基于NI VeriStand和JMAG-RT進(jìn)行高性能電機(jī)仿真

概覽
       NI VeriStand的JMAG附件將NI實時測試軟件技術(shù)與JMAG-RT結(jié)合，JMAG-RT是JSOL公司JMAG有限元分析（FEA）工具套件中的一部分。借助于該軟件模塊，您可以使用NI VeriStand輕松地實時運行高仿真有限元電機(jī)模型。這樣的電機(jī)仿真精確度極高，可減少花費在昂貴的物理測試上的時間。您可以使用Windows操作系統(tǒng)計算機(jī)在仿真環(huán)境中運行模型，使用實時操作系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)（HIL）仿真 ，或使用NI可重配置的I / O（RIO）硬件進(jìn)行以FPGA為基礎(chǔ)的HIL仿真，實現(xiàn)最佳性能。

       JSOL公司與NI合作開發(fā)了用于NI VeriStand的JMAG附加軟件模塊，JSOL是JMAG機(jī)電設(shè)計和開發(fā)仿真軟件的締造者。該附加軟件模塊使用由FEA生成的電感與反電動勢（EMF）數(shù)據(jù)，進(jìn)行電機(jī)模型的實時仿真。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的不對稱性會產(chǎn)生非正弦通量和電流，經(jīng)典的D-Q模型就不再適用，這時就需要采用FEA技術(shù)?；旌蟿恿ζ囍圃焐滩捎昧烁咚匐姍C(jī)，這對于優(yōu)化生產(chǎn)空間和成本來說十分重要。

圖1. NI VeriStand和JMAG RT相結(jié)合，提供了前所未有的仿真精度和運行速度。

電機(jī)的多種用途
       電機(jī)在汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大， 其在綠色能源領(lǐng)域的應(yīng)用也為嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)人員和測試工程師帶來了新的挑戰(zhàn)，速度便是其一。電子驅(qū)動引擎控制單元（ECU）控制算法的運行速度必須遠(yuǎn)快于內(nèi)部燃燒引擎的動力傳達(dá)ECU。更快的速度需求使得傳統(tǒng)的HIL測試不足以支持測試電機(jī)ECU。而電機(jī)的仿真必須具備高仿真精度，HIL測試系統(tǒng)則必須在1 µs的時間內(nèi)執(zhí)行仿真模型，以充分顯示電機(jī)的實際操作。之前，高精度仿真和高速度運行似乎不可能并存，許多測試工程師不得不因此采用更為昂貴的測功器或現(xiàn)場測試來驗證他們的嵌入式軟件。

圖2. 該略圖顯示了電機(jī)控制系統(tǒng)測試的不同階段。

基于有限元分析（FEA）仿真的益處
       在進(jìn)行高級電機(jī)驅(qū)動仿真時，工程師面臨的最大的挑戰(zhàn)之一就是如何同時保證模型的仿真度和仿真步長時間。雖然簡單的常量參數(shù)D-Q模型足以進(jìn)行部分HIL測試，但模型的高仿真精度在高級電機(jī)驅(qū)動設(shè)計中很多時候也是必須的。高精度的仿真可用于高效率電機(jī)應(yīng)用程序中控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化，該應(yīng)用在汽車和能源行業(yè)中非常常見。使用高仿真的JMAG FEA模型，您可以對復(fù)雜、非理想行為進(jìn)行仿真，如齒輪扭矩，并設(shè)計控制器來減少扭矩脈動。 同樣地，您可以對高電流時的電機(jī)電感變化進(jìn)行仿真，高電流對電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響很大，還能相應(yīng)地測試控制器。而仿真度低的模型并不能完全對齒輪扭矩、高電流時的電機(jī)電感，以及其他非線性進(jìn)行仿真，由此便會降低HIL測試的有效性。為了充分測試嵌入式控制軟件，測試人員不得不進(jìn)行更多的實地測試，并增加開發(fā)時間。

 圖3. 扭矩計算中包含了D-Q模型、離線JMAG模型和JMAG-RT模型，D-Q模型對扭矩的平均值進(jìn)行仿真，而JMAG與JMAG-RT模型對扭矩失真進(jìn)行仿真。

