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基于VT系統(tǒng)的電驅(qū)及功率級器件的閉環(huán)測試

北匯信息POLELINK ? 2023-07-31 23:32 ? 次閱讀

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展,電機(jī)控制器的復(fù)雜性和重要性日益增加。電機(jī)控制器作為新能源汽車核心三大件部件之一,同時也廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中。電機(jī)控制器通過控制算法發(fā)出指令驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)扭矩/轉(zhuǎn)速的控制。為了在軟/硬件開發(fā)前期快速驗(yàn)證應(yīng)用層算法功能及基礎(chǔ)軟件質(zhì)量,同時實(shí)現(xiàn)極限工況驗(yàn)證和復(fù)雜場景復(fù)現(xiàn),硬件在環(huán)(HIL)測試在整個電機(jī)控制器開發(fā)過程中扮演著重要的角色,能夠降低各類電機(jī)控制器開發(fā)成本,加快研發(fā)進(jìn)度,因此備受整車廠和供應(yīng)商的重視。電機(jī)控制器信號級閉環(huán)HIL測試以其低成本、高安全性及高靈活度等特性,受到廣泛青睞。

電機(jī)控制器整體簡介

以永磁同步電機(jī)(PMSM)控制器為例,主要由微控制器MCU控制板)、逆變器傳感器、散熱組件和殼體等部件組成。其中MCU控制板接收整車控制器的指令,運(yùn)行電機(jī)控制算法,發(fā)出控制信號給逆變器;逆變器接收MCU控制板信號,高頻控制IGBT/MOSFET半導(dǎo)體功率器件通斷,逆變輸出三相交流電,從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動;傳感器負(fù)責(zé)電機(jī)本體和逆變器反饋信號的采樣,用于MCU控制板中控制算法的閉環(huán)。

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01

電機(jī)控制器邏輯連接圖

MCU控制板到逆變器的信號控制原理

在PMSM電驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)中,逆變器負(fù)責(zé)將動力電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓的交流電壓,進(jìn)而提供給驅(qū)動電機(jī)。從工作原理上來看,在電源與負(fù)載之間至少設(shè)置三組開關(guān)形成三相橋,通過控制開關(guān)的通斷,改變經(jīng)過負(fù)載的電流方向,從而得到平均電流為零且方向會隨著時間變化的交流電。

以圖2典型三相電壓源逆變器為例,Ua、Ub、Uc是逆變器的電壓輸出,Q1到Q6是6個功率晶體管,分別被a、a’、b、b’、c、c’這6個控制信號控制。當(dāng)逆變器同相上半橋部分的各個功率晶體管導(dǎo)通時,其下半橋部分的功率晶體管將會對應(yīng)關(guān)閉。因此上半橋?yàn)?或者1的狀態(tài),將決定Ua、Ub、Uc三相輸出電壓的波形情況。

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02

典型三相電壓源逆變器拓?fù)鋱D

從圖2中不難看出,因?yàn)殚_關(guān)變量矢量[a、b、c]有8個不同的組合值,故其輸出的相電壓和線電壓有8種對應(yīng)組合,其與輸出的線電壓和相電壓對應(yīng)關(guān)系如表1。

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功率晶體管開關(guān)狀態(tài)和對應(yīng)輸出線電壓、

相電壓的關(guān)系

其中UAN、UBN、UCN表示3個輸出的相電壓,UAB、UBC、UCA表示3個輸出的線電壓。因此通過MCU控制板高頻控制開關(guān)器件通斷,便可以改變逆變器電路輸出的電壓大小和頻率。

PWM調(diào)制技術(shù)可以通過一系列寬窄不等的脈沖進(jìn)行調(diào)制,等效生成正弦波形(修改幅值、相位和頻率),這樣輸出的波形具有平滑且低次諧波少等特點(diǎn)。在PWM波形中,各脈沖的幅值是相等的,要改變等效輸出正弦波的幅值時,只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。此技術(shù)因控制理論成熟,控制效果優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于MCU控制板和逆變器的驅(qū)動鏈路中。

