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電機控制器功率級HIL測試解決方案,基本原理及優勢與應用

發布人:漢格威新能源    發布時間:2018-03-30 16:17

導讀:電機控制系統廣泛應用于航空航天、軌道、兵器、船舶、工業自動化等領域,隨著電機控制系統交流化、數字化、集成化的發展趨勢,利用半實物仿真提高系統的開發效率越來越受到……

 

電機控制系統廣泛應用于航空航天、軌道、兵器、船舶、工業自動化等領域,隨著電機控制系統交流化、數字化、集成化的發展趨勢,利用半實物仿真提高系統的開發效率越來越受到重視。在針對伺服控制器成品的測試驗證階段,HIL 半實物仿真可以根據測試對象、測試方法的不同,分為信號級、功率級和機械級三種形式。

 

電機控制系統半實物仿真簡介

 

 

信號級HIL:測試系統利用基于FPGA 的高速實時仿真技術來模擬逆變器、電動機、機械負載。測試對象為伺服控制器。信號級HIL 已經在國內各行業得到廣泛應用,具有造價低、組建靈活等特點。但是,由于控制器成品往往將控制器與驅動器做成一體,信號級HIL 必須由待測控制器提供電流反饋接口,否則無法完成電流閉環,同時,信號級HIL 也無法實現對逆變器(驅動放大部分電路)的測試,所以其測試對象覆蓋面窄,可在單獨測試電機控制器控制邏輯時選用信號級HIL。

 

機械級HIL:利用仿真設備通過電機拖動臺架子系統與待測電機及控制器進行機械連接,實現對機械負載的模擬。測試對象為包括控制器、驅動器、電機、傳動的完整伺服控制系統。該方法是針對伺服系統的最完整測試方法,也常常作為出廠檢測的手段,但是也有造價高、周期長、占地大等局限,并且難以模擬多自由度負載。在測試整套電機傳動系統對負載的響應特性時可選用機械級HIL。

 

功率級HIL:測試系統利用FPGA 高速實時仿真技術、變頻器對拖技術模擬電動機和機械負載。測試對象為控制器和驅動器。該方法可以實現針對控制系統更全面測試,但由于其技術難度很高,長期被國外廠商壟斷,價格居高不下。功率級HIL 不需要待測控制器成品提供電流反饋接口,可通過調節參數改變電機負載大小,在測試電機控制器邏輯及驅動器在真實電流條件下的性能時可選用功率級HIL。

 

功率級HIL 的優點:

 

不需對控制器成品進行接口改造即可測試控制器成品的控制算法+ 驅動器

可測試控制器成品的全部傳感器在高頻大電流環境下的性能

一個功率級 HIL 平臺可覆蓋多種電機控制器的測試,通過修改模型參數即可實現對不同電機、負載的模擬

不存在機械級 HIL 的安全隱患,也可模擬多自由度負載

不存在機械級 HIL 中的同軸度問題

占地面積小,實施周期短

可實現故障注入

潤科通用功率級HIL:PowerHIL

 

基本原理及組成

 

PowerHIL 主要由HiGale 實時仿真子系統和電機電力模擬子系統兩部分組成。HiGale 實時仿真子系統負責電機模型與電流復合控制模型的實時解算;電機電力模擬負載子系統通過變流技術實現對三相負載電流的模擬。電機功率級HIL 原理如下圖:

 

 

電機電力模擬子系統又包括創新型主電路、對拖電抗器、信號采集單元、電流傳感器、電壓傳感器。應用脈沖分配技術、多橋臂并聯技術、復合控制技術實現高帶寬、高精度的三相電流控制,從而實現對電機電氣特性的高動態模擬。

除HiGale 實時仿真子系統和電機電力模擬子系統外,PowerHIL 包括信號適配單元和斷線測試單元。信號適配單元用于理線,對接控制器成品接口;斷線測試單元用于實時仿真機輸出信號測量和斷線測試。其機柜布局如下圖:

 

 

下圖為國產某小功率控制器功率級HIL 的效果圖和實驗監控界面,效果圖中,黑色曲線代表電機轉速,紅、綠、藍色曲線分別代表U、V、W 相電流。

 

 

主要特點:

 

基于 FPGA的 100ns級電機 +逆變器高速動態仿真

可以實現針對控制器 +驅動器的電機控制器成品的整體測試

高動態測試控制器的控制算法和所有傳感器性能

可考核驗證驅動器在真實電流環境下的性能

無需額外開發信號級電流反饋接口

創新型主電路 + 脈沖分配技術,基于 FGPA 電機仿真板卡的對拖逆變器單相PWM 頻率可達20KHz

自帶能量回饋技術,電源母線電流小,耗能低

定制化實驗監控界面

可實現多種故障注入

多種保護邏輯防止設備發生損壞

 

客戶收益:

 

不需要任何接口改造即可最大限度測試控制器成品的控制器+ 驅動器+ 全部傳感器,快速暴露產品問題,提升效率僅通過調參即可完成電機參數、 負載力矩的改變

 

具有旋轉變壓器、光電編碼器、霍爾信號模擬,同一平臺可模擬多種類型、多種參數的電機,使得同一平臺可以完成多種控制器成品的測試任務借助豐富的故障注入功能,可充分測試控制器成品的故障保護功能

 

占地面積小,不存在機械安全隱患

 

應用案例:

 

某環控高/ 低溫泵電機功率級仿真測試系統

 

某型號飛機工作環境動態特性大,主機廠為了保證其供應商設計提供的環控高/ 低溫泵電機控制器滿足快速性、穩定性、可靠性的指標要求,需要對電機控制器進行功率級仿真測試。

 

由潤科通用負責研制開發的電機功率級HIL 項目也是首例由國內供應商實現的功率級HIL 仿真。

系統特點:

 

國內首套 6KW 級電機功率級仿真系統

 

多并聯橋臂+脈沖分配技術實現20KHz高開關頻率

針對性濾波電路+保護邏輯

復合高動態控制算法

270V高母線電壓

 

高性能的信號調理系統

考核驗證驅動器在 20A,350Hz電流環境下的性能

定制化實驗監控界面

提供基于反射內存的自動化測試功能

多種保護邏輯防止設備發生損壞

 

某關節伺服控制系統穩定性分析與驗證平臺

 

潤科通用與航天某所合作,展開空間機械臂關節伺服控制系統穩定性分析與試驗驗證平臺的建設。該平臺可以完成對直流28V 供電,300W 的直流無刷電機控制器的功率級測試,

 

并且仿真模型中可以模擬負載的實時變化。此平臺可以實現故障注入功能,其中,軟故障包括電阻電感熱性能變化、傳感器精度降低、電機卡死等;硬故障包括電機繞組斷路、位置傳感器信號斷路故障、硬故障通過實時仿真系統的DO 接口控制繼電器實現。

 

電機功率級HIL 特點:

 

脈沖分配技術實現 20KHz高開關頻率

創新型諧波吸收主電路減少諧波

定制化實驗監控界面

軟故障:電機參數熱性能變化、電機卡死、傳感器精度降低等

硬故障:電機繞組短路,傳感器信號斷路

多種保護邏輯防止設備發生損壞

 

某數字化智能供配電技術研究系統

 

潤科通用與兵器某所合作,開展數字化智能供配電技術研究系統的建設,其中包括伺服系統的功率級半實物仿真平臺。此平臺可實現對270V、56V、28V 直流供電、最大功率為10KW 的的待測控制器的功率級仿真。支持多種傳感器類型,包括旋轉變壓器、增量式編碼器、霍爾傳感器等。

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