       在FEA仿真中，電機(jī)模型極其精確，且具有高精度，可充分體現(xiàn)電機(jī)中的非線性 。然而，這種高精真的仿真耗時嚴(yán)重，之前來說還是天方夜譚。設(shè)計工程師們不得不測量電機(jī)參數(shù)，并在后處理過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 對于復(fù)雜的電機(jī)模型，該過程需要花費數(shù)個小時。NI與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系統(tǒng)設(shè)計軟件和NI VeriStand軟件來配置實時測試應(yīng)用程序，最終完成驗證任務(wù)。 通過這樣的方式，NI滿足了電機(jī)測試和仿真中的主要需求?，F(xiàn)在您可以使用LabVIEW FPGA和基于FPGA的NI RIO硬件，從而以微秒的速度運行FEA電機(jī)模型。這些模型可精確地仿真復(fù)雜的非線性行為， 然后您就可以將在FPGA中運行的模型連接至其它硬件，以高I / O速率進(jìn)行完整測試。

用于NI VeriStand的JMAG附加軟件
       NI VeriStand是基于配置的軟件環(huán)境，可用于創(chuàng)建實時測試應(yīng)用。其即買即用的特點可幫助您進(jìn)行實時目標(biāo)主機(jī)通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵生成，以及報警檢測和響應(yīng)。NI VeriStand從仿真測試到HIL測試的轉(zhuǎn)換相當(dāng)快速，可讓您復(fù)用測試組件，包括測試文件、預(yù)警、步驟和分析程序等。您可以輕松地重新映射模型、硬件通道等參數(shù)，以促成真實I / O。如此簡單的轉(zhuǎn)換能夠節(jié)省您的回歸測試時間，并幫助您使用NI TestStand等測試執(zhí)行軟件完成自動化測試。
       NI VeriStand具備開放的框架，可通過實時插件創(chuàng)建特定應(yīng)用功能，這為測試系統(tǒng)提供了最大的靈活性。您可以借助NI VeriStand的JMAG附件在HIL測試中運行具有高精度的實時模型。它能夠啟動內(nèi)聯(lián)FEA仿真，將分析時間從幾小時縮短至微秒。您還可在NI PXI實時控制器上運行具備中等精度的FEA模型，其仿真步長約為20至30μs。在基于NI RIO的FPGA上運行FEA模型，可實現(xiàn)對仿真度要求極高的應(yīng)用程序。這些基于FPGA的模型的步長可低達(dá)1µs。JMAG電機(jī)模型庫擁有各種不同類型的電機(jī)，可與多種電機(jī)型號進(jìn)行匹配。您能夠?qū)⒖啥ㄖ贫雀叩哪Ｐ托薷某商囟ǖ碾姍C(jī)類型，從而避免創(chuàng)建自定義模型。

 圖4. 該電機(jī)仿真圖說明了，根據(jù)自身的應(yīng)用需求，您在不同的終端上應(yīng)該如何部署針對NI VeriStand的JMAG附加軟件。

       NI VeriStand和針對NI VeriStand的JMAG附加軟件可在NI PXI實時控制器和NI RIO FPGA I/ O設(shè)備上運行。NI PXI提供了多種高速和高精度的I / O模塊，可確保您獲取所需的I / O，來滿足特定的應(yīng)用需求。除了實時的PXI功能，PXI的NI RIO模塊在FPGA上還具備極高的處理速度。NI PXIe-7965R極高的性能讓您放心借助FPGA進(jìn)行模型計算，即使是在具備最高精度的JMAG-RT FEA模型上也可行。

總結(jié)
       在真實系統(tǒng)中測試多種順變電流以及故障情況往往很麻煩或難操作，但這一點可通過實時高精度電機(jī)仿真實現(xiàn)。在這之前，通過HIL測試以及標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)D-Q模型來實現(xiàn)許多情況，例如電機(jī)終端上或直流和交流總線間的故障仿真，幾乎不可能完成。
       NI的HIL平臺可提供最高仿真度的實時仿真，讓您在開發(fā)的早期階段就發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化性能。全面的HIL測試可減少驗證嵌入式軟件的現(xiàn)場測試次數(shù)，最終縮短產(chǎn)品上市時間，并提高開發(fā)效率。