本文來(lái)源：M. Ruba, R. O. Nemes, S. M. Ciornei, C. Martis, A. Bouscayrol, and H. Hedesiu, “Digital Twin Real-Time FPGA Implementation for Light Electric Vehicle Propulsion System Using EMR Organization,” in 2019 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Hanoi, Vietnam, Oct. 2019, pp. 1–6.
“ 本研究重點(diǎn)介紹了幾種不同概念的實(shí)現(xiàn)對(duì)輕型電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)裝置試驗(yàn)裝置的智能分析。首先，提出了“數(shù)字孿生”的概念，它代表一個(gè)完整的測(cè)試設(shè)備的模擬副本。此外，數(shù)字孿生（DT）不再使用離線仿真環(huán)境，而是使用兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）編程運(yùn)行，從而成為在線實(shí)時(shí)仿真。第二個(gè)概念是數(shù)字孿生兄弟的分布。實(shí)際的單元控制器被編程到一個(gè)FPGA中，被測(cè)機(jī)器、負(fù)載和功率變換器在第二個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)。兩者之間的通信是用模擬線和數(shù)字線來(lái)處理的，就像控制器連接到真實(shí)的測(cè)試臺(tái)一樣。第三個(gè)概念涉及到兩個(gè)FPGA程序的組織，基于能量宏觀表達(dá)法（EMR），它有助于提高透明度，易于實(shí)現(xiàn)，并將編碼實(shí)際測(cè)試臺(tái)副本及其控制器的錯(cuò)誤最小化。”
01
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簡(jiǎn)介
本研究建立一個(gè)完整的測(cè)試臺(tái)的數(shù)字孿生模型（DT）。DT和信號(hào)HiL之間的主要區(qū)別在于，后者通常是在安裝實(shí)際硬件之前構(gòu)建的，以便通過(guò)強(qiáng)大的仿真來(lái)測(cè)試一個(gè)概念，而DT是在實(shí)際測(cè)試臺(tái)存在之后創(chuàng)建的，其數(shù)字副本可以獨(dú)立于實(shí)際硬件設(shè)施使用。更重要的是，當(dāng)使用諸如FPGA這樣的實(shí)時(shí)目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一概念時(shí)，模擬和實(shí)際測(cè)試之間的差距就更大了。在這篇論文中，這些概念和整體的能量表現(xiàn)一起被證明是最好的復(fù)雜系統(tǒng)。本研究所考慮的實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)的DT考慮了它的所有元件，如控制單元、被測(cè)機(jī)器及其電子元件、加載機(jī)及其附加的可編程電子負(fù)載。實(shí)際測(cè)試臺(tái)使用一個(gè)FPGA作為控制器，用于所有使用的設(shè)備（電子逆變器、電子負(fù)載和電子旋轉(zhuǎn)變壓器）。在設(shè)計(jì)數(shù)字孿生電路時(shí)，通常連接到測(cè)試臺(tái)上的FPGA控制器仍然使用相同的代碼進(jìn)行編程，但是將它連接到另一個(gè)FPGA而不是連接到測(cè)試臺(tái)上。后者包含實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)及其所有組件的完整模型。
兩個(gè)FPGA使用模擬IO進(jìn)行通信，用于測(cè)量電流和電壓，數(shù)字IO用于發(fā)送PWM信號(hào)并獲取模擬的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)。實(shí)際上，從控制器的角度來(lái)看，用它的數(shù)字孿生模型替換試驗(yàn)臺(tái)變得無(wú)縫。因此，一般的工作范圍是證明實(shí)現(xiàn)信號(hào)HiL單元作為實(shí)際測(cè)試臺(tái)的數(shù)字孿生單元的策略。
另一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)從數(shù)字孿生轉(zhuǎn)換到測(cè)試臺(tái)（來(lái)回），只需拔下包含DT的FPGA并連接實(shí)際硬件，反之亦然，證明了這種方法相對(duì)于簡(jiǎn)單軟件模擬的優(yōu)勢(shì)。在本文中，DT的結(jié)果只與實(shí)際測(cè)量進(jìn)行了比較，目的在于證明DT與實(shí)際硬件之間的相似性。為了能夠建立這樣一個(gè)測(cè)試臺(tái)的DT，需要所有硬件組件的正確和精確的識(shí)別數(shù)據(jù)。構(gòu)建DT所需的數(shù)據(jù)是使用常見(jiàn)文獻(xiàn)中廣泛存在的方法確定的。然而，為了證明，沒(méi)有考慮飽和機(jī)飽和或FET驅(qū)動(dòng)器死區(qū)時(shí)間，這些是未來(lái)在這一領(lǐng)域的研究。
02
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實(shí)際測(cè)試臺(tái)
為了建立一個(gè)正確和完整的現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字孿生模型，有必要知道組成它的所有組件以及用數(shù)學(xué)解釋來(lái)描述每個(gè)組件所需的所有數(shù)據(jù)。
圖1：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試臺(tái)
