01研发背景在工业控制、新能源汽车、航空航天、高端装备等领域永磁同步电机PMSM凭借结构简单、功率密度大、运行效率高、功率因数优异等核心优势已成为主流执行部件。而作为电机的 “大脑”电机控制器的控制算法、功能逻辑、故障保护策略是否可靠直接决定整机性能、安全与寿命。传统研发依赖实物台架测试不仅成本高、周期长极限工况、故障场景难以安全复现还存在设备损坏、人员安全等风险。如何在研发早期高效、全面、安全地完成控制器验证成为行业共性痛点。凯云基于多年仿真测试技术积累推出PMSM 永磁同步电机控制器半实物实时仿真测试系统以高实时、高可靠、高保真能力为电机控制器研发、测试、迭代提供全流程支撑是电驱系统性能与质量的核心保障。02PMSM电机控制原理想要做好电机控制器测试首先要理解 PMSM 的控制核心。系统基于成熟的电机理论与矢量控制算法实现精准、稳定、高效的电机驱动。数学原理坐标变换化繁为简三相绕组的永磁同步电机的电压方程用矩阵表示如下其中除了 Rs 外的变量均为交流正弦变量为了简化其数学模型可以用矢量控制的模型从空间矢量理论的角度去分析综合空间矢量可使用两个正交坐标轴来表示。因此我们可以将电机看成两相电机。使用该两相电机模型可以减少电机方程数量从而简化控制算法静止坐标系与三相物理量的关系如下图所示。三相到两相静止坐标系的变换被称为Clarke 变换幅值不变的Clarke 变换公式如下经过Clarke变换后的静止坐标系下的电压电流物理量仍然为交流量这里引入跟随转子永磁体磁场的旋转dq坐标系坐标系的d 轴坐落在永磁体轴线上q轴与d 轴逆时针相差90°,如下图所示根据上图可以推导出两相静止坐标系到旋转坐标系下的变换公式Park变换以及两相旋转坐标系到静止坐标系下的逆变换公式IPark变换经过Clark和Park变换后的永磁同步电机电压方程如下所示电机的电磁转矩可以分为两个部分由转子永磁体磁链ψpm产生的同步转矩又称励磁转矩和由转子凸极性产生的磁阻转矩如下所示。经过变换后电机电压、转矩方程大幅简化为高精度控制奠定数学基础。算法原理FOC 矢量控制精准控扭高性能的电机控制表现为整个速度范围运行平稳零速下全转矩控制和快速的加减速特性。三相交流电机一般使用矢量控制来实现上述目标。矢量控制技术又称磁场定向控制(FOC)。FOC 最基本的思想就是将定子电流解耦成一个控制磁场的电流分量和一个控制转矩的电流分量。经过解耦后两个电流分量独立受控互不干扰。根据永磁同步电机的数学模型可知矢量控制的执行可以分为以下步骤检测电机物理量相电压、相电流用克拉克变换Clarke将三相定子电流变换到两相坐标系(αβ)计算转子相角和速度使用派克变换(Park)将αβ轴定子电流旋转变换到dq坐标系分别独立控制转矩电流 (iq)分量和励磁电流(id) 分量定子电压空间矢量经过反派克变换(IPark)从dq坐标系变换到αβ两相坐标使用空间矢量调制产生三相电压输出控制原理百微秒级极速闭环该硬件系统是永磁同步电机PMSM矢量控制FOC的完整物理实现其核心原理在于通过实时闭环控制将直流电能精确、高效地转化为受控的机械能。整个控制过程以微控制器为运算核心旋变解码模块持续提供电机转子的精确角度与速度相电流采集电路同步测量三相定子电流母线电压采集电路监控输入能量状态。这些实时数据构成了控制系统的输入。基于这些反馈微控制器执行磁场定向控制FOC算法。这是控制的核心首先利用转子位置角通过克拉克Clarke和帕克Park变换将测得的三相静止交流电流转换为与转子磁场同步旋转的直轴电流Id和交轴电流Iq。Id负责调节磁场强弱主要用于弱磁扩速Iq则直接线性控制电机输出转矩从而实现了对交流电机复杂耦合模型的解耦。随后解耦后的Id、Iq实际值与来自上层控制器通过CAN通信的转矩/转速指令所对应的目标值进行比较误差经过PI调节器计算得到所需的电压指令Vd, Vq。