基于​NI VeriStand​和​JMAG-​RT​进行​高性能​电机​仿真

概览

NI VeriStand​的​JMAG​附件​将​NI​实​时​测试​软件​技术​与​JMAG-​RT​结合,​JMAG-​RT​是​JSOL​公司​JMAG​有限​元​分析​(FEA)​工具​套​件​中的​一部分。​借助​于​该​软件​模​块,​您​可以​使用​NI VeriStand​轻松​地​实​时​运行​高​仿真​有限​元​电机​模型。​这样​的​电机​仿真​精确​度​极​高,​可​减少​花费​在​昂贵​的​物理​测试​上​的​时间。​您​可以​使用​Windows​操作​系统​计算​机​在​仿真​环境​中​运行​模型,​使用​实​时​操作​系统​进行​硬件​在​环​(HIL)​仿真 ,​或​使用​NI​可​重​配置​的​I / O(RIO)​硬件​进行​以​FPGA​为​基础​的​HIL​仿真,​实现​最佳​性能。

​ ​JSOL​公司​与​NI​合作​开发​了​用于​NI VeriStand​的​JMAG​附加​软件​模​块,​JSOL​是​JMAG​机电​设计​和​开发​仿真​软件​的​缔造者。​该​附加​软件​模​块​使用​由​FEA​生成​的​电感​与​反​电动势​(EMF)​数据,​进行​电机​模型​的​实​时​仿真。​由于​电机​结构​的​不​对称​性​会​产生​非​正弦​通​量​和​电流,​经典​的​D-​Q​模型​就​不再​适用,​这时​就​需要​采用​FEA​技术。​混合​动力​汽车​制造​商​采用​了​高速​电机,​这​对于​优​化​生产​空间​和​成本​来说​十分​重要。

图​1. NI VeriStand​和​JMAG RT​相​结合,​提供​了​前所未有​的​仿真​精度​和​运行​速度。

电机​的​多种​用途

电机​在​汽车​行业​的​应用​范围​不断​扩大, 其​在​绿色​能源​领域​的​应用​也​为​嵌入式​控制​系统​开发​人员​和​测试​工程​师​带来​了​新的​挑战,​速度​便是​其一。​电子​驱动​引擎​控制​单元​(ECU)​控制​算法​的​运行​速度​必须​远​快​于​内部​燃烧​引擎​的​动力​传达​ECU。​更​快​的​速度​需求​使得​传统​的​HIL​测试​不足​以​支持​测试​电机​ECU。​而​电机​的​仿真​必须​具备​高​仿真​精度,​HIL​测试​系统​则​必须​在​1 µs​的​时间​内​执行​仿真​模型,​以​充分​显示​电机​的​实际​操作。​之前,​高​精度​仿真​和​高速度​运行​似乎​不可能​并存,​许多​测试​工程​师​不得不​因此​采用​更​为​昂贵​的​测​功​器​或​现场​测试​来​验证​他们​的​嵌入式​软件。

 

图​2. 该​略图​显示​了​电机​控制​系统​测试​的​不同​阶段。

基于​有限​元​分析​(FEA)​仿真​的​益处

在​进行​高级​电机​驱动​仿真​时,​工程​师​面临​的​最大​的​挑战​之一​就是​如何​同时​保证​模型​的​仿真​度​和​仿真​步​长​时间。​虽然​简单​的​常量​参数​D-​Q​模型​足以​进行​部分​HIL​测试,​但​模型​的​高​仿真​精度​在​高级​电机​驱动​设计​中​很多​时候​也是​必须​的。​高​精度​的​仿真​可​用于​高​效率​电机​应用​程序​中​控制​系统​性能​的​优​化,​该​应用​在​汽车​和​能源​行业​中​非常​常见。​使用​高​仿真​的​JMAG FEA​模型,​您​可以​对​复杂、​非​理想​行为​进行​仿真,​如​齿轮​扭矩,​并​设计​控制器​来​减少​扭矩​脉​动。 同样​地,​您​可以​对​高​电流​时​的​电机​电感​变化​进行​仿真,​高​电流​对​电机​产生​的​转​矩​影响​很大,​还​能​相应​地​测试​控制器。​​而​仿真​度​低​的​模型​并​不能​完全​对​齿轮​扭矩、​高​电流​时​的​电机​电感,​以及​其他​非线性​进行​仿真,​由此​便​会​降低​HIL​测试​的​有效性。​为了​充分​测试​嵌入式​控制​软件,​测试​人员​不得不​进行​更多​的​实地​测试,​并​增加​开发​时间。

 

图​3. 扭矩​计算​中​包含​了​D-​Q​模型、​离​线​JMAG​模型​和​JMAG-​RT​模型,​D-​Q​模型​对​扭矩​的​平均值​进行​仿真,​而​JMAG​与​JMAG-​RT​模型​对​扭矩​失真​进行​仿真。

在​FEA​仿真​中,​电机​模型​极其​精确,​且​具有​高​精度,​可​充分​体现​电机​中的​非线性 。​然而,​这种​高​精​真的​仿真​耗​时​严重,​之前​来说​还是​天​方​夜谭。​设计​工程​师​们​不得不​测量​电机​参数,​并​在​后​处理​过程​中​进行​数据​分析。 对于​复杂​的​电机​模型,​该​过程​需要​花费​数​个​小时。​NI​与​JSOL​公司​合作,​借助​其​FEA​工具、​JMAG​和​JMAG-​RT,​可​生成​高​精度​模型,​再​搭配​使用​NI LabVIEW​系统​设计​软件​和​NI VeriStand​软件​来​配置​实​时​测试​应用​程序,​最终​完成​验证​任务。 通过​这样​的​方式,​NI​满足​了​电机​测试​和​仿真​中的​主要​需求。​现在​您​可以​使用​LabVIEW FPGA​和​基于​FPGA​的​NI RIO​硬件,​从而​以​微秒​的​速度​运行​FEA​电机​模型。​这些​模型​可​精确​地​仿真​复杂​的​非线性​行为, 然后​您​就​可以​将​在​FPGA​中​运行​的​模型​连接​至​其它​硬件,​以​高​I / O​速率​进行​完整​测试。

