基于FPGA的多电机实时仿真测试方案

随着伺服控制威廉希尔官方网站 的发展，多电机控制系统得到了广泛的应用。为了尽可能减少系统的开发周期及成本，通常采用的方法是，在实体电机确定生产或多电机控制系统控制算法选用前，对多电机同步控制系统进行实时仿真。

但目前业内基于FPGA纳秒级实时仿真平台大多是基于单电机而设计，如需进行多电机实时仿真，则需要进行FPGA的拓展和底层架构的修改，极大增加了用户的使用成本和学习精力。

EasyGo团队推出了2024版DeskSim的HIL应用，直接支持多电机同步实时仿真，通过调用电机库中的多种模块可直接实现多电机仿真功能，大大降低多电机仿真测试的门槛和设备投入与时间成本。

EasyGoMachine        

目前EasyGoMachine常用电机库中包含：鼠笼式交流感应电机、绕线式交流感应电机、直流电机永磁式、直流电机绕线式、直流无刷电机、永磁同步电机六种

基于EasyGoMachine电机库中的模块，用户可以快速进行多电机系统程序的搭建，搭配EasyGoDeskSim软件将程序部署到FPGA中以不超过1.5us的步长进行实时运行，无需进行FPGA编译。

下面为大家分享利用PXIBox的HIL+RCP自闭环系统进行三电机系统的同步仿真。

三电机系统仿真         基于PXIBox的三电机系统仿真    

PXIBox是EasyGo基于PXI总线架构硬件平台研发的高性能旗舰型实时仿真产品。其采用新款多核实时CPU+多FPGA的硬件架构，可通过自闭环连接方式来进行模型在环测试，也可和实际设备进行连接来进行硬件在环测试或快速原型验证，是一款多功能、高性能、模块化的实时仿真产品。

三电机系统离线仿真

本次三电机系统采用的是直流无刷电机、永磁同步电机和鼠笼式交流感应电机的三电机系统同步仿真，仿真拓扑如下图所示。

直流无刷电机参数为Rs= 2.8750 Ω；定子电感Ls=8.5mH；Ψfd= 0. 175Wb；转动惯量J= 0. 0008kg·m^2；极对数为4。

永磁同步电机参数为Rs= 1.5 Ω；电枢电感L=0.01H；Ψfd= 0. 2 Wb；转动惯量J= 0. 1kg·m^2；极对数为3。

鼠笼式交流感应电机参数为定子电阻Rs=0.896Ω；定子电感Lls=1.94mH；转子电阻Rr'=1.82Ω；转子电感Llr'=2.45mH；互感Lm=46.2mH；转动惯量J= 0. 1475kg·m^2;摩擦系数F=0.013374Nm/(rad/s)；极对数为2。

三电机系统实时仿真

EasyGoPXIBox的标准配置为两块FPGA板卡（HIL(6500)+RCP(6300)）。

6500 为仿真侧，6300为控制侧，两块板卡相对独立安装在PXIe-104 机箱总线上。FPGA板卡PXIe-6300推荐安装在机箱第2 卡槽，板卡PXIe-6500 安装在机箱第3 卡槽。

在Simulink案例库中建立“CPU+FPGA”程序，仿真拓扑图具体如下：

在实时模型的搭建过程中，需要把离线模型的程序进行拆分，将控制算法部署在CPU中。

在FPGA系统中，两个子系统分别对应两个FPGA板卡：FPGA1对应RCP6300板卡,主要负责高速脉冲的生成和信号采集；FPGA2对应HIL6500板卡，主要负责主电路拓扑和工况信号输出。

两块FPGA板卡通过外部的物理IO交互，并通过总线架构与CPU进行信息传输从而实现闭环控制。

这样，我们利用PXIBox就完成了三电机系统的demo实时仿真程序。

实时模型搭建完成后就可以载入EasyGoDesksim软件，软件会自动分析模型信息。

在交互界面，用户可自定义搭建交互模块，将实时仿真设备与上位机在同一个局域网中连接，就可以通过EasyGoDesksim将载入的程序部署到相应的设备中并开始运行实时仿真。

我们将直流无刷电机转速设置为1500RPM，永磁同步电机转速设置为300RPM，鼠笼式交流感应电机转速设置为1500RPM，仿真波形如下图：

通过仿真的结果可知，PXIBox对三电机系统的实时仿真结果与离线仿真结果基本一致，且调节转速和转矩的设定值，系统也能实时跟随变化，将电机转速稳定在设定值。

EasyGoDesksim可通过在线调参功能对系统的功率电路部分进行实时调控，这里就不过多赘述。

审核编辑：黄飞