该电压指令再通过反帕克变换和空间矢量脉宽调制SVPWM算法最终被转化为六路具有特定时序和占空比的PWM。这些低压PWM指令经过电平转换与驱动电路的放大与隔离去控制逆变器中六个功率开关管如IGBT或SiC MOSFET的导通与关断。逆变器在PWM序列的驱动下将来自高压直流接口的电池电能调制为频率、幅值、相位均可调的三相正弦交流电施加于电机定子绕组产生一个平滑旋转的磁场与永磁转子磁场相互作用从而精确产生目标扭矩与转速。整个控制周期在百微秒级内完成形成极速闭环。同时功率模块温度、驱动故障等信号由保护电路全程监控确保系统在任何异常工况下如过流、过压、过热都能通过硬件逻辑或软件策略如ASC主动短路实现安全关断或降级运行并通过CAN网络上报状态保障了系统的高度可靠性与安全性。03核心产品介绍本系统将真实电机控制器与虚拟电机、负载、传感器模型实时连接形成闭环测试环境无需真实电机与负载即可完成全场景、全功能验证。系统组成四大模块协同工作系统由被测对象、被控对象仿真模型、仿真测试硬件、仿真测试软件四大部分构成分工明确、协同高效。被测对象电机控制器真实 PMSM 电机控制器及配套传感器运行实际控制算法与硬件逻辑被控对象仿真模型包含逆变器、电机本体、负载、旋转变压器等高精度模型还原真实电机特性仿真测试系统硬件采用 CPUFPGA 异构协同仿真机搭配 IO 板卡、信号调理、故障注入板卡及配套机柜保障实时性与信号保真度仿真测试系统软件SimuRTS 实时仿真管理软件 ETest 自动化测试开发环境提供模型管理、监控、自动化测试、报告生成等全流程工具。工作流程实时交互闭环验证①控制器发出指令真实电机控制器根据其算法产生PWM驱动信号。②信号采集与仿真IO板卡采集PWM信号送入FPGA仿真板卡。FPGA上的模型实时解算出电机的三相电流响应。③反馈信号生成CPU与FPGA协同计算出当前电机的模拟位置旋变信号和电流值。④信号调理与输出这些信号经过信号调理板卡后生成与真实传感器一模一样的电气信号反馈给电机控制器。⑤控制器闭环响应电机控制器接收到反馈信号控制算法FOC产生下一周期的控制指令。⑥监控与管理整个过程由上位机软件ETest/SimuRTS全程监控、记录并可自动执行复杂的测试序列和故障注入。系统原理高实时异构仿真架构PMSM 控制为高频多环闭环系统电流环周期高达 10–50kHz传统仿真无法满足。本系统采用CPUFPGA 异构协同架构IO 模型运行在 CPU核心电机、逆变器模型运行在 FPGA支持 1ms CPU 步长 100ns FPGA 步长高端配置可达微秒级 CPU10ns 级 FPGA支持单电机、多电机级联、分布式集群仿真适配各类应用场景采用双芯片设计支持不断电模型刷写大幅提升测试效率。仿真模型精度达 1% FS支持 FMI/FMU 标准模型导入兼容第三方与自主模型完整还原磁链、电压、转矩、运动等特性。系统软件ETest半实物仿真测试集成开发环境ETest是一款嵌入式系统集成开发环境基于半实物仿真测试技术路线用于为自动测试系统Automatic Test SystemATS的开发提供一套完整的开发平台ATS厂商完全可以利用ETest开发出面向不同UUT的自动化测试工装开发效率和开发质量都非常高大幅缩短企业ATS产品的研发与生产周期降低ATS产品成本提高唯快不破的企业市场竞争力。ETest也可以为工业领域的装备研制制造企业、第三方测试认证机构提供快速测试环境的搭建与开发支撑。ETest软件采用B/S架构进行设计实现支持分布式仿真测试和多用户并行测试ETest软件的整体架构如下图所示。系统的使用流程分测试设计阶段和测试执行阶段两部分。