使用 VisSim 进行无传感器电机控制技术特性评定

技术支持

2019年9月30日 11:51

行业：汽车，电子

挑战：为 TI 的 FAST™ 观测器进行特性评定

Altair 解决方案：开发对整套系统的VisSim仿真

优点：开发技术参考手册；开发电机控制测试工具

项目介绍

近年来，随着电力驱动系统和电机控制技术的应用，电力电子和微电子行业经历了突飞猛进的发展。从晶体管、电容器、洗衣机和空调到电梯、机动车、单轨电车和离心机，电子技术已经渗透到了现代生活的每一个角落。当今的微控制单元 (MCU) 使各类应用的精度和效率更高、成本更低，包括带有鼓风机和压缩机的洗衣机、冰箱、HVAC（暖通空调系统），以及汽车控制系统。Texas Instruments (TI) 是一家全球性的半导体设计和制造企业，年营业额达 130 亿美元。TI 的 C2000 MCU 系列产品在数字信号处理 (DSP) 技术和微处理器市场中占有很大比例的份额，能够用于提供终极的嵌入式控制解决方案。C2000 主要面向高端处理应用，例如无传感器磁场定向电机控制。

TI 近期推出了一款名为 InstaSPIN™ 的嵌入式软件产品。该产品可供设计人员识别、调试并全面控制任意类型的三相、变速、无传感器式、同步或异步电机控制系统。它采用 TI 的新型软件编码器：FAST™（磁通、角度、速度和转矩）无传感器观测器。观测器内嵌于 Piccolo 器件的只读存储器 (ROM) 内。

挑战

C2000 产品组的高级电机系统工程师 Dave Wilson 近期参与了一个对 FAST™ 观测器进行特性评定的项目，并为其建立数据表。他试图通过设置一个带有电路板的功率计（测力计）系统来进行控制。他的打算是，通过引入增益和偏移误差并观察 FAST™ 观测器的性能来进行特性评定。这种方法存在一定的问题，那就是输出变量随时间和温度变化而发生变化的过程缓慢冗长，而且还需要不断进行重新校准。此外，测力计只能测量轴转矩，而无法测量需由 FAST 观测器估计的电磁转矩。总而言之，如果他正在使用的硬件配置不当，则无法对 FAST 软件进行正确测试。

“使用 VisSim 进行该项目的关键优势在于它具备代码生成功能，而且速度非常快。其 JTAG 驱动的工作速度很快，并可以直接使用我们的 ROM 代码，这些都是促使我们采用该软件的主要原因，而且单就这个项目来说，这些也是最为重要的优势。”

Dave Wilson 高级电机系统工程师

C2000 Group, Texas Instruments

解决方案

Wilson 先生四年前通过观看网络多媒体演示课件第一次接触了 VisSim。回想起这款软件极易使用的特点，他决定将其应用到当前的项目中。VisSim 为他提供了必要的工具，让他可以快速准确地建立电力分析动力学模型和进行数字化控制。在这之后，VisSim 会自动为其图形化图表的控制器部分创建 C 代码，并将代码下载至 Piccolo 器件上运行。通过使用 VisSim JTAG Hotlink 最新软件版本 9 中新增的全新同步模式，Wilson 先生可以在控制装置非实时运行于目标上时，以锁步状态运行电机仿真，从而验证 FAST 输出与来自 VisSim 模型的磁通、角度、速度和转矩的理想值是否一致。最终，无论无刷电机大小如何，只要向目标装置 ROM 中的 FAST 观测器应用仿真电压和电流值，就可以进行 FAST 评估。他为除了 FAST™ 观测器之外的整个系统开发了 VisSim 仿真。仿真可以选择性地在反馈路径中旁路 FAST 观测器，或者通过目标上的 FAST 观测器关闭控制回路。此外，他现在还能随意设置增益和偏移量的值。电阻、电感、控制器增益和电压容差等不同参数现在都可以得到有效控制。“在这之后我就能确定 ROM 中的 FAST™ 观测器在同等条件下的输出，并将这些输出数据与通过仿真得到的理想值进行比较。总之， VisSim 完全解决了我遇到的难题。”Wilson 先生说，“使用 VisSim 进行该项目的关键优势在于它具备代码生成功能，而且速度非常快。其 JTAG 驱动的工作速度很快，并可以直接使用我们的 ROM 代码，这些都是促使我们采用该软件的主要原因，而且单就这个项目来说，这些也是最为重要的优势。”他这样总结道。

结论

借助 VisSim 得到的解决方案不仅包含 FAST™ TRM（技术参考手册），还含有非常有用的工具。该工具（名为 FAST Exercizor）让 TI 的客户可以使用 TI 的基于实际 ROM 的算法来测试他们的电机控制需求，而在此之前，他们只能通过搭载实际电机系统来实现这种测试。如此一来，他们就可以快速测试 InstaSPIN™ FOC（磁场定向控制），而无须为此构建完整的系统。TI 计划于 2016 年第一季度向其现场人员和客户发布此工具。