基于NI VeriStand和JMAG-RT進行高性能電機仿真

　　概覽

　　NI VeriStand的JMAG附件將NI實時測試軟件技術與JMAG-RT結合，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模型。這樣的電機仿真精確度極高，可減少花費在昂貴的物理測試上的時間。您可以使用Windows操作系統計算機在仿真環(huán)境中運行模型，使用實時操作系統進行硬件在環(huán)（HIL）仿真，或使用NI可重配置的I / O（RIO）硬件進行以FPGA為基礎的HIL仿真，實現最佳性能。

　　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機電設計和開發(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）數據，進行電機模型的實時仿真。由于電機結構的不對稱性會產生非正弦通量和電流，經典的D-Q模型就不再適用，這時就需要采用FEA技術。混合動力汽車制造商采用了高速電機，這對于優(yōu)化生產空間和成本來說十分重要。

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

　　電機的多種用途

　　電機在汽車行業(yè)的應用范圍不斷擴大，其在綠色能源領域的應用也為嵌入式控制系統開發(fā)人員和測試工程師帶來了新的挑戰(zhàn)，速度便是其一。電子驅動引擎控制單元（ECU）控制算法的運行速度必須遠快于內部燃燒引擎的動力傳達ECU。更快的速度需求使得傳統的HIL測試不足以支持測試電機ECU。而電機的仿真必須具備高仿真精度，HIL測試系統則必須在1 μs的時間內執(zhí)行仿真模型，以充分顯示電機的實際操作。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場測試來驗證他們的嵌入式軟件。

　　圖2. 該略圖顯示了電機控制系統測試的不同階段。

　　基于有限元分析（FEA）仿真的益處

　　在進行高級電機驅動仿真時，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D-Q模型足以進行部分HIL測試，但模型的高仿真精度在高級電機驅動設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應用程序中控制系統性能的優(yōu)化，該應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，您可以對復雜、非理想行為進行仿真，如齒輪扭矩，并設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電感變化進行仿真，高電流對電機產生的轉矩影響很大，還能相應地測試控制器。??而仿真度低的模型并不能完全對齒輪扭矩、高電流時的電機電感，以及其他非線性進行仿真，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行仿真，而JMAG與JMAG-RT模型對扭矩失真進行仿真。

　　在FEA仿真中，電機模型極其精確，且具有高精度，可充分體現電機中的非線性。然而，這種高精真的仿真耗時嚴重，之前來說還是天方夜譚。設計工程師們不得不測量電機參數，并在后處理過程中進行數據分析。對于復雜的電機模型，該過程需要花費數個小時。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系統設計軟件和NI VeriStand軟件來配置實時測試應用程序，最終完成驗證任務。通過這樣的方式，NI滿足了電機測試和仿真中的主要需求。現在您可以使用LabVIEW FPGA和基于FPGA的NI RIO硬件，從而以微秒的速度運行FEA電機模型。這些模型可精確地仿真復雜的非線性行為，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)建實時測試應用。其即買即用的特點可幫助您進行實時目標主機通信、數據記錄、激勵生成，以及報警檢測和響應。NI VeriStand從仿真測試到HIL測試的轉換相當快速，可讓您復用測試組件，包括測試文件、預警、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，以促成真實I / O。如此簡單的轉換能夠節(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)建特定應用功能，這為測試系統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。它能夠啟動內聯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，可實現對仿真度要求極高的應用程序。這些基于FPGA的模型的步長可低達1μs。JMAG電機模型庫擁有各種不同類型的電機，可與多種電機型號進行匹配。您能夠將可定制度高的模型修改成特定的電機類型，從而避免創(chuàng)建自定義模型。

　　圖4. 該電機仿真圖說明了，根據自身的應用需求，您在不同的終端上應該如何部署針對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。