平台提供了仿真环境设计、通信协议管理、网络变量规划、测试脚本设计、测试界面设计等的设计工作环境可以实现对交联环境、通讯协议、测试环境、测试脚本、测试数据、测试监控的可视化管理。SimuRTS半实物实时仿真测试管理软件SimuRTS是一款实时仿真软件可满足快速控制原型验证、硬件在环测试、实时自动化测试等对时效性要求高的应用场景需求。SimuRTS可实现对VeriStand、dSPACE、SpeedGoat等国外同类软件的替代广泛应用于航空航天、武器装备、工业控制、汽车电子、仪器仪表等行业。SimuRTS支持硬件实时仿真功能和软件硬实时仿真功能。硬件实时仿真功能需要SimuRTS将模型算法加载到仿真硬件设备的FPGA中运行实现㎲级别的实时仿真。软件实时仿真功能依托于实时操作系统实现仿真步长为ms级别的实时仿真。SimuRTS的主要使用流程如下图所示。使用 SimuRTS 进行仿真需要四个步骤1)模型生成基于RTS-FMU组件将模型编译生成生成FMU文件基于RTS-FIP组件将FPGA算法生成FIP文件。2)仿真配置在SimuRTS上位机软件导入模型后软件将自动识别模型的输入端口、输出端口、变量参数可以在SimuRTS上将输入端口、输出端口与物理通道进行绑定可以设置输入端口、输出端口、变量参数的监视状态。3)仿真执行模型运行时可以对模型的执行状态进行启停控制可以对打开监视状态的输入端口、输出端口、变量参数进行实时监控。在模型执行过程中允许用户对变量参数进行动态调整以观察模型的动态响应情况。4)结果分析SimuRTS会将每次仿真运行的数据结果保存在数据库中并形成一个仿真开始时间为索引的仿真记录。用户可以在仿真结束后通过时间检索仿真结果并通过曲线或表格的方式查看历史仿真数据。04为什么选择凯云这套系统1.超高性能满足高速仿真刚需采用 AMD Kintex UltraScale KU15P 高端 FPGA 芯片具备超百万逻辑单元实现亚微秒级实时仿真CPUFPGA 协同架构完美匹配电机控制器高频控制需求是行业领先的硬件配置。2. 超高精度仿真逼近真实工况仿真精度1% FS高保真还原电机、逆变器、传感器特性精准输出 PWM、相电流、转速位置等专业信号测试结果与实物台架高度一致验证结果可信。3. 全场景覆盖测试无死角支持上下电、驱动功能、电流 / 转速 / 扭矩控制、传感器标定等全功能测试可模拟绕组、旋变、桥臂故障以及通信、电气故障等极限危险场景覆盖所有研发测试需求。4. 高效降本大幅缩短研发周期研发早期即可开展测试避免实物损坏降低测试成本与安全风险支持自动化回归测试保障软件迭代可靠性快速验证算法与逻辑显著缩短开发周期加速产品上市。5. 国产自主安全可控全国产化 CPU 操作系统生态无技术 “卡脖子” 风险核心软件与硬件完全自研可替代 dSPACE、SpeedGoat 等国外产品适配国防军工、工业控制等高安全需求领域。6. 易用灵活适配复杂需求软件提供可视化操作界面降低使用门槛支持单 / 多 / 分布式电机仿真可快速搭建不同测试环境满足多品种、小批量、迭代快的研发特点。05系统价值本系统为 PMSM 电机控制器研发提供全方位支撑✅ 全面验证控制算法、功能逻辑、故障诊断策略✅ 安全复现极限工况与故障场景无实物测试风险✅ 自动化测试提升效率保障软件迭代质量✅ 降低研发成本缩短周期加速产品落地✅ 满足行业标准测试要求保障电驱系统性能与安全。在电机控制技术不断升级、产品迭代加速的今天高效、可靠、安全的测试方案是研发核心竞争力。凯云 PMSM 永磁同步电机控制器半实物实时仿真测试系统以硬核技术、自主可控、全场景适配等优势破解行业测试痛点为新能源、工业控制、汽车电驱、国防军工等领域提供专业测试支撑。未来凯云将持续深耕仿真测试领域以技术创新赋能中国智造助力电机控制产业高质量发展