在電機(jī)控制器中一般還會有冷卻系統(tǒng),通過逆變器內(nèi)的溫度傳感器,監(jiān)測逆變器內(nèi)部的溫度變化。當(dāng)溫度過高時(變頻、升壓、頻繁通斷開關(guān)器件均會導(dǎo)致溫度升高),MCU控制板會接收到溫度傳感器發(fā)出的信號,并根據(jù)算法控制散熱組件對逆變器進(jìn)行降溫,對電機(jī)進(jìn)行降速等操作。

逆變器到電機(jī)的信號原理

以PMSM永磁同步電機(jī)為例,電機(jī)主要由永磁體制造的轉(zhuǎn)子,帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可選)組成。當(dāng)定子線圈通電后,通過改變輸入到定子線圈上的電流改變頻率和波形,在定子線圈周圍形成一個繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場,這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁體轉(zhuǎn)動,電機(jī)便會轉(zhuǎn)動起來。

針對于PMSM永磁同步電機(jī),使用FOC法進(jìn)行控制,能夠精確地控制磁場大小與方向,使得電機(jī)的運(yùn)動轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),同時具有噪聲小、效率高、具有高速的動態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)。

通過三相全橋的PWM調(diào)節(jié)三個相線上的電流(灰色),三個方向矢量合成的磁場方向(紅線)可以指向一周的任意方向,在三個線圈上的電流和為0。通過測量/計算得到當(dāng)前線圈的三個電流(灰色),即可獲知當(dāng)前線圈的磁場方向,通過Clark變換和Park變換,將三相電流轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子磁鏈方向(d軸,直軸)和轉(zhuǎn)子磁鏈垂直方向(q軸,交軸)的電流,其中d軸用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場疊加的磁場,q軸用于扭矩大小和方向的控制,實(shí)現(xiàn)對勵磁電流和扭矩電流的解耦,從而完成對電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

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03

三個方向矢量合成的磁場方向

MCU控制板HIL系統(tǒng)整體簡介

HIL測試系統(tǒng)通過軟硬件仿真的方式,為被測控制器提供正常運(yùn)行所需的供電、總線通訊、傳感器輸入、被測對象輸出測量等資源,使被測控制器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境且無需依賴真實(shí)部件的情況下運(yùn)行并進(jìn)行測試驗(yàn)證。MCU控制板作為電機(jī)控制器的控制算法核心,其HIL測試系統(tǒng)使用數(shù)學(xué)模型來表示整個系統(tǒng)的物理狀態(tài)并使用IO板卡連接到MCU控制板,從而實(shí)現(xiàn)對MCU控制板的代碼和硬件電路測試。在MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試中,僅MCU控制板使用真實(shí)硬件,其余部件均通過數(shù)學(xué)模型和硬件IO進(jìn)行模擬。根據(jù)上述介紹,需要進(jìn)行仿真的數(shù)學(xué)模型主要有電機(jī)模型、逆變器模型和傳感器模型。

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04

MCU控制板信號級HIL測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

在建模時需根據(jù)實(shí)際被控對象選擇電路拓?fù)淠P突驍?shù)學(xué)模型,電路拓?fù)淠P椭饕ㄟ^電力電子器件進(jìn)行搭建,其特點(diǎn)是操作簡便,方便用戶進(jìn)行建模,同時還有部分集成好的模型可供用戶使用,如MATLAB/Simulink模塊庫中便有一些成熟的電機(jī)和逆變器模型;而數(shù)學(xué)建模主要是通過將物理對象數(shù)學(xué)化,方便在模型中加入一些自定義元素,如對模型的具體參數(shù)做動態(tài)修改,同時方便移植到不同平臺中。實(shí)際應(yīng)用時,可根據(jù)MCU控制板測試需求進(jìn)行取舍。

>

電機(jī)模型

對于一個星形連接的三相電機(jī),該電機(jī)模型和電壓方程如下所示:

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05

三相星形連接電機(jī)模型和電壓方程示意圖

其中R為電阻,Ld、Lq為繞直軸和交軸的電感,Ψ為磁通量,為磁場旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

通過d軸和q軸電流,可以得到電磁力矩方程: =3/2(Ψ + ( ? ) );其中為電機(jī)力矩,為電機(jī)極對數(shù)。

>

逆變器模型:

逆變器模型主要由6個IGBT/MOSFET和6個反向二極管構(gòu)成,每2個IGBT/MOSFET和反向二極管組成1個H半橋,一共3個H半橋。通過對集電極/漏極和發(fā)射極/柵極的電壓進(jìn)行參數(shù)化,可以實(shí)現(xiàn)對IGBT/MOSFET功率器件的模擬。由于IGBT/MOSFET是非理想開關(guān)器件,其開通和關(guān)斷時間不是嚴(yán)格一致的,因此在進(jìn)行模型參數(shù)化設(shè)置時,應(yīng)注意“死區(qū)時間”的設(shè)置。

施加到電機(jī)上的電壓主要由6個功率器件狀態(tài)和它們的集電極/漏極和發(fā)射極/柵極電壓所決定。

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06

逆變器模型原理圖

>

傳感器模型:

傳感器模型主要包含位置傳感器模型、電流傳感器模型、電壓傳感器模型、溫度傳感器模型等。以常用的位置傳感器模型為例,旋轉(zhuǎn)變壓器將轉(zhuǎn)子角度和速度信號轉(zhuǎn)換為正余弦信號,MCU控制板通過對該旋變信號的解碼得到所需的位置信息。將旋轉(zhuǎn)變壓器模型進(jìn)行數(shù)學(xué)方程簡化,可以得到激勵信號和旋變輸出電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系:

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07

旋轉(zhuǎn)變壓器模型原理圖

基于VT5838進(jìn)行信號級電機(jī)閉環(huán)仿真

針對上述需求,Vector推出VT5838多I/O高速VT板卡。該板卡可以獨(dú)立放置于桌面式6槽小型VT System機(jī)箱中使用,也可以配合其他供電、總線、低速I/O信號VT System板卡使用,實(shí)現(xiàn)完整的MCU控制板的信號級HIL測試系統(tǒng)。VT5838還可以滿足DC/DCAC/DC等信號級閉環(huán)測試需求,被控對象高速閉環(huán)仿真也可通過VT5838實(shí)現(xiàn)。使用VT5838需要配合CANoe 17.0及以上版本使用。

VT5838能夠提供16路數(shù)字I/O、8路模擬輸入、6路單端模擬輸出,8路單端或4路差分可配置的模擬輸出接口。搭載用戶可編程FPGA芯片,支持進(jìn)行各類電機(jī)模型、逆變器模型、旋轉(zhuǎn)變壓器/溫度等傳感器模型的建模和仿真,并通過自身I/O資源與MCU控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。VT5838各I/O通道詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如下表所示。

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VT5838板卡詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)

在進(jìn)行MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試時,VT5838接收的PWM信號一般為高于10kHz的調(diào)制信號。為了獲取精確的采樣結(jié)果,仿真模型的仿真頻率一般至少10倍于MCU控制板的頻率。因此在仿真建模時,模型的步長設(shè)置會小于10μs。如果模型在PC或常規(guī)實(shí)時系統(tǒng)上運(yùn)行,由于硬件及軟件架構(gòu)限制,仿真步長無法保證。而當(dāng)模型在FPGA上運(yùn)行時,由于FPGA具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和專用資源,能夠得到理想的仿真結(jié)果。VT5838搭載Intel Cyclone V系列芯片,該芯片有300k個邏輯處理單元,最高可支持80MHz的時鐘頻率,能夠滿足IGBT/MOSFET、電機(jī)、旋變信號等模型步長的要求。通過Simulink和Intel提供的DSP Builder Advanced Block Set進(jìn)行各類電機(jī)、逆變器、位置傳感器/溫度傳感器的數(shù)學(xué)建模,匹配VT5838的硬件I/O接口,編譯生成可執(zhí)行文件,利用VT System FPGA Manager工具將編譯后的模型部署到FPGA芯片中。