用于​NI VeriStand​的​JMAG​附加​软件

NI VeriStand​是​基于​配置​的​软件​环境,​可​用于​创建​实​时​测试​应用。​其​即​买​即​用​的​特点​可​帮助​您​进行​实​时​目标​主机​通信、​数据​记录、​激励​生成,​以及​报警​检测​和​响应。​NI VeriStand​从​仿真​测试​到​HIL​测试​的​转换​相当​快速,​可​让​您​复​用​测试​组​件,​包括​测试​文件、​预警、​步骤​和​分析​程序​等。​您​可以​轻松​地​重新​映射​模型、​硬件​通道​等​参数,​以​促成​真实​I / O。​如此​简单​的​转换​能够​节省​您​的​回归​测试​时间,​并​帮助​您​使用​NI TestStand​等​测试​执行​软件​完成​自动​化​测试。

NI VeriStand​具备​开放​的​框架,​可​通过​实​时​插​件​创建​特定​应用​功能,​这​为​测试​系统​提供​了​最大​的​灵活​性。​您​可以​借助​NI VeriStand​的​JMAG​附件​在​HIL​测试​中​运行​具有​高​精度​的​实​时​模型。​它​能够​启动​内​联​FEA​仿真,​将​分析​时间​从​几​小时​缩短​至​微秒。​您​还​可在​NI PXI​实​时​控制器​上​运行​具备​中等​精度​的​FEA​模型,​其​仿真​步​长​约​为​20​至​30μs。​在​基于​NI RIO​的​FPGA​上​运行​FEA​模型,​可​实现​对​仿真​度​要求​极​高​的​应用​程序。​这些​基于​FPGA​的​模型​的​步​长​可​低​达​1µs。​JMAG​电机​模型​库​拥有​各种​不同​类型​的​电机,​可与​多种​电机​型号​进行​匹配。​您​能够​将​可​定​制度​高​的​模型​修改​成​特定​的​电机​类型,​从而​避免​创建​自​定义​模型。

图​4. 该​电机​仿真​图​说明​了,​根据​自身​的​应用​需求,​您​在​不同​的​终端​上​应该​如何​部署​针对​NI VeriStand​的​JMAG​附加​软件。

NI VeriStand​和​针对​NI VeriStand​的​JMAG​附加​软件​可在​NI PXI​实​时​控制器​和​NI RIO FPGA I/ O​设备​上​运行。​NI PXI​提供​了​多种​高速​和​高​精度​的​I / O​模​块,​可​确保​您​获取​所需​的​I / O,​来​满足​特定​的​应用​需求。​除了​实​时​的​PXI​功能,​PXI​的​NI RIO​模​块​在​FPGA​上​还​具备​极​高​的​处理​速度。​NI PXIe-7965R​极​高​的​性能​让​您​放心​借助​FPGA​进行​模型​计算,​即使是​在​具备​最高​精度​的​JMAG-​RT FEA​模型​上​也​可行。

 

模型

运行​终端

仿真​精度

实​时​仿真​速度

理想​运行​终端​硬件

基本​运行​终端​硬件

FEA​与​JMAG

Windows

非​实​时: 数​分钟​至​数​小时

NI PXIe-8133

Windows PC

D-​Q​模型​与​常量​参数

Windows

LabVIEW​实时

20​至​30 µs

NI PXIe-8133 RT

NI PXIe-8108 RT​实​时​控制器

NI FPGA
​硬件

1​至​2 µs

用于​NI FlexRIO​的​NI PXIe-7965R FPGA​模块

NI PXI-7854R R​系列​多功能​RIO

D-​Q​模型​与​JMAG-​RT

Windows

LabVIEW​实时

20​至​30 µs

NI PXIe-8133 RT

NI PXIe-8108 RT​实​时​控制器

NI FPGA
​硬件

2​至​3 µs

用于​NI FlexRIO​的​NI PXIe-7965R FPGA​模块

NI PXI-7854R R​系列​多功能​RIO

JMAG​空间​谐​波​模型

Windows

LabVIEW​实时

20​至​30 µs

NI PXIe-8133 RT

NI PXIe-8108 RT​实​时​控制器

NI FPGA
​硬件

1 µs

用于​NI FlexRIO​的​NI PXIe-7965R FPGA​模块

用于​NI FlexRIO​的​NI PXIe-7965R FPGA​模块

 

             

总结

在​真实​系统​中​测试​多种​顺​变​电流​以及​故障​情况​往往​很​麻烦​或​难​操作,​但​这​一点​可​通过​实​时​高​精度​电机​仿真​实现。​在​这​之前,​通过​HIL​测试​以及​标准​电机​D-​Q​模型​来​实现​许多​情况,​例如​电机​终端​上​或​直流​和​交流​总​线​间​的​故障​仿真,​几乎​不可能​完成。

NI​的​HIL​平台​可​提供​最高​仿真​度​的​实​时​仿真,​让​您​在​开发​的​早期​阶段​就​发现​问题​并​优​化​性能。​全面​的​HIL​测试​可​减少​验证​嵌入式​软件​的​现场​测试​次数,​最终​缩短​产品​上市​时间,​并​提高​开发​效率。

更多​资源

进一步​了解​NI VeriStand

若​对​NI​电机​HIL​系统​有​任何​疑问,​可​发送​电子​邮件​至 electricmotorsim@ni.com

 

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