電力電子設(shè)備測試面臨全新挑戰(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)計來 進(jìn)一步提高上述頻率。要對切換行為進(jìn)行準(zhǔn)確建模，所需 的仿真時間步長頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于剛才所說的切換速度，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，而且計算量非常大。線性模型可 用于測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)行實時仿真具有局限性，因此無法 在產(chǎn)品開發(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，也無法避免成本高昂且耗時的電 動發(fā)電機(電機測試臺)物理測試。
方法
借助FPGA進(jìn)行高速仿真
能夠達(dá)到足夠的仿真速度，以實現(xiàn)EV電力電子設(shè)備的MIL 和HIL測試，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來模擬電力電子設(shè)備和電機的范例。
但是，基于FPGA的仿真帶來了新的難題。在FPGA上開 發(fā)復(fù)雜的電力電子和電機模型通常需要專門的FPGA編 程知識。此外，整個編譯過程需要不斷重復(fù)編程、編譯和 測試的流程，需要等待較長時間才能完成。
EV動力總成設(shè)計的重點在于管理動力流并優(yōu)化動力轉(zhuǎn)換。
解決方案
NI實時測試架構(gòu) + OPAL-RT電力電子仿真
NI通過PXI和CompactRIO硬件提供了靈活的測試、測量和 控制功能。兩種系統(tǒng)都將實時CPU與用戶可編程的FPGA和 模塊化I/O結(jié)合在一起。它們還通過運行VeriStand軟件， 將模型與I/O集成在一起，并配置和運行實時測試。
PXI和CompactRIO都提供了實現(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 率運行復(fù)雜的電力電子和電機模型，確保所需的仿真保 真度，從而返回準(zhǔn)確的測試結(jié)果并在設(shè)計過程中盡早完成 更多測試。
VeriStand
VeriStand是一款實時測試軟件，可幫助您進(jìn)行實時目標(biāo)主 機通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵生成，以及預(yù)警檢測和響應(yīng)。
此外，VeriStand從仿真測試到HIL測試的轉(zhuǎn)換相當(dāng)快速， 您還可復(fù)用測試組件，包括測試配置文件、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)。這種過渡可在執(zhí)行回歸測試時幫助節(jié)省時間，并有助 于使用TestStand等測試執(zhí)行軟件來實現(xiàn)測試自動化。
此外，VeriStand還具備開放式的框架，可通過插件創(chuàng)建應(yīng) 用程序特有的功能。這為測試系統(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LabVIEW軟件開發(fā)套件進(jìn)行擴(kuò)展，是一款基于FPGA且功 能強大的電力電子和電機仿真工具，包括以下內(nèi)容：
· OPAL-RT的電子硬件求解器(eHS)，這是一種功能 強大的浮點求解器，可用于在FPGA上模擬電路，而 無需編寫數(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、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim。您可以選擇 eHSx64或eHSx128來匹配電力電子拓?fù)涞膹?fù)雜性和大 小(系統(tǒng)中狀態(tài)、開關(guān)以及測量和控制信號的數(shù)量)。
· 機器模型求解器，包括永磁同步電機和感應(yīng)電機配置以 及位置反饋設(shè)備(如分解器和編碼器)。
· 多個受支持的2D和3D求解器，可以從有限元分析或?qū)嶒?數(shù)據(jù)中以表格形式導(dǎo)入機器特性。
· 信號生成引擎(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)計中，用于生成用于開環(huán) 和/或閉環(huán)測試的控制信號。
· 能夠使用定制的測試場景和參數(shù)集在仿真過程中更改參 數(shù)，可以生成故障并自動執(zhí)行測試，而無需重新加載或 重新編譯模型。
結(jié)果
借助NI和OPAL-RT解決方案，您可以在FPGA上實現(xiàn)基于亞 微秒模型的電力電子和電機仿真，進(jìn)行高準(zhǔn)確度的MIL設(shè)計 研究。您可以將這些模型連接到基于FPGA的高性能I/O，實 施高性能HIL測試系統(tǒng)。
借助模塊化硬件和開放軟件，您可以針對每個特定的應(yīng)用 量身定制測試系統(tǒng)，同時在各個系統(tǒng)之間保持一致的測試 架構(gòu)，還可在之后升級系統(tǒng)，以便于滿足不斷變化的測試 要求。該解決方案可幫助您在設(shè)計過程中盡早轉(zhuǎn)變測試方 法，以便更快地發(fā)現(xiàn)問題，盡早優(yōu)化性能，盡可能擴(kuò)大測試 范圍，同時縮短測試時間并降低測試總成本。
作者
NATE HOLMES
NI動力總成測試主管
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