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利用Simulink®進行電力電子控制設計

電力電子硬體迴圈測試

利用模擬和自動產生程式碼開發馬達控制演算法

硬體迴圈(hardware-in-the-loop,HIL)測試是一種即時的模擬,不需要硬體就可以讓你測試你的嵌入式程式碼。硬體迴圈測試可以幫助你測試在開發中的程式碼未按照所制定的規格運作時,可能損害到硬體的異常或故障條件。電力電子控制系統是電動交通運輸和可再生能源系統所不能或缺的部分。藉由測試原型來檢驗這些控制系統的嵌入式程式碼十分具有挑戰性,原因在於硬體損壞的風險會使你無法在完整範圍的暫態條件下執行系統。

硬擬迴圈模擬的表現取決於兩大因素,一是你正在建立的模型的電氣系統動態複雜程度,另一項因素是你所使用的即時電腦硬體。舉例來說,你可以選擇如何建立馬達驅動逆變器的電力電子切換行為模型。你可以使用取了各個切換時期的平均電壓的平均值逆變器模型,因為它計算起來很快速,並提供了所需的動態。為了要了解從電力電子元件注入諧波所帶來的影響,你會需要考慮到它們的開-關行為,並接受硬體迴圈電腦處理器所承受的負擔。

為了確保模擬切換行為時的即時行為,你需要以比真正的系統切換速度高出100倍的取樣頻率來執行模擬。舉例來說,一個以切換頻率10 KHz執行的馬達控制應用,其硬體迴圈模擬需要以1 MHz執行來捕捉裝置切換造成的非線性。而為了要以1 MHz及更高的頻率執行模擬,你會需要具備低I/O延遲的即時系統,以及可以達成該操作頻率的處理器。

在為電力電子系統執行硬體迴圈測試時,其實沒有絕對的準則說明CPU還是FPGA比較適合用來模擬具有切換動態的系統。做決定的時候,你需要考慮模型的複雜性、電力電子的數學細節、負載與電源的建模細節、以及測試系統I/O的通道數量和種類。如果你的硬體迴圈系統可以將桌上的模擬模型劃分至多核心及不同類型的處理器,你可能會發現同時使用CPU和FPGA是有好處的。

使用MATLAB和Simulink進行硬體迴圈模擬

電力電子系統的硬體迴圈測試從控制系統模擬開始,這項模擬會建立主動和被動電路元件、負載、電源的電氣行為模型。透過Simulink和Simscape Electrical™,你可以建立並模擬你的系統模型。從電氣模型以Simulink Coder™產生C程式碼,和以HDL Coder™產生HDL程式碼。你可以將這些程式碼佈署至一台測試控制程式碼用的即時電腦,讓你能夠以各種正常與錯誤操作條件檢驗程式碼。透過Simulink Real-Time™,你可以將程式碼佈署至Speedgoat即時目標機台。Speedgoat還支援電力硬體迴圈,讓你可以測試電池管理系統(battery management systems,BMS)、電動總成、以及可再生能源系統等等。

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