I/O，實(shí) 施高性能HIL測(cè)試系統(tǒng)。
借助模塊化硬件和開(kāi)放軟件，您可以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用 量身定制測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)在各個(gè)系統(tǒng)之間保持一致的測(cè)試 架構(gòu)，還可在之后升級(jí)系統(tǒng)，以便于滿足不斷變化的測(cè)試 要求。該解決方案可幫助您在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早轉(zhuǎn)變測(cè)試方 法，以便更快地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，盡早優(yōu)化性能，盡可能擴(kuò)大測(cè)試 范圍，同時(shí)縮短測(cè)試時(shí)間并降低測(cè)試總成本。
作者
NATE HOLMES
NI動(dòng)力總成測(cè)試主管
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測(cè)試未來(lái)的汽車ECU
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