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Speedgoat高速数据记录在电力电子实时仿真中的应用

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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,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SpeedgoatFPGA板卡,而Speedgoat的高速数据记录也需要SpeedgoatFPGA板卡。SpeedgoatFPGA板卡的DIO信号采集频率可达100MHzADC信号采样率可达5MHzDAC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FPGAI/O Channels采集,也可以由FPGADUT计算产生,通过FPGA板卡上的DMA enginePCIe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;

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Speedgoat的高速数据采样方案

 

 

——Speedgoat的高速数据记录的Simulink实现——

因为SpeedgoatHCIP软件已经实现了FPGACPU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1Rate Transition”和1Tapped 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,以上信号自动通过PCIe总线发送给CPU

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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实时仿真器最大提供2T的固态硬盘以满足大容量数据记录需求

 

——案例1:电机电流高速数据记录——

5kHz的开关频率下电机转速0 r/min上升至9000 r/min1MHz采样率的电流波形比10kHz采样率的展现更的细节如下图所示,

  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;

 

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整体波形1MHz采样率)

 

 

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 整体波形(10kHz采样率)

 

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 启动电流波形1MHz采样率

 

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启动电流波形(10kHz采样率)

 

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中速电流波形1MHz采样率)

 

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 中速电流波形(10kHz采样率)

 

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 高速电流波形1MHz采样率)

 

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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。

 

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2022年11月23日 13:53
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