旋转变压器硬件在环仿真系统设计与实现

2018-10-15肖明康

中国设备工程 2018年18期

肖明康

（同济大学中德学院，上海 200092）

旋转变压器结构简单，耐用性好，精度高，抗干扰能力强，因而在新能源汽车领域应用广泛。为设计及验证电机控制器的性能，硬件在环实时仿真技术采用实时数学模型来模拟真实被控对象，生成代码下载到目标机中，并将它与真实的电机控制器相连。旋转变压器硬件在环仿真是永磁同步电机硬件在环仿真重要的组成部分。目前，硬件在环仿真测试平台主要有dSPACE,RT-LAB等。本文基于Vector公司的VT System目标机，研究旋转变压器硬件在环实时仿真。

1 正余弦旋转变压器的结构与工作原理

旋转变压器是一种输出电压随转子位置变化而变化的元器件，多用于伺服控制系统中，主要用作角度和转速的测量。旋转变压器主要由定子和转子两部分组成，定子和转子分别互为90°电角度装在两个轴线上，根据电磁感应的原理，当在励磁绕组上通入一定频率的交流电压，在变压器副边会感应出与转子角度成一定函数关系的电压幅值。本文以正余弦旋转变压器为研究对象。R1-R2为旋转变压器的转子绕组，通入正弦励磁电压：

转子绕组的旋转会在两个定子绕组中产生感应电压。S2-S4，S1-S3为两个定子绕组，和分别为两定子绕组的感应电压：

E0为转子信号励磁振幅值；

ω为转子励磁信号频率。

2 旋转变压器仿真平台的搭建

在永磁同步电机硬件在环仿真平台搭建之前，需要先对旋转变压器进行建模仿真与测试。如图1所示，旋转变压器仿真平台在硬件上主要由如下部分组成：PC1用于建模编译，VT System目标机，解码板，PC2用于发送控制信号和显示解码角度值。

PC1安装有建模软件Matlab/Simulink，编译软件VT FPGA Manager和Quartus，PC2上安装有控制软件CANoe。首先在内嵌于Simulink中的DSP Builder软件上搭建旋转变压器模型，产生VHDL代码，然后使用VT FPGA Manager软件编译。编译成功后，下载代码到VT System的VT 2816 FPGA板卡中。解码板发送给VT 2816 FPGA一路差分信号，VT 2816 FPGA板卡反馈给解码板两路差分旋变信号。解码板解码这两路差分信号，通过CAN通信传递给PC2，输出解码的旋变角度值。解码板基于英飞凌AURIX TC275单片机内部的Delta Sigma ADC等资源，通过软件算法来实现角度的解码。

图1 硬件在环仿真平台实物图

3 基于DSP Builder旋转变压器离线仿真

根据旋转变压器的数学模型，搭建旋转变压器的仿真模块，基于DSP Builder在PC上进行模拟仿真。设定的仿真时间为8ms，给定正旋激励信号，旋变输出两路与角度相关的模拟信号，其幅值波形分别成正弦和余弦规律变化。仿真结果如下图2所示。仿真结果与旋变的原理计算公式（2）、（3）相符合。

图2 旋转变压器的仿真结果

4 基于VT System的旋转变压器仿真实验

基于DSP Builder搭建旋变模型仿真成功后，需要进行基于VT System的旋变仿真实验。在CANoe上给旋变转速信号，与旋变解码后的信号对比，验证所搭模型的正确性。实验由静态测试和稳态测试组成。

4.1 静态测试实验

反正切法是较常见的旋变解算方法。静态测试实验测量转子在某一时刻的角度值186°。上位机给定角度值186。根据旋变输出的两路信号sin_value=-133，cos_value=-1106，通过反正切法计算得到此时的角度，由于角位于第三象限，所以186.86。误差在1%以内，对于永磁同步电机硬件在环仿真实验而言，符合要求。