内核级能力加持！ 凯云PMSM 永磁同步电机控制器半实物实时仿真测试系统
01研发背景在工业控制、新能源汽车、航空航天、高端装备等领域永磁同步电机PMSM凭借结构简单、功率密度大、运行效率高、功率因数优异等核心优势已成为主流执行部件。而作为电机的 “大脑”电机控制器的控制算法、功能逻辑、故障保护策略是否可靠直接决定整机性能、安全与寿命。传统研发依赖实物台架测试不仅成本高、周期长极限工况、故障场景难以安全复现还存在设备损坏、人员安全等风险。如何在研发早期高效、全面、安全地完成控制器验证成为行业共性痛点。凯云基于多年仿真测试技术积累推出PMSM 永磁同步电机控制器半实物实时仿真测试系统以高实时、高可靠、高保真能力为电机控制器研发、测试、迭代提供全流程支撑是电驱系统性能与质量的核心保障。02PMSM电机控制原理想要做好电机控制器测试首先要理解 PMSM 的控制核心。系统基于成熟的电机理论与矢量控制算法实现精准、稳定、高效的电机驱动。数学原理坐标变换化繁为简三相绕组的永磁同步电机的电压方程用矩阵表示如下其中除了 Rs 外的变量均为交流正弦变量为了简化其数学模型可以用矢量控制的模型从空间矢量理论的角度去分析综合空间矢量可使用两个正交坐标轴来表示。因此我们可以将电机看成两相电机。使用该两相电机模型可以减少电机方程数量从而简化控制算法静止坐标系与三相物理量的关系如下图所示。三相到两相静止坐标系的变换被称为Clarke 变换幅值不变的Clarke 变换公式如下经过Clarke变换后的静止坐标系下的电压电流物理量仍然为交流量这里引入跟随转子永磁体磁场的旋转dq坐标系坐标系的d 轴坐落在永磁体轴线上q轴与d 轴逆时针相差90°,如下图所示根据上图可以推导出两相静止坐标系到旋转坐标系下的变换公式Park变换以及两相旋转坐标系到静止坐标系下的逆变换公式IPark变换经过Clark和Park变换后的永磁同步电机电压方程如下所示电机的电磁转矩可以分为两个部分由转子永磁体磁链ψpm产生的同步转矩又称励磁转矩和由转子凸极性产生的磁阻转矩如下所示。经过变换后电机电压、转矩方程大幅简化为高精度控制奠定数学基础。算法原理FOC 矢量控制精准控扭高性能的电机控制表现为整个速度范围运行平稳零速下全转矩控制和快速的加减速特性。三相交流电机一般使用矢量控制来实现上述目标。矢量控制技术又称磁场定向控制(FOC)。FOC 最基本的思想就是将定子电流解耦成一个控制磁场的电流分量和一个控制转矩的电流分量。经过解耦后两个电流分量独立受控互不干扰。根据永磁同步电机的数学模型可知矢量控制的执行可以分为以下步骤检测电机物理量相电压、相电流用克拉克变换Clarke将三相定子电流变换到两相坐标系(αβ)计算转子相角和速度使用派克变换(Park)将αβ轴定子电流旋转变换到dq坐标系分别独立控制转矩电流 (iq)分量和励磁电流(id) 分量定子电压空间矢量经过反派克变换(IPark)从dq坐标系变换到αβ两相坐标使用空间矢量调制产生三相电压输出控制原理百微秒级极速闭环该硬件系统是永磁同步电机PMSM矢量控制FOC的完整物理实现其核心原理在于通过实时闭环控制将直流电能精确、高效地转化为受控的机械能。整个控制过程以微控制器为运算核心旋变解码模块持续提供电机转子的精确角度与速度相电流采集电路同步测量三相定子电流母线电压采集电路监控输入能量状态。这些实时数据构成了控制系统的输入。基于这些反馈微控制器执行磁场定向控制FOC算法。这是控制的核心首先利用转子位置角通过克拉克Clarke和帕克Park变换将测得的三相静止交流电流转换为与转子磁场同步旋转的直轴电流Id和交轴电流Iq。Id负责调节磁场强弱主要用于弱磁扩速Iq则直接线性控制电机输出转矩从而实现了对交流电机复杂耦合模型的解耦。