Altair Taiwan Blog

行業：

電子

挑戰：

開發無人機應用的魯棒電機控制

Altair解決方案：

利用 Altair Embed™ 進行電機電子和控制的高速模擬，開發出一種無感測器電機向量控制的新方法

優點：

 · 模擬速度

 · 參數資料登錄的靈活性

 · 快速的 2D 和 3D 繪圖

 · 不斷提高的產品品質

Kappa Electronics 是一家專注於電機控制系統設計的諮詢公司，擁有 70 多年的經驗和深厚的行業背景，為客戶提供針對複雜問題的完美解決方案。

當客戶要求他們為新的無人機設計電機控制系統時，他們選用 Altair Embed 軟體來輔助設計。

Embed（前身為VisSim Embedded）是一款基於模型的嵌入式系統視覺化開發環境，其快速的類比速度，便捷的圖表編輯和資料登錄功能，以及 2D 和 3D 繪圖能力能夠有效地縮短開發時間並提高產品設計品質，完全滿足客戶提出的設計要求。

通過 Embed，他們可以很快地開發出任意動態系統的虛擬原型，改變系統參數，並驗證系統的運行性能。

開發測試系統用於評估監測系統

為了使電機磁場向量控制系統正常工作，需要知道轉子相對定子的磁通角，這可以通過在轉軸上安裝角度感測器來獲取，但安裝轉軸感測器通常非常昂貴，而且對於嚴格控制成本和重量的無人機而言是完全不切實際的。

Kappa 採用的策略是開發一個監測系統，通過測量電機的電壓和電流來估算磁通角。Kappa 提出了一種多模式監測結構，根據電機工作條件自動動態配置參數，以便在各種運行要求下獲得最佳的磁通角估值。

在設計監測系統時，他們首先要測試其性能。電機運行頻率覆蓋從 40 赫茲到 2000 赫茲，這對系統是一個挑戰。同時，系統要求能夠在寬的轉矩及參數變化範圍內具有高品質的運行性能。如果監測系統未能滿足所有的運行條件，那麼無人機就可能從天空中掉落，這顯然是不可接受的。

使用參數資料登錄只需按一下滑鼠即可載入所有參數資料

電機回應斜坡速度命令，具有電源、轉矩和PWM指令以及相電壓豐富的圖形功能

使用FOC控制、電機和負載的系統模擬的高級視圖

在確定了開發需求後，Kappa 開發了一系列旨在評估監測系統的測試工況。

測試模型包含磁場向量控制模型、電機模型、螺旋槳負載模型和監測系統模型。他們通過改變電機模型中的參數，並對監測系統隱藏電機參數的變化，來評估系統對參數預估誤差的靈敏度。這通過跟蹤對比監測系統預估的磁通角與電機模型實際的磁通角之間的差來實現。

在此過程中，他們使用 Embed 的檔輸出功能生成超過600個特徵資料圖。圖表結果顯示出驚人的低角度誤差，並表明監測系統即使在非常不利的條件下也不會失去角度鎖定。

Embed 包含了嵌入式系統模擬及開發所需的工具：包括狀態圖、硬體支援、定點演算法、高效的代碼生成器、電機控制庫等等，這構成了易於使用的開發環境。Kappa 利用 Embed 強大的穩健性，無 bug 運行以及完全的向下相容特性來快速推進項目。

V alpha、V beta、轉矩增加時FOC控制器回應時間圖

電機控制研討會

調試複雜的電機控制系統

靈活的“對話方塊表”模組讀取 Excel 試算表

Kappa 利用 Excel 試算表將所有需要的模擬分析工況一起輸入到 Embed。諸如匯流排電壓、調製參數、電機參數、採樣頻率、PWM 頻率等在試算表中作為單行導入。

這使得他們可以通過簡單地更改“對話方塊表”中的行選擇器，輕鬆地從一個模擬場景轉到下一個模擬場景。只需點擊一下按鈕，Kappa 就可以看到設計系統在巨大變化條件下如何工作。

3D視覺化

利用 Embed 中的 3D 功能，Kappa 可以將施加在無人機電機的三相電壓表示用兩個電壓(V alpha 和 V beta)表示，並繪製在 2 維 XY 圖上。

再者，軟體支援將時間作為第三維坐標軸，提供一個三維的空間向量電壓輸出圖形，能夠精確表徵系統在整個類比過程中的特徵，準確界定系統何時進出過調製模式以及判斷控制回路中是否存在異常。

借助 Altair Embed 的多核任務執行緒功能，Kappa 能夠利用 Embed 的執行速度快速反覆運算測試和修改設計假設。

當完成的監測系統模型最終轉換為實際代碼並在真實的無人機系統上進行測試時，其行為特徵與類比預測的一致。角度誤差完全在 Embed 預測的範圍內。