Speedgoat高速数据记录在电力电子实时仿真中的应用

在电力电子实时仿真中，不论高开关频率（100kHz~1000kHz），还是低开关频率（250Hz~1000Hz）的应用场景，都会遇到高速数据记录（500kHz~5MHz）的需求：

1. 故障分析。电力电子系统在测试过程中，会遇到过流和过压故障，而控制器的采样率一般不大于10kHz，无法准确采集电流和电压信号的瞬态波动，干扰，纹波等信号特征，导致很难快速定位故障，确定故障原因。通过高速数据采样，则可以大大降低故障定位与分析的难度。控制算法BUG，运行时间过载，底层驱动缺陷，PWM信号被干扰，AD采样信号被干扰等原因就容易分辨清楚了。
2. 信号的同步；对于10kHz的采样率，100us内的信号改变会被认为是同一时刻改变的，无法分辨信号改变的顺序，彼此之间的同步关系。而对于5MHz的采样率，大于200ns的信号改变都是可以分辨的。
3. 信号分析；用10kHz的采样率采集50Hz的信号，相位的分辨率就是100us/20ms*360 = 1.8°，为了进一步提供功率因数，减少谐波等，就需要提供采样率来改善相位的分辨率。此外大于5KHz的信号也无法准确采集。

——Speedgoat的高速数据记录方案——

电力电子系统的实时仿真，离不开Speedgoat的FPGA板卡，而Speedgoat的高速数据记录也需要Speedgoat的FPGA板卡。Speedgoat的FPGA板卡的DIO信号采集频率可达100MHz，ADC信号采样率可达5MHz，DAC输出可达2MHz；

Speedgoat的高速数据采样方案即可用于HIL场景，也可用于RCP场景；

实现方案如下图所示，高速数据可以从FPGA的I/O Channels采集，也可以由FPGA的DUT计算产生，通过FPGA板卡上的DMA engine和PCIe总线，发送至实时机的Memory，最终通过CPU写入固态硬盘，完成数据记录；

Speedgoat的高速数据采样方案

——Speedgoat的高速数据记录的Simulink实现——

因为Speedgoat的HCIP软件已经实现了FPGA与CPU之间基于PCIe总线的DMA驱动。因此在Simulink模型中实现高速数据记录非常地方便。

对于FPGA部分，在FPGA模型中需要使用1个“Rate Transition”和1个“Tapped Delay”模块，如下图所示，图中红色的步长10e-9，通过Rate Transition模块转换为绿色的步长1e-6，再通过Trapped Delay模块转换为100维的向量；Trapped Delay模块会在FPGA中缓冲最新的100个采样值；把所有需要发送到CPU的信号通过MUX模块合成一个信号。如果需要采集7个信号，那么按照1MHz采样率，100个缓冲值，最终合成的信号就是一个700维的向量。

通过HCIP软件将以上信号配置到PCIe Interface接口，以上信号就会自动通过PCIe总线发送给CPU。

高速数据采样的FPGA部分Simulink模型实现

对于CPU部分，因为FPGA部分是1MHz的采样率，缓存100个数据，因此CPU的仿真频率就是10kHz，仿真步长就是100us。

对于数据记录功能，可以使用Speedgoat提供的数据记录模块File Scope，也可以使用Simulink Data Inspector模块完成数据的记录。数据记录模块可以进行连续记录，抽样记录，也可以进行条件记录，此外还可以分别设置条件发生前和发生后的记录点数，以满足数据记录的各种需求。Speedgoat实时仿真器最大可提供2T的固态硬盘，以满足大容量数据记录的需求；

——案例1：电机电流高速数据记录——

在5kHz的开关频率下，电机转速从0 r/min上升至9000 r/min。1MHz采样率的电流波形比10kHz采样率的展现更多的细节，如下图所示，

1. 对比整体电流波形，1MHz电流波形的电流峰值随着转速增加而增大；
2. 对比启动电流波形，1MHz电流波形的电流过冲达到-398A，由于死区效应，在过零点有轻微畸变，电流纹波较小；而10kHz电流波形的电流过冲为-381A，无电流纹波；
3. 对比中速电流波形，1MHz电流波形随着定子频率增加电流纹波增大；而10kHz电流波形无电流纹波；
4. 对比高速电流波形，随着载波比进一步下降，1MHz电流波形的电流峰值增大至367A，电流纹波不规则变化，而10kHz电流波形的电流峰值为339A，无电流纹波；

整体波形（1MHz采样率）

 整体波形（10kHz采样率）

 启动电流波形（1MHz采样率）

启动电流波形（10kHz采样率）

中速电流波形（1MHz采样率）

 中速电流波形（10kHz采样率）

 高速电流波形（1MHz采样率）

高速电流波形（10kHz采样率）

——案例2：PWM信号与电流同步采样——

在进行电力电子控制时，一般情况下，电流采样需要与PWM信号同步，在三角载波的顶点和底点进行采样。Speedgoat FPGA板卡中的三角载波信号，电流信号，电流采样信号，通过高速数据采样，发送给CPU，记录到固态硬盘中，如下图所示，三角载波信号为橙色，电流信号为蓝色，电流采样信号为绿色，从图中可以看出，电流的采样都是在三角载波的顶点和底点完成的。