基于NI VeriStand和JMAG-RT进行高性能电机仿真

概览
       NI VeriStand的JMAG附件将NI实时测试软件技术与JMAG-RT结合，JMAG-RT是JSOL公司JMAG有限元分析（FEA）工具套件中的一部分。借助于该软件模块，您可以使用NI VeriStand轻松地实时运行高仿真有限元电机模型。这样的电机仿真精确度极高，可减少花费在昂贵的物理测试上的时间。您可以使用Windows操作系统计算机在仿真环境中运行模型，使用实时操作系统进行硬件在环（HIL）仿真 ，或使用NI可重配置的I / O（RIO）硬件进行以FPGA为基础的HIL仿真，实现最佳性能。

       JSOL公司与NI合作开发了用于NI VeriStand的JMAG附加软件模块，JSOL是JMAG机电设计和开发仿真软件的缔造者。该附加软件模块使用由FEA生成的电感与反电动势（EMF）数据，进行电机模型的实时仿真。由于电机结构的不对称性会产生非正弦通量和电流，经典的D-Q模型就不再适用，这时就需要采用FEA技术。混合动力汽车制造商采用了高速电机，这对于优化生产空间和成本来说十分重要。

图1. NI VeriStand和JMAG RT相结合，提供了前所未有的仿真精度和运行速度。

电机的多种用途
       电机在汽车行业的应用范围不断扩大， 其在绿色能源领域的应用也为嵌入式控制系统开发人员和测试工程师带来了新的挑战，速度便是其一。电子驱动引擎控制单元（ECU）控制算法的运行速度必须远快于内部燃烧引擎的动力传达ECU。更快的速度需求使得传统的HIL测试不足以支持测试电机ECU。而电机的仿真必须具备高仿真精度，HIL测试系统则必须在1 µs的时间内执行仿真模型，以充分显示电机的实际操作。之前，高精度仿真和高速度运行似乎不可能并存，许多测试工程师不得不因此采用更为昂贵的测功器或现场测试来验证他们的嵌入式软件。

图2. 该略图显示了电机控制系统测试的不同阶段。

基于有限元分析（FEA）仿真的益处
       在进行高级电机驱动仿真时，工程师面临的最大的挑战之一就是如何同时保证模型的仿真度和仿真步长时间。虽然简单的常量参数D-Q模型足以进行部分HIL测试，但模型的高仿真精度在高级电机驱动设计中很多时候也是必须的。高精度的仿真可用于高效率电机应用程序中控制系统性能的优化，该应用在汽车和能源行业中非常常见。使用高仿真的JMAG FEA模型，您可以对复杂、非理想行为进行仿真，如齿轮扭矩，并设计控制器来减少扭矩脉动。 同样地，您可以对高电流时的电机电感变化进行仿真，高电流对电机产生的转矩影响很大，还能相应地测试控制器。而仿真度低的模型并不能完全对齿轮扭矩、高电流时的电机电感，以及其他非线性进行仿真，由此便会降低HIL测试的有效性。为了充分测试嵌入式控制软件，测试人员不得不进行更多的实地测试，并增加开发时间。

 图3. 扭矩计算中包含了D-Q模型、离线JMAG模型和JMAG-RT模型，D-Q模型对扭矩的平均值进行仿真，而JMAG与JMAG-RT模型对扭矩失真进行仿真。

       在FEA仿真中，电机模型极其精确，且具有高精度，可充分体现电机中的非线性 。然而，这种高精真的仿真耗时严重，之前来说还是天方夜谭。设计工程师们不得不测量电机参数，并在后处理过程中进行数据分析。 对于复杂的电机模型，该过程需要花费数个小时。NI与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系统设计软件和NI VeriStand软件来配置实时测试应用程序，最终完成验证任务。 通过这样的方式，NI满足了电机测试和仿真中的主要需求。现在您可以使用LabVIEW FPGA和基于FPGA的NI RIO硬件，从而以微秒的速度运行FEA电机模型。这些模型可精确地仿真复杂的非线性行为， 然后您就可以将在FPGA中运行的模型连接至其它硬件，以高I / O速率进行完整测试。

用于NI VeriStand的JMAG附加软件
       NI VeriStand是基于配置的软件环境，可用于创建实时测试应用。其即买即用的特点可帮助您进行实时目标主机通信、数据记录、激励生成，以及报警检测和响应。NI VeriStand从仿真测试到HIL测试的转换相当快速，可让您复用测试组件，包括测试文件、预警、步骤和分析程序等。您可以轻松地重新映射模型、硬件通道等参数，以促成真实I / O。如此简单的转换能够节省您的回归测试时间，并帮助您使用NI TestStand等测试执行软件完成自动化测试。
       NI VeriStand具备开放的框架，可通过实时插件创建特定应用功能，这为测试系统提供了最大的灵活性。您可以借助NI VeriStand的JMAG附件在HIL测试中运行具有高精度的实时模型。它能够启动内联FEA仿真，将分析时间从几小时缩短至微秒。您还可在NI PXI实时控制器上运行具备中等精度的FEA模型，其仿真步长约为20至30μs。在基于NI RIO的FPGA上运行FEA模型，可实现对仿真度要求极高的应用程序。这些基于FPGA的模型的步长可低达1µs。JMAG电机模型库拥有各种不同类型的电机，可与多种电机型号进行匹配。您能够将可定制度高的模型修改成特定的电机类型，从而避免创建自定义模型。

 图4. 该电机仿真图说明了，根据自身的应用需求，您在不同的终端上应该如何部署针对NI VeriStand的JMAG附加软件。

       NI VeriStand和针对NI VeriStand的JMAG附加软件可在NI PXI实时控制器和NI RIO FPGA I/ O设备上运行。NI PXI提供了多种高速和高精度的I / O模块，可确保您获取所需的I / O，来满足特定的应用需求。除了实时的PXI功能，PXI的NI RIO模块在FPGA上还具备极高的处理速度。NI PXIe-7965R极高的性能让您放心借助FPGA进行模型计算，即使是在具备最高精度的JMAG-RT FEA模型上也可行。

总结
       在真实系统中测试多种顺变电流以及故障情况往往很麻烦或难操作，但这一点可通过实时高精度电机仿真实现。在这之前，通过HIL测试以及标准电机D-Q模型来实现许多情况，例如电机终端上或直流和交流总线间的故障仿真，几乎不可能完成。
       NI的HIL平台可提供最高仿真度的实时仿真，让您在开发的早期阶段就发现问题并优化性能。全面的HIL测试可减少验证嵌入式软件的现场测试次数，最终缩短产品上市时间，并提高开发效率。