基于FPGA的永磁同步电机驱动系统建模与实时仿真技术

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永磁同步电机因其结构简单、体积较小、效率高、过载能力强等优点被广泛应用于工农业生产,轨道交通,电动汽车等领域。在以往的永磁同步电机驱动系统控制策略研发的过程中,实物实验虽然实验结果最贴近实际的工况,但是开发周期过长,加大了开发成本,实验的重复性也较差,如若操作不慎易造成实验设备的损坏甚至人员的伤亡。而在离线仿真中,无法对实际控制器进行实时调整,离线仿真时间与真实运行时间也不相同,仿真的实时性较差。而半实物实时仿真系统,尤其是硬件在环实时仿真技术(hardware-in-the-loop,HIL)的出现可以有效避免在电机驱动系统控制策略研发过程中遇到的上述问题。硬件在环仿真系统,用数字系统来模拟真实的硬件电路模型,与真实的控制系统相连,可以测试控制系统的可行性与控制策略的有效性,该种仿真技术的出现可以显著缩短电机控制策略的研发周期,降低研发成本,并且实验的可重复性较高,可以模拟多种故障极限情况的运行工况。本文的主要内容如下:(1)针对永磁同步电机驱动系统的各部分进行建模,对逆变器建模方法及永磁同步电机连续数学模型离散化方法进行了分析讨论和对比,采用开关函数法对三相逆变器主电路进行建模,采用欧拉法对电机的连续数学模型进行离散化,并结合负载和旋转变压器模型,实现了系统整体建模。(2)介绍了一种可以生成实时仿真模型的方法,借助System Generator(SG)工具箱,搭建系统的实时仿真模型,通过工具箱来生成Verilog工程文件,从而实现实时仿真模型可以在基于Field Programmable Gate Array(FPGA)的硬件在环仿真平台上运行。(3)由于SG工具箱中求解电机角度正余弦值的模块具有局限性,其收敛角度仅在[-π/2,π/2]区间内,因此采用一种改进的Coordinate Rotation Digital Computer(CORDIC)算法,搭建了系统被控对象的实时仿真模型。(4)基于LabVIEW软件和Xilinx公司的ZYNQ 7020FPGA开发板,通过软件编程设计了一款低成本硬件在环实时仿真平台,并采用真实的控制器,对永磁同步电机驱动系统的实时仿真模型进行了VF控制开环实验和id=0矢量控制闭环实验。通过与Simulink仿真结果的对比,验证了搭建的硬件在环实时仿真系统的可行性、准确性以及永磁同步电机驱动系统建模的有效性和正确性。
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