對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，建模和控制單元中使用的辨識(shí)參數(shù)為：定子電阻Rs=0.07?，DQ軸上的電感為L(zhǎng)d=0.0002H和Lq=0.0002H。從力學(xué)角度看，慣性為J=0.00332kg·m2，摩擦系數(shù)為B=0.00122N·m·s。
03
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數(shù)字孿生體的EMR表示
根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)上所有部件的信息，設(shè)計(jì)出其EMR表示。EMR是一種圖形形式，用于在一個(gè)完整的系統(tǒng)中組織模型和子系統(tǒng)的控制。在圖2中，描述了DT的整個(gè)EMR組織?？梢杂^察到，DT被分成兩個(gè)FPGA。一個(gè)處理機(jī)械耦合的電機(jī)模型，逆變器和負(fù)載，而第二個(gè)包含完整的控制單元。兩個(gè)FPGA之間的通信使用模擬和數(shù)字IO通道進(jìn)行處理，以模擬實(shí)際測(cè)試臺(tái)。這樣，如果控制單元正在控制實(shí)際的測(cè)試臺(tái)或其在FPGA上建模的數(shù)字孿生體，則它沒(méi)有信息。
完整的DT是使用一個(gè)實(shí)時(shí)GUI來(lái)監(jiān)控的，實(shí)際上這個(gè)GUI允許用戶施加不同的行為特征，并將模型中的數(shù)據(jù)流化到數(shù)據(jù)文件中。
模型中用于表示來(lái)自試驗(yàn)臺(tái)或控制單元的實(shí)際組件的每個(gè)塊都進(jìn)行了編號(hào)，以簡(jiǎn)化其與以下解釋和數(shù)學(xué)表達(dá)式的關(guān)系。
圖2：DT的EMR表示
直流母線模塊（1）實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)，它將逆變器的電容電壓施加在50V。第二個(gè)模塊（2）實(shí)際上是逆變器的復(fù)制品，它基于從控制器接收到的3相PWM信號(hào)（m）來(lái)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓。當(dāng)（m）信號(hào)施加時(shí)，PWMa、b、c值為0或1。第三個(gè)區(qū)塊（3）是由3相DQ0量直接進(jìn)行的Park變換。這是基于準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置（?）可供使用。第四塊（4）表示直接以DQ形式詳述的電機(jī)繞組模型。對(duì)于這些計(jì)算，必須有關(guān)于DQ電感和電機(jī)相位電阻的正確信息。機(jī)電轉(zhuǎn)換是第五個(gè)模塊（5），根據(jù)定子電流、電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)子速度計(jì)算出永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)DQ分量。第六塊，對(duì)應(yīng)于由永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、DCM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、摩擦系數(shù)B和兩臺(tái)機(jī)器的總慣量J描繪的機(jī)械轉(zhuǎn)換。第七塊（7）表示DCM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)、電機(jī)電流的計(jì)算函數(shù)、軸速度以及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電壓常數(shù)，詳見(jiàn)表I。DCM的繞組模型在方框8中描述，它是機(jī)器參數(shù)和機(jī)器電源/負(fù)載電壓的計(jì)算函數(shù)。為了創(chuàng)建一個(gè)電子負(fù)載（塊9）的副本，該電子負(fù)載通常接收外加電流并計(jì)算需要提供給負(fù)載以達(dá)到所需電流的電壓，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)PI控制器，該控制器輸出所需電壓，以減少施加電流和實(shí)際DCM電流之間的誤差。到目前為止（1-9）詳細(xì)說(shuō)明的所有模塊都在模擬最佳工作臺(tái)的FPGA中實(shí)現(xiàn)。
這些模塊接收或發(fā)送到控制單元的信號(hào)通過(guò)FPGA上可用的模擬和數(shù)字端口進(jìn)行處理。為了模擬附在分解器上的實(shí)際電子元件的響應(yīng)，創(chuàng)建了一個(gè)附加塊，即分解器1（圖2中提到了RES）。它輸出軸在數(shù)字通道上的位置，然后由控制器轉(zhuǎn)換成實(shí)際的角度位置。
在第二個(gè)FPGA上，DT和實(shí)際測(cè)試臺(tái)的控制單元，塊10處理從基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載機(jī)的實(shí)際電流。為了計(jì)算實(shí)際速度和參考速度的永磁同步電動(dòng)機(jī)功能的參考轉(zhuǎn)矩，使用11號(hào)塊，其中包含處理此問(wèn)題的PI控制器。機(jī)電轉(zhuǎn)換在塊12中被重用以估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)的DQ分量的值。13號(hào)區(qū)塊處理的測(cè)量電流的逆帕克變換確定了整個(gè)控制策略所需的DQ值。塊14用于計(jì)算參考轉(zhuǎn)矩的參考Q電流函數(shù)，而參考D電流來(lái)自策略塊。將后者作為永磁同步電動(dòng)機(jī)的一般控制方法。DQ電壓的實(shí)際參考值在方框15中計(jì)算。測(cè)量了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的反電勢(shì)DQ值，并進(jìn)行了計(jì)算。DQ參考電壓需要使用反向駐車(chē)變換轉(zhuǎn)換為三相量。這個(gè)問(wèn)題在16區(qū)處理。最后一個(gè)模塊，17號(hào)實(shí)際上是PWM發(fā)生器。將每個(gè)三相電壓與特定頻率的PWM載波集進(jìn)行比較。比較的輸出是0或1，這些值實(shí)際上代表晶體管的狀態(tài)。這些狀態(tài)將使用可用的數(shù)字信道從控制單元FPGA發(fā)送到測(cè)試臺(tái)模擬器FPGA。
