旋轉(zhuǎn)變壓器硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

肖明康

（同濟大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，耐用性好，精度高，抗干擾能力強，因而在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為設(shè)計及驗證電機控制器的性能，硬件在環(huán)實時仿真技術(shù)采用實時數(shù)學(xué)模型來模擬真實被控對象，生成代碼下載到目標(biāo)機中，并將它與真實的電機控制器相連。旋轉(zhuǎn)變壓器硬件在環(huán)仿真是永磁同步電機硬件在環(huán)仿真重要的組成部分。目前，硬件在環(huán)仿真測試平臺主要有dSPACE,RT-LAB等。本文基于Vector公司的VT System目標(biāo)機，研究旋轉(zhuǎn)變壓器硬件在環(huán)實時仿真。

1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化的元器件，多用于伺服控制系統(tǒng)中，主要用作角度和轉(zhuǎn)速的測量。旋轉(zhuǎn)變壓器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子和轉(zhuǎn)子分別互為90°電角度裝在兩個軸線上，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，當(dāng)在勵磁繞組上通入一定頻率的交流電壓，在變壓器副邊會感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子角度成一定函數(shù)關(guān)系的電壓幅值。本文以正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為研究對象。R1-R2為旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組，通入正弦勵磁電壓：

轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)會在兩個定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。S2-S4，S1-S3為兩個定子繞組，和分別為兩定子繞組的感應(yīng)電壓：

E0為轉(zhuǎn)子信號勵磁振幅值；

ω為轉(zhuǎn)子勵磁信號頻率。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器仿真平臺的搭建

在永磁同步電機硬件在環(huán)仿真平臺搭建之前，需要先對旋轉(zhuǎn)變壓器進行建模仿真與測試。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)變壓器仿真平臺在硬件上主要由如下部分組成：PC1用于建模編譯，VT System目標(biāo)機，解碼板，PC2用于發(fā)送控制信號和顯示解碼角度值。

PC1安裝有建模軟件Matlab/Simulink，編譯軟件VT FPGA Manager和Quartus，PC2上安裝有控制軟件CANoe。首先在內(nèi)嵌于Simulink中的DSP Builder軟件上搭建旋轉(zhuǎn)變壓器模型，產(chǎn)生VHDL代碼，然后使用VT FPGA Manager軟件編譯。編譯成功后，下載代碼到VT System的VT 2816 FPGA板卡中。解碼板發(fā)送給VT 2816 FPGA一路差分信號，VT 2816 FPGA板卡反饋給解碼板兩路差分旋變信號。解碼板解碼這兩路差分信號，通過CAN通信傳遞給PC2，輸出解碼的旋變角度值。解碼板基于英飛凌AURIX TC275單片機內(nèi)部的Delta Sigma ADC等資源，通過軟件算法來實現(xiàn)角度的解碼。

圖1 硬件在環(huán)仿真平臺實物圖

3 基于DSP Builder旋轉(zhuǎn)變壓器離線仿真

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)學(xué)模型，搭建旋轉(zhuǎn)變壓器的仿真模塊，基于DSP Builder在PC上進行模擬仿真。設(shè)定的仿真時間為8ms，給定正旋激勵信號，旋變輸出兩路與角度相關(guān)的模擬信號，其幅值波形分別成正弦和余弦規(guī)律變化。仿真結(jié)果如下圖2所示。仿真結(jié)果與旋變的原理計算公式（2）、（3）相符合。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器的仿真結(jié)果

4 基于VT System的旋轉(zhuǎn)變壓器仿真實驗

基于DSP Builder搭建旋變模型仿真成功后，需要進行基于VT System的旋變仿真實驗。在CANoe上給旋變轉(zhuǎn)速信號，與旋變解碼后的信號對比，驗證所搭模型的正確性。實驗由靜態(tài)測試和穩(wěn)態(tài)測試組成。

4.1 靜態(tài)測試實驗

反正切法是較常見的旋變解算方法。靜態(tài)測試實驗測量轉(zhuǎn)子在某一時刻的角度值186°。上位機給定角度值186。根據(jù)旋變輸出的兩路信號sin_value=-133，cos_value=-1106，通過反正切法計算得到此時的角度，由于角位于第三象限，所以186.86。誤差在1%以內(nèi)，對于永磁同步電機硬件在環(huán)仿真實驗而言，符合要求。

4.2 穩(wěn)態(tài)測試實驗

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測試即為恒定速度下的測試。本文主要在200rad/s，380rad/s，640rad/s三種轉(zhuǎn)速下進行測試實驗。從CANoe軟件trace框中導(dǎo)出數(shù)據(jù)如圖3所示。采樣頻率為100MHz，輸出數(shù)據(jù)為旋變兩路信號。從實驗數(shù)據(jù)中截取9個周期分析，通過比較PC2上。如下圖3所示。

圖3

位機所給標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，驗證基于VT system的旋轉(zhuǎn)變壓器模型是否能順利運行。實驗誤差在1%以內(nèi)，對于永磁同步電機硬件在環(huán)仿真實驗而言，符合要求。

5 結(jié)語

本文基于VT System半實物仿真器搭建了基于DSP Builder的旋轉(zhuǎn)變壓器硬件在環(huán)仿真平臺，在靜態(tài)和勻速狀態(tài)下模擬真實旋轉(zhuǎn)變壓器的工作，實驗結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)，驗證了仿真平臺的正確性。