随后解耦后的Id、Iq实际值与来自上层控制器通过CAN通信的转矩/转速指令所对应的目标值进行比较误差经过PI调节器计算得到所需的电压指令Vd, Vq。该电压指令再通过反帕克变换和空间矢量脉宽调制SVPWM算法最终被转化为六路具有特定时序和占空比的PWM。这些低压PWM指令经过电平转换与驱动电路的放大与隔离去控制逆变器中六个功率开关管如IGBT或SiC MOSFET的导通与关断。逆变器在PWM序列的驱动下将来自高压直流接口的电池电能调制为频率、幅值、相位均可调的三相正弦交流电施加于电机定子绕组产生一个平滑旋转的磁场与永磁转子磁场相互作用从而精确产生目标扭矩与转速。整个控制周期在百微秒级内完成形成极速闭环。同时功率模块温度、驱动故障等信号由保护电路全程监控确保系统在任何异常工况下如过流、过压、过热都能通过硬件逻辑或软件策略如ASC主动短路实现安全关断或降级运行并通过CAN网络上报状态保障了系统的高度可靠性与安全性。03核心产品介绍本系统将真实电机控制器与虚拟电机、负载、传感器模型实时连接形成闭环测试环境无需真实电机与负载即可完成全场景、全功能验证。系统组成四大模块协同工作系统由被测对象、被控对象仿真模型、仿真测试硬件、仿真测试软件四大部分构成分工明确、协同高效。被测对象电机控制器真实 PMSM 电机控制器及配套传感器运行实际控制算法与硬件逻辑被控对象仿真模型包含逆变器、电机本体、负载、旋转变压器等高精度模型还原真实电机特性仿真测试系统硬件采用 CPUFPGA 异构协同仿真机搭配 IO 板卡、信号调理、故障注入板卡及配套机柜保障实时性与信号保真度仿真测试系统软件SimuRTS 实时仿真管理软件 ETest 自动化测试开发环境提供模型管理、监控、自动化测试、报告生成等全流程工具。工作流程实时交互闭环验证①控制器发出指令真实电机控制器根据其算法产生PWM驱动信号。②信号采集与仿真IO板卡采集PWM信号送入FPGA仿真板卡。FPGA上的模型实时解算出电机的三相电流响应。③反馈信号生成CPU与FPGA协同计算出当前电机的模拟位置旋变信号和电流值。④信号调理与输出这些信号经过信号调理板卡后生成与真实传感器一模一样的电气信号反馈给电机控制器。⑤控制器闭环响应电机控制器接收到反馈信号控制算法FOC产生下一周期的控制指令。⑥监控与管理整个过程由上位机软件ETest/SimuRTS全程监控、记录并可自动执行复杂的测试序列和故障注入。系统原理高实时异构仿真架构PMSM 控制为高频多环闭环系统电流环周期高达 10–50kHz传统仿真无法满足。本系统采用CPUFPGA 异构协同架构IO 模型运行在 CPU核心电机、逆变器模型运行在 FPGA支持 1ms CPU 步长 100ns FPGA 步长高端配置可达微秒级 CPU10ns 级 FPGA支持单电机、多电机级联、分布式集群仿真适配各类应用场景采用双芯片设计支持不断电模型刷写大幅提升测试效率。仿真模型精度达 1% FS支持 FMI/FMU 标准模型导入兼容第三方与自主模型完整还原磁链、电压、转矩、运动等特性。系统软件ETest半实物仿真测试集成开发环境ETest是一款嵌入式系统集成开发环境基于半实物仿真测试技术路线用于为自动测试系统Automatic Test SystemATS的开发提供一套完整的开发平台ATS厂商完全可以利用ETest开发出面向不同UUT的自动化测试工装开发效率和开发质量都非常高大幅缩短企业ATS产品的研发与生产周期降低ATS产品成本提高唯快不破的企业市场竞争力。ETest也可以为工业领域的装备研制制造企业、第三方测试认证机构提供快速测试环境的搭建与开发支撑。ETest软件采用B/S架构进行设计实现支持分布式仿真测试和多用户并行测试ETest软件的整体架构如下图所示。系统的使用流程分测试设计阶段和测试执行阶段两部分。