[发明专利]一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统

说明书

本发明公开一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，本发明所提出的基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统灵活、可扩展，降低对单一FPGA计算能力要求的同时，实现了系统的模块化设计。当实际电机模拟器功率需求等级需要变化和调整时，可通过增加和删减级联FPGA控制单元的个数实现对控制系统的灵活调整，从而减小了设计人员重新开发设计整体系统的工作量，本发明适用范围广，使用灵活方便。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统。

背景技术

电机模拟器系统正广泛应用于电力系统和工业生产测试的各个领域，如电网测试、轨道交通、电驱系统测试以及面向新能源汽车电机控制器的测试等。电机模拟器主要功能是通过内部模型运算和对半导体开关器件的高速精确开关控制实现对电机三相电气特性的模拟，从而实现对机械真实旋转电机的替代，提高对电机控制器的测试效率以及测试的安全性和灵活性。电机模拟器系统的核心性能指标为其模拟精度和系统稳定性，而为了提高系统模拟精度和系统稳定性则需尽可能提高内部逻辑和算法的运行速率。

电机模拟器系统通常包含大量高速实时并行运算逻辑和算法(us级别运算周期)，如：PWM电压采集、电机模型、电流控制、三相电流采集、位置传感器模拟以及PWM输出控制等。现有电机模拟器系统的控制构架大都基于一个独立的FPGA控制单元进行集中控制，这就带来两方面的问题：一是大量的高速实时逻辑运行对实时处理系统和单元提出了较高的计算能力要求，尤其是当单独采用一个FPGA控制单元实现所有高速运行逻辑时往往无法满足实时性要求；二是当电机模拟器功率等级提高，功率半导体器件需要扩充的时候，采用独立的FPGA控制单元无法满足PWM高速并行同步实时输出所需要的IO口个数需求，限制了电机模拟器系统整体的灵活性和扩展性。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有电机模拟器系统技术的不足，提供一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，该系统降低对单一FPGA计算能力要求的同时可灵活进行扩展，其适用范围广，使用灵活方便。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种基于分布式FPGA构架的电机模拟器系统，包括主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列，所述主FPGA控制单元包括PWM电压采集模块、电机模型模块、电流控制算法模块和三相电流采集模块，PWM电压采集模块采集被测电机控制器输出高频PWM电压并将其作为电机模型模块的输入信号，电机模型模块对输入信号进行计算得到目标电流，三相电流采集模块采集实际电流，电流控制算法模块对目标电流和实际电流进行闭环控制，并将计算所得三相目标电压输出到从FPGA控制单元阵列；从FPGA控制单元阵列对电流控制算法模块计算所得的三相目标电压进行SVPWM输出控制；从FPGA控制单元对电机模型模块对电机位置传感器和温度传感器进行模拟。

作为一种优选方式，从FPGA控制单元阵列中包括U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组，每组PWM阵列内部包括两个以上可级联扩展的FPGA单元，且可根据电机模拟器功率等级不同而进行任意扩展。

作为一种优选方式，主FPGA控制单元、从FPGA控制单元和从FPGA控制单元阵列三者之间的数据通信采用高速实时通信协议。

所述的高速实时通信协议包括但不局限于实时以太网、实时高速SPI通信、高速PXIe总线通信、CAN通信和FlexRay总线。

作为一种优选方式，U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组的各级联FPGA单元之间通过时钟同步的方法对移相载波PWM输出进行精确相位控制。

所述U相PWM阵列组、V相PWM阵列组和W相PWM阵列组采用SiC模块作为功率单元的基础元器件，各SiC模块之间互相并联。