旋轉變壓器硬件在環仿真系統設計與實現

肖明康

（同濟大學中德學院，上海 200092）

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

1 正余弦旋轉變壓器的結構與工作原理

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子位置變化而變化的元器件，多用于伺服控制系統中，主要用作角度和轉速的測量。旋轉變壓器主要由定子和轉子兩部分組成，定子和轉子分別互為90°電角度裝在兩個軸線上，根據電磁感應的原理，當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出與轉子角度成一定函數關系的電壓幅值。本文以正余弦旋轉變壓器為研究對象。R1-R2為旋轉變壓器的轉子繞組，通入正弦勵磁電壓：

轉子繞組的旋轉會在兩個定子繞組中產生感應電壓。S2-S4，S1-S3為兩個定子繞組，和分別為兩定子繞組的感應電壓：

E0為轉子信號勵磁振幅值；

ω為轉子勵磁信號頻率。

2 旋轉變壓器仿真平臺的搭建

在永磁同步電機硬件在環仿真平臺搭建之前，需要先對旋轉變壓器進行建模仿真與測試。如圖1所示，旋轉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目標機，解碼板，PC2用于發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。首先在內嵌于Simulink中的DSP Builder軟件上搭建旋轉變壓器模型，產生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單片機內部的Delta Sigma ADC等資源，通過軟件算法來實現角度的解碼。

圖1 硬件在環仿真平臺實物圖

3 基于DSP Builder旋轉變壓器離線仿真

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

圖2 旋轉變壓器的仿真結果

4 基于VT System的旋轉變壓器仿真實驗

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。實驗由靜態測試和穩態測試組成。

4.1 靜態測試實驗

反正切法是較常見的旋變解算方法。靜態測試實驗測量轉子在某一時刻的角度值186°。上位機給定角度值186。根據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，對于永磁同步電機硬件在環仿真實驗而言，符合要求。

4.2 穩態測試實驗

系統穩態測試即為恒定速度下的測試。本文主要在200rad/s，380rad/s，640rad/s三種轉速下進行測試實驗。從CANoe軟件trace框中導出數據如圖3所示。采樣頻率為100MHz，輸出數據為旋變兩路信號。從實驗數據中截取9個周期分析，通過比較PC2上。如下圖3所示。

圖3

位機所給標準轉速，驗證基于VT system的旋轉變壓器模型是否能順利運行。實驗誤差在1%以內，對于永磁同步電機硬件在環仿真實驗而言，符合要求。

5 結語

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