实时仿真案例分享（一）丨自定义电机FPGA实时仿真
在实际的电力电子实时仿真应用中，用户会遇到各种各样的仿真问题，一时不知道是什么原因造成的，森木磊石会从开发者的角度，来给大家分享一些实际系统调试中遇到的案例，并分析造成的原因，帮助大家更好的使用实时仿真技术。
案例背景
用户的应用为高速的BLDC电机控制。电机采用实测数据进行变参建模。为了更准确模拟，离线仿真步长设置为1e-6。
离线仿真模型
在实时仿真模型中，电机模型采用的是自定义电机模型，实现在FPGA 上运行，采用1-D插值的方式进行变参仿真，逆变器模型采用的是EasyGo Power Electronic Solver的LC建模，运行在FPGA 上，仿真步长1us。
用户将自己搭建的变参电机模型运行在FPGA上，外部接上DSP控制器进行控制器硬件在环控制。离线验证好的模型在下载至FPGA硬件上运行时，发现仿真出现的结果存在差异。下面具体针对问题看看如何分析。
问题1：空载情况下电流不为0
实时仿真过程中，发现Tl为0，或者很小情况下，电流依然很大。这不符合实际情况。
于是先做同工况下的离线测试，离线仿真发现也遇到同样的问题。所以定位问题在模型建模上。
由于采用的是自定义电机模型，电机模型与逆变器之间需要进行模型解耦。分析怀疑是解耦上出现问题。传统电机与电力电子之间的解耦，电机都等效为电流源。而在这次验证的自定义电机模型内，由于建模算法实现的问题，发现这种电流源的解耦方式并不适用，会一开始就有一个不小的电流值，所以考虑换成电压源串联电机阻抗的解耦方式。
修改后离线验证空载下电流已为0，同样更改实时模型后，实时仿真结果验证也正确了，问题解决。
结论：没有固定的解耦方式，根据实际建模情况选择最合适的解耦方式，能够更好更准确的模拟实际情况
问题2：更改工况下仿真结果差距较大
我们先将仿真结果进行问题重现。
Simulink仿真结果：
而同样的设置，在森木磊石PPEC-HIL的仿真下，结果差别很大：
先分析离线仿真和实时仿真可能存在的区别。
1、离散化方式不同
离线仿真中一般默认选的是Tustin，而FPGA实时仿真中采用的是Backward Euler的方式，所以将离散化方式改成Backward Euler的方式，发现离线结果变化不大。排除掉离散化方式造成的结果不一致的原因。
2、建模方式不同
离线仿真采用的是阻抗二值法建模，而FPGA上电力电子开关的仿真采用的是LC建模，参数为Gs。Gs的设定与运行的工况就会有关系了。通常比较合理的Gs值为（电流有效值/电压有效值），在上一个实时仿真上一个工况下，电流很小的情况下，Gs设为了0.1。当更改了工况后，此时看到电流幅值为140-148左右，而EMF 此时幅值为11.8左右。所以还选用Gs为0.1明显已经不太适用了。通过估算，Gs=12比较合适。我们进行验证：
效果有了明显改善，EMF、电机电流、Te的数值基本一致了，有一点完全在接受范围内的误差，问题解决。但发现新问题，转速大小比Simulink结果还是有较大的差距（56150 RPM和51550 RPM），误差在8%左右，不容忽视。
结论：LC开关建模下，不同工况下Gs的选取可能存在较大差异，实时的修改Gs值能够更好的模拟暂态特性
问题3：转速误差问题
上一个问题分析过程中发现新的问题，转速误差过大。因为离线仿真计算都是双精度的数值计算，而在FPGA上的计算有数值精度的问题，所以并不会完全一致，所以是存在一定的可接受误差的。
为了找到误差产生的原因，我们进行模型单元测试，直接设定转速为50000转，并只保留Te，把其他影响转速的值都先去掉，设为0。
这样运行0.5s看结果，simulink的EMF和电机电流：
森木磊石PPEC-HIL仿真的EMF和电机电流：
可以看到，EMF基本是一致的，电机电流略有不同，可能是数值精度影响，但这基本在可接受范围内。
Simulink仿真的Te和对Te*(1/J)积分的结果：
森木磊石PPEC-HIL仿真结果的Te和对Te*(1/J)积分的结果：
所以分析这种情况：虽然Te也在一个很小的误差范围内，但是通过乘以了 (1/J=5.848e6)这个很大的数放大误差了之后，再把通过积分把误差累加了起来导致速度的不一致。
做一下误差累加的离线验证，在转矩Te后加上一个0.001的误差，然后仿真0.5s，可以看到误差随着仿真的时间增长不断累计变大，0.5s的误差就放大到了2924。证实确实是由于J值不是很合理，导致小误差被积分放大，实际控制的时候就存在了一个固定误差。可以合理调整J值，会得到较好的结果。
结论：合理的参数设置能解决一些由于极小误差累积出的静态误差。
