感應馬達驅動器硬體迴路(Hardware-in-the-Loop)測試系統

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"從第八屆徵文比賽所發表