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08

FPGA仿真建模工具鏈?zhǔn)褂?/p>

以之前描述的MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試為例,MCU控制板共輸出6個PWM和1對旋變勵磁信號給VT5838板卡,其中6個PWM用于高頻控制IGBT器件通斷驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動;勵磁激勵信號用于旋變模型的勵磁線圈產(chǎn)生交流基準(zhǔn)源磁場;VT5838可以反饋3個相電流、1個母線電壓、1個母線電流和2對旋變信號給MCU控制板,其中:逆變器模型通過接收MCU控制板6個PWM信號產(chǎn)生3相交流電壓;電機(jī)模型根據(jù)電機(jī)固有參數(shù)和3相電壓反饋出3相電流供MCU控制板進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算;模型輸入母線電壓可通過CANoe用戶界面自定義設(shè)置,電壓傳感器模型根據(jù)用戶設(shè)置信息,將母線電壓調(diào)理成MCU控制板所需要的電壓,并通過VT5838模擬量輸出通道發(fā)送給MCU控制板;旋轉(zhuǎn)變壓器(位置傳感器)模型根據(jù)勵磁激勵信號和電機(jī)位置信息計算出正余弦函數(shù)的調(diào)幅信號供MCU控制板解析出電機(jī)的位置信息。同時,用戶可在Simulink模型中自定義添加系統(tǒng)變量,方便在CANoe監(jiān)視界面進(jìn)行數(shù)據(jù)配置和查看,如電機(jī)速度、扭矩、反電動勢等模型運(yùn)行過程中的信息。

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09

基于VT5838 MCU控制板信號級閉環(huán)HIL邏輯圖

>

使用MATLAB/Simulink和DSP Builder搭建VT5838 FPGA模型及VT5838使用方法如下:

1.

使用Simulink和DSP Builder Advanced Block Set工具進(jìn)行數(shù)學(xué)建模及編譯;

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10

Simulink中搭建“逆變器+電機(jī)+傳感器”模型

2.

將編譯后的文件使用FPGA Manager部署于VT5838的FPGA芯片中;

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11

FPGA Manager 配置按鈕

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12

FPGA Manager 導(dǎo)入VT5838模型工程

導(dǎo)入VT5838模型后,按如圖順序查看模型中匹配的CANoe系統(tǒng)變量,點(diǎn)擊步驟3 Persist,即可完成編譯后的模型文件到FPGA芯片的部署。

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13

FPGA Manager 查看CANoe系統(tǒng)變量信息

配置完成后,按照VT System正常操作,點(diǎn)擊Hardware - VT System Configuration - Adapt to Connected Modules獲取已連接配置的VT System板卡信息,在該界面中可勾選CANoe和FPGA模型之間的接口變量和參數(shù)信息。然后點(diǎn)擊Hardware - VT System Control進(jìn)入VT System控制面板,進(jìn)入VT5838的控制監(jiān)視界面,從而進(jìn)行MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試。

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14

VT5838 CANoe監(jiān)視界面

>

信號采集示例:

1.

逆變器作為關(guān)鍵執(zhí)行器,對數(shù)字信號采集頻率要求很高。MCU控制板在啟動時,VT5838將采集到的PWM信息傳遞給自身的逆變器模型,然后逆變器模型將調(diào)制后的電壓波形實(shí)時輸出。下圖是MCU控制板啟動時,示波器撲獲到VT5838采集的PWM信號和輸出的A相電流效果圖:

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15

VT5838數(shù)字信號采集和模擬量輸出效果圖

2.

旋轉(zhuǎn)變壓器模型將控制器輸入的勵磁信號進(jìn)行調(diào)制,獲得帶有位置信息的正弦和余弦信號,并將其以差分模擬信號的方式輸出,下面給出VT5838在電機(jī)1000rpm下通過示波器采集的旋變信號輸出信號。

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16

旋變信號輸出示波器采集效果圖

3.

IGBT高頻通斷,輸出三相電壓,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,電機(jī)反饋三相電流給MCU控制板,用于閉環(huán)控制。下面以A相電流為例,通過示波器采集電機(jī)從0rpm啟動至1000rpm時,VT5838對A相電流的輸出波形。

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17

VT5838輸出A相電流示波器采集效果圖

綜上,可通過仿真建模、可執(zhí)行文件部署、上位機(jī)界面控制等步驟實(shí)現(xiàn)典型的MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試。當(dāng)需要進(jìn)行其它類型的閉環(huán)HIL測試時,可通過仿真建模環(huán)節(jié)完成與被測控制器的適配。Vector中國的項目服務(wù)團(tuán)隊可根據(jù)客戶需求,提供基于VT5838板卡的各類電機(jī)及功率器件FPGA模型定制開發(fā)服務(wù)及機(jī)柜集成服務(wù)。

