电机控制系统测试新技术：功率级HIL

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引言

        电机控制系统广泛应用于航空航天、轨道、兵器、船舶、工业自动化等领域，随着电机控制系统交流化、数字化、集成化的发展趋势，利用半实物仿真提高系统的开发效率越来越受到重视。在针对伺服控制器成品的测试验证阶段，HIL半实物仿真可以根据测试对象、测试方法的不同，分为信号级、功率级和机械级三种形式。

电机控制系统半实物仿真简介

        信号级HIL：测试系统利用基于FPGA的高速实时仿真技术来模拟逆变器、电动机、机械负载。测试对象为伺服控制器。信号级HIL已经在国内各行业得到广泛应用，具有造价低、组建灵活等特点。但是，由于控制器成品往往将控制器与驱动器做成一体，信号级HIL必须由待测控制器提供电流反馈接口，否则无法完成电流闭环，同时，信号级HIL也无法实现对逆变器（驱动放大部分电路）的测试，所以其测试对象覆盖面窄，可在单独测试电机控制器控制逻辑时选用信号级HIL。

        机械级HIL：利用仿真设备通过电机拖动台架子系统与待测电机及控制器进行机械级连接，实现对机械负载的模拟。测试对象为包括控制器、驱动器、电机、传动的完整伺服控制系统。该方法是针对伺服系统的最完整测试方法，也常常作为出厂检测的手段，但是也有造价高、周期长、占地大等局限，并且难以模拟多自由度负载。在测试整套电机传动系统对负载的响应特性时可选用机械级HIL。

        功率级HIL：测试系统利用FPGA高速实时仿真技术、变频器对拖技术模拟电动机和机械负载。测试对象为控制器和驱动器。该方法可以实现针对控制系统更全面的测试，但由于其技术难度很高，长期被国外厂商垄断，价格居高不下。功率级HIL不需要待测控制器成品提供电流反馈接口，可通过调节参数改变电机负载大小，在测试电机控制器逻辑及驱动器在真实电流条件下的性能时可选用功率级HIL。

        功率级HIL的优点：

       ♦  不需对控制器成品进行接口改造即可测试控制器成品的控制算法+驱动器；

       ♦  可测试控制器成品的全部传感器在高频大电流环境下的性能；

       ♦  一个功率级HIL平台可覆盖多种电机控制器的测试，通过修改模型参数即可实现对不同电机、负载的模拟；

       ♦  不存在机械级HIL的安全隐患，也可模拟多自由度负载；

       ♦  不存在机械级HIL中的同轴度问题；

       ♦  占地面积小，实施周期短；

       ♦  可实现故障注入。

恒润科技自研功率级HIL：PowerHIL

• PowerHIL基本原理及组成：

        PowerHIL主要由HiGale实时仿真子系统和电机电力模拟子系统两部分组成。HiGale实时仿真子系统负责电机模型与电流复合控制模型的实时解算；电机电力模拟负载子系统通过变流技术实现对三相负载电流的模拟。电机功率级HIL原理如下图：


        电机电力模拟子系统又包括创新型主电路、对拖电抗器、信号采集单元、电流传感器、电压传感器。应用脉冲分配技术、多桥臂并联技术、复合控制技术实现高带宽、高精度的三相电流控制，从而实现对电机电气特性的高动态模拟。

        除HiGale实时仿真子系统和电机电力模拟子系统外，PowerHIL包括信号适配单元和断线测试单元。信号适配单元用于理线，对接控制器成品接口；断线测试单元用于实时仿真机输出信号测量和断线测试。其机柜布局如下图，


• PowerHIL特点：

       ♦  基于FPGA的100ns级电机+逆变器高速动态仿真；

       ♦  可以实现针对控制器+驱动器的电机控制器成品的整体测试；

       ♦  高动态测试控制器的控制算法和所有传感器性能；

       ♦  可考核验证驱动器在真实电流环境下的性能；

       ♦  无需额外开发信号级电流反馈接口；

       ♦  创新型主电路+脉冲分配技术，基于FGPA电机仿真板卡的对拖逆变器单相PWM频率可达20KHz；

       ♦  自带能量回馈技术，电源母线电流小，耗能低；

       ♦  定制化实验监控界面；

       ♦  可实现多种故障注入；

       ♦  多种保护逻辑防止设备发生损坏。

• PowerHIL给客户带来的收益

       ♦  不需要任何接口改造即可最大限度测试控制器成品的控制器+驱动器+全部传感器，快速暴露产品问题，提升效率；

       ♦  仅通过调参即可完成电机参数、负载力矩的改变；

       ♦  具有旋转变压器、光电编码器、霍尔信号模拟，同一平台可模拟多种类型、多种参数的电机，使得同一平台可以完成多种控制器成品的测试任务；

       ♦  借助丰富的故障注入功能，可充分测试控制器成品的故障保护功能；

       ♦  占地面积小，不存在机械安全隐患。

应用&案例

• 航空某所环控高/低温泵电机功率级仿真测试系统

        某型号飞机工作环境动态特性大，主机厂为了保证其供应商设计提供的环控高/低温泵电机控制器满足快速性、稳定性、可靠性的指标要求，需要对电机控制器进行功率级仿真测试。由恒润负责研制开发的电机功率级HIL项目也是首例由国内供应商实现的功率级HIL仿真。

       系统特点：

       ♦  国内首套6KW级电机功率级仿真系统；

○ 多并联桥臂+脉冲分配技术实现20KHz高开关频率

○ 针对性滤波电路+保护逻辑

○ 复合高动态控制算法

○ 270V高母线电压

       ♦  高性能的信号调理系统；

       ♦  考核验证驱动器在20A，350Hz电流环境下的性能；

       ♦  定制化实验监控界面

       ♦  提供基于反射内存的自动化测试功能；

       ♦  多种保护逻辑防止设备发生损坏。

• 航天某所关节伺服控制系统稳定性分析与验证平台

       恒润科技与航天某所合作，展开空间机械臂关节伺服控制系统稳定性分析与试验验证平台的建设。该平台可以完成对直流28V供电，300W的直流无刷电机控制器的功率级测试，并且仿真模型中可以模拟负载的实时变化。此平台可以实现故障注入功能，其中，软故障包括电阻电感热性能变化、传感器精度降低、电机卡死等；硬故障包括电机绕组断路、位置传感器信号断路故障、硬故障通过实时仿真系统的DO接口控制继电器实现。

       电机功率级HIL特点：

       ♦  脉冲分配技术实现20KHz高开关频率；

       ♦  创新型谐波吸收主电路减少谐波；

       ♦  定制化实验监控界面；

       ♦  软故障：电机参数热性能变化、电机卡死、传感器精度降低等；

       ♦  硬故障：电机绕组短路，传感器信号断路；

       ♦  多种保护逻辑防止设备发生损坏。

• 兵器某所数字化智能供配电技术研究系统

       恒润科技与兵器某所合作，开展数字化智能供配电技术研究系统的建设，其中包括伺服系统的功率级半实物仿真平台。此平台可实现对270V、56V、28V直流供电、最大功率为10KW的的待测控制器的功率级仿真。支持多种传感器类型，包括旋转变压器、增量式编码器、霍尔传感器等。




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