平台提供了仿真环境设计、通信协议管理、网络变量规划、测试脚本设计、测试界面设计等的设计工作环境可以实现对交联环境、通讯协议、测试环境、测试脚本、测试数据、测试监控的可视化管理。SimuRTS半实物实时仿真测试管理软件SimuRTS是一款实时仿真软件可满足快速控制原型验证、硬件在环测试、实时自动化测试等对时效性要求高的应用场景需求。SimuRTS可实现对VeriStand、dSPACE、SpeedGoat等国外同类软件的替代广泛应用于航空航天、武器装备、工业控制、汽车电子、仪器仪表等行业。SimuRTS支持硬件实时仿真功能和软件硬实时仿真功能。硬件实时仿真功能需要SimuRTS将模型算法加载到仿真硬件设备的FPGA中运行实现㎲级别的实时仿真。软件实时仿真功能依托于实时操作系统实现仿真步长为ms级别的实时仿真。SimuRTS的主要使用流程如下图所示。使用 SimuRTS 进行仿真需要四个步骤1)模型生成基于RTS-FMU组件将模型编译生成生成FMU文件基于RTS-FIP组件将FPGA算法生成FIP文件。2)仿真配置在SimuRTS上位机软件导入模型后软件将自动识别模型的输入端口、输出端口、变量参数可以在SimuRTS上将输入端口、输出端口与物理通道进行绑定可以设置输入端口、输出端口、变量参数的监视状态。3)仿真执行模型运行时可以对模型的执行状态进行启停控制可以对打开监视状态的输入端口、输出端口、变量参数进行实时监控。在模型执行过程中允许用户对变量参数进行动态调整以观察模型的动态响应情况。4)结果分析SimuRTS会将每次仿真运行的数据结果保存在数据库中并形成一个仿真开始时间为索引的仿真记录。用户可以在仿真结束后通过时间检索仿真结果并通过曲线或表格的方式查看历史仿真数据。04为什么选择凯云这套系统1.超高性能满足高速仿真刚需采用 AMD Kintex UltraScale KU15P 高端 FPGA 芯片具备超百万逻辑单元实现亚微秒级实时仿真CPUFPGA 协同架构完美匹配电机控制器高频控制需求是行业领先的硬件配置。2. 超高精度仿真逼近真实工况仿真精度1% FS高保真还原电机、逆变器、传感器特性精准输出 PWM、相电流、转速位置等专业信号测试结果与实物台架高度一致验证结果可信。3. 全场景覆盖测试无死角支持上下电、驱动功能、电流 / 转速 / 扭矩控制、传感器标定等全功能测试可模拟绕组、旋变、桥臂故障以及通信、电气故障等极限危险场景覆盖所有研发测试需求。4. 高效降本大幅缩短研发周期研发早期即可开展测试避免实物损坏降低测试成本与安全风险支持自动化回归测试保障软件迭代可靠性快速验证算法与逻辑显著缩短开发周期加速产品上市。5. 国产自主安全可控全国产化 CPU 操作系统生态无技术 “卡脖子” 风险核心软件与硬件完全自研可替代 dSPACE、SpeedGoat 等国外产品适配国防军工、工业控制等高安全需求领域。6. 易用灵活适配复杂需求软件提供可视化操作界面降低使用门槛支持单 / 多 / 分布式电机仿真可快速搭建不同测试环境满足多品种、小批量、迭代快的研发特点。05系统价值本系统为 PMSM 电机控制器研发提供全方位支撑✅ 全面验证控制算法、功能逻辑、故障诊断策略✅ 安全复现极限工况与故障场景无实物测试风险✅ 自动化测试提升效率保障软件迭代质量✅ 降低研发成本缩短周期加速产品落地✅ 满足行业标准测试要求保障电驱系统性能与安全。在电机控制技术不断升级、产品迭代加速的今天高效、可靠、安全的测试方案是研发核心竞争力。凯云 PMSM 永磁同步电机控制器半实物实时仿真测试系统以硬核技术、自主可控、全场景适配等优势破解行业测试痛点为新能源、工业控制、汽车电驱、国防军工等领域提供专业测试支撑。未来凯云将持续深耕仿真测试领域以技术创新赋能中国智造助力电机控制产业高质量发展
