使用 VisSim 進行無傳感器電機控制技術特性評定

技術支持

2019年9月30日 11:51

行業：汽車，電子

挑戰：為 TI 的 FAST? 觀測器進行特性評定

Altair 解決方案：開發對整套系統的VisSim仿真

優點：開發技術參考手冊；開發電機控制測試工具

項目介紹

近年來，隨著電力驅動系統和電機控制技術的應用，電力電子和微電子行業經歷了突飛猛進的發展。從晶體管、電容器、洗衣機和空調到電梯、機動車、單軌電車和離心機，電子技術已經滲透到了現代生活的每一個角落。當今的微控制單元 (MCU) 使各類應用的精度和效率更高、成本更低，包括帶有鼓風機和壓縮機的洗衣機、冰箱、HVAC（暖通空調系統），以及汽車控制系統。Texas Instruments (TI) 是一家全球性的半導體設計和制造企業，年營業額達 130 億美元。TI 的 C2000 MCU 系列產品在數字信號處理 (DSP) 技術和微處理器市場中占有很大比例的份額，能夠用于提供終極的嵌入式控制解決方案。C2000 主要面向高端處理應用，例如無傳感器磁場定向電機控制。

TI 近期推出了一款名為 InstaSPIN? 的嵌入式軟件產品。該產品可供設計人員識別、調試并全面控制任意類型的三相、變速、無傳感器式、同步或異步電機控制系統。它采用 TI 的新型軟件編碼器：FAST?（磁通、角度、速度和轉矩）無傳感器觀測器。觀測器內嵌于 Piccolo 器件的只讀存儲器 (ROM) 內。

挑戰

C2000 產品組的高級電機系統工程師 Dave Wilson 近期參與了一個對 FAST? 觀測器進行特性評定的項目，并為其建立數據表。他試圖通過設置一個帶有電路板的功率計（測力計）系統來進行控制。他的打算是，通過引入增益和偏移誤差并觀察 FAST? 觀測器的性能來進行特性評定。這種方法存在一定的問題，那就是輸出變量隨時間和溫度變化而發生變化的過程緩慢冗長，而且還需要不斷進行重新校準。此外，測力計只能測量軸轉矩，而無法測量需由 FAST 觀測器估計的電磁轉矩。總而言之，如果他正在使用的硬件配置不當，則無法對 FAST 軟件進行正確測試。

“使用 VisSim 進行該項目的關鍵優勢在于它具備代碼生成功能，而且速度非常快。其 JTAG 驅動的工作速度很快，并可以直接使用我們的 ROM 代碼，這些都是促使我們采用該軟件的主要原因，而且單就這個項目來說，這些也是最為重要的優勢。”

Dave Wilson 高級電機系統工程師

C2000 Group, Texas Instruments

解決方案

Wilson 先生四年前通過觀看網絡多媒體演示課件第一次接觸了 VisSim。回想起這款軟件極易使用的特點，他決定將其應用到當前的項目中。VisSim 為他提供了必要的工具，讓他可以快速準確地建立電力分析動力學模型和進行數字化控制。在這之后，VisSim 會自動為其圖形化圖表的控制器部分創建 C 代碼，并將代碼下載至 Piccolo 器件上運行。通過使用 VisSim JTAG Hotlink 最新軟件版本 9 中新增的全新同步模式，Wilson 先生可以在控制裝置非實時運行于目標上時，以鎖步狀態運行電機仿真，從而驗證 FAST 輸出與來自 VisSim 模型的磁通、角度、速度和轉矩的理想值是否一致。最終，無論無刷電機大小如何，只要向目標裝置 ROM 中的 FAST 觀測器應用仿真電壓和電流值，就可以進行 FAST 評估。他為除了 FAST? 觀測器之外的整個系統開發了 VisSim 仿真。仿真可以選擇性地在反饋路徑中旁路 FAST 觀測器，或者通過目標上的 FAST 觀測器關閉控制回路。此外，他現在還能隨意設置增益和偏移量的值。電阻、電感、控制器增益和電壓容差等不同參數現在都可以得到有效控制。“在這之后我就能確定 ROM 中的 FAST? 觀測器在同等條件下的輸出，并將這些輸出數據與通過仿真得到的理想值進行比較。總之， VisSim 完全解決了我遇到的難題。”Wilson 先生說，“使用 VisSim 進行該項目的關鍵優勢在于它具備代碼生成功能，而且速度非常快。其 JTAG 驅動的工作速度很快，并可以直接使用我們的 ROM 代碼，這些都是促使我們采用該軟件的主要原因，而且單就這個項目來說，這些也是最為重要的優勢。”他這樣總結道。

結論

借助 VisSim 得到的解決方案不僅包含 FAST? TRM（技術參考手冊），還含有非常有用的工具。該工具（名為 FAST Exercizor）讓 TI 的客戶可以使用 TI 的基于實際 ROM 的算法來測試他們的電機控制需求，而在此之前，他們只能通過搭載實際電機系統來實現這種測試。如此一來，他們就可以快速測試 InstaSPIN? FOC（磁場定向控制），而無須為此構建完整的系統。TI 計劃于 2016 年第一季度向其現場人員和客戶發布此工具。