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    在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等驅(qū)動系統(tǒng)中,碳化硅功率器件以其優(yōu)異的性能逐漸取代了傳統(tǒng)的硅基功率器件。然
    的頭像 發(fā)表于 08-19 09:43 ?441次閱讀
    探究<b class='flag-5'>電</b>驅(qū)動<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>中碳化硅<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b>封裝的三大核心技術(shù)

    功率器件功率循環(huán)測試原理詳解

    了爆發(fā)式的增長。與消費(fèi)電子市場相比,車規(guī)功率半導(dǎo)體器件所面臨的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻,因其需要在高工作結(jié)溫、高功率密度和高開關(guān)頻率等嚴(yán)苛條件下穩(wěn)定運(yùn)行,同時還需要在更為惡劣的使用環(huán)境中保持出色
    的頭像 發(fā)表于 08-12 16:31 ?1339次閱讀
    <b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>器件</b><b class='flag-5'>功率</b>循環(huán)<b class='flag-5'>測試</b>原理詳解

    閉環(huán)增益對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響

    在自動控制系統(tǒng)中,閉環(huán)控制作為一種重要的控制方式,通過引入反饋機(jī)制來調(diào)整系統(tǒng)的輸出,使其更好地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。閉環(huán)增益作為閉環(huán)控制系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 07-30 10:05 ?2846次閱讀

    功率半導(dǎo)體器件靜態(tài)特性測試挑戰(zhàn)及應(yīng)對測試方案

    PMST系列功率器件靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)是武漢普賽斯正向設(shè)計,精益打造的高精密電壓/電流測試分析系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 07-23 15:43 ?565次閱讀
    <b class='flag-5'>功率</b>半導(dǎo)體<b class='flag-5'>器件</b>靜態(tài)特性<b class='flag-5'>測試</b>挑戰(zhàn)及應(yīng)對<b class='flag-5'>測試</b>方案

    驅(qū)失效類型和風(fēng)險分析,如何從測試端提升驅(qū)可靠性?

    電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/吳子鵬)近日,北理工電動車輛國家工程研究中心主任王志福在演講中表示,“我們現(xiàn)在越來越多地關(guān)注驅(qū)系統(tǒng)的故障問題,比如短路、斷路、失磁、軸承損壞,這些都會導(dǎo)致車輛的致命性問題,不
    的頭像 發(fā)表于 06-24 00:24 ?1w次閱讀
    <b class='flag-5'>電</b><b class='flag-5'>驅(qū)</b>失效類型和風(fēng)險分析,如何從<b class='flag-5'>測試</b>端提升<b class='flag-5'>電</b><b class='flag-5'>驅(qū)</b>可靠性?

    驅(qū)逆變器模塊連續(xù)工作測溫系統(tǒng)的開發(fā)步驟和過程

    摘要 本文提出一個用尺寸緊湊、高成本效益的DC/AC逆變器分析碳化硅功率模塊內(nèi)并聯(lián)裸片之間的熱失衡問題的解決方案,該分析方法是采用紅外熱像儀直接測量每顆裸片在連續(xù)工作時的溫度,分析兩個驅(qū)逆變模塊
    的頭像 發(fā)表于 06-04 14:31 ?496次閱讀
    <b class='flag-5'>電</b><b class='flag-5'>驅(qū)</b>逆變器模塊連續(xù)工作測溫<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>的開發(fā)步驟和過程

    SiC功率器件引領(lǐng)新能源汽車驅(qū)系統(tǒng)革新!

    第三代半導(dǎo)體在新能源汽車驅(qū)系統(tǒng)中的滲透率情況是怎樣的?特邀嘉賓為您解答! 作為新能源汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),SiC功率器件因其卓越的性能優(yōu)勢而
    的頭像 發(fā)表于 04-03 16:22 ?480次閱讀

    緯湃科技洞察:驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)革新與未來趨勢

    緯湃科技的第四代驅(qū)系統(tǒng)在2024年實(shí)現(xiàn)了一系列重要的技術(shù)進(jìn)步:減少了損耗、提升了功率密度和效率、降低了成本。預(yù)計下一代系統(tǒng)將更加注重環(huán)境
    發(fā)表于 03-01 10:39 ?1373次閱讀
    緯湃科技洞察:<b class='flag-5'>電</b><b class='flag-5'>驅(qū)</b>橋<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>的技術(shù)革新與未來趨勢
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