一般來(lái)說(shuō)，EMR概念在幾篇論文中被詳細(xì)闡述，通常在Matlab Simulink或LMS Amesim中作為離線仿真和在臺(tái)風(fēng)HiL實(shí)時(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。為了向前邁進(jìn)一步，作者在兩個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模型，一個(gè)處理控制單元，另一個(gè)處理完整的測(cè)試臺(tái)模型。2個(gè)FPGA之間的通信是使用數(shù)字和模擬IO處理的，因?yàn)榭刂茊卧獙⑦B接到實(shí)際測(cè)試臺(tái)。一方面，通過(guò)這種方法可以得到更真實(shí)的分析；另一方面，只需斷開(kāi)FPGA測(cè)試臺(tái)模擬器，將控制器連接到實(shí)際硬件上，就可以實(shí)現(xiàn)從控制數(shù)字孿生到控制實(shí)際測(cè)試臺(tái)的過(guò)渡。
圖3：測(cè)試臺(tái)（top）和控制單元（bottom）的EMR表示的FPGA實(shí)現(xiàn)
在圖3-top中，描述了作為數(shù)字孿生體的實(shí)際測(cè)試臺(tái)的EMR。對(duì)于EMR概念中創(chuàng)建的每個(gè)塊，創(chuàng)建一個(gè)子VI。為了創(chuàng)造一個(gè)更靈活的環(huán)境，除了每個(gè)模塊的正常輸入/輸出信號(hào)外，還增加了幾個(gè)額外的輸入/輸出信號(hào)，以確保模塊內(nèi)的數(shù)學(xué)模型中所需的數(shù)量不同，例如機(jī)器參數(shù)、積分器的采樣時(shí)間和調(diào)節(jié)器的增益。在FPGA編程中，當(dāng)一個(gè)信號(hào)從輸出端向后發(fā)送到輸入端時(shí)，在FPGA編程中這些連接是必需的。但是，這些不會(huì)改變系統(tǒng)的行為，只會(huì)確保在模型內(nèi)部以正確的方式操作適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。在圖3的頂部和底部，數(shù)字輸出和輸入端口在控制和測(cè)試臺(tái)模擬器回路中可見(jiàn)。然而，模擬輸入/輸出端口在圖2中不可見(jiàn)，因?yàn)樗鼈兪窃趩为?dú)的回路中實(shí)現(xiàn)的，但是三相電流、機(jī)器速度和位置以及DCM的電流和電壓是通過(guò)這些通信線路發(fā)送/接收的。永磁同步電機(jī)模型（圖3-top）觸發(fā)控制FPGA的時(shí)鐘，如圖3-top的下部所示。FPGA以5MHz的頻率工作，數(shù)據(jù)傳輸以相同的速度進(jìn)行。然而，ADC IOs的工作頻率約為1MHz，取決于參與項(xiàng)目的人數(shù)。雖然數(shù)據(jù)不會(huì)從IOs刷新，但FPGA自然會(huì)回收在輸入端口上讀取的最后一個(gè)數(shù)據(jù)。保證了在同一時(shí)間段內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)流是可靠的。
04
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對(duì)比分析
如前所述，為了對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與從DT獲得的結(jié)果進(jìn)行正確的比較測(cè)試，在兩種分析條件下，對(duì)永磁同步電機(jī)施加相同的速度基準(zhǔn)，并對(duì)DCM施加相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。更重要的是，為了確保正確的數(shù)據(jù)采集，所有的分析都對(duì)數(shù)據(jù)的采樣率和數(shù)據(jù)流到TDMS文件的采樣速度施加了相同的要求。主要的興趣是比較DQ電流、轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、最終返回效率的電功率和機(jī)械功率以及在這兩種情況下DCM的電壓和電流。必須指出的是，紅色曲線表示與DT相關(guān)的量，藍(lán)色曲線表示在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的量，綠色曲線表示參考值。
圖4：PMSM的參考速度，模擬速度和測(cè)量速度
在圖4中，描述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的參考速度、模擬速度和測(cè)量速度。結(jié)果在20分鐘的時(shí)間段內(nèi)。正如可以觀察到的，DT和試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量值都與施加的參考值非常一致。
圖5：PMSM的參考扭矩，模擬扭矩和估算扭矩
在圖5中，描述了基準(zhǔn)、基于電流的估計(jì)和模擬的轉(zhuǎn)矩特性。這里首先要提到的是，測(cè)量的和模擬的轉(zhuǎn)矩非常一致，疊加非常緊密。但是，這些值略大于參考值。這是正常的，因?yàn)闉榱耸褂来磐诫妱?dòng)機(jī)確保產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩滿足參考值，它還必須產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以克服兩臺(tái)機(jī)器軸承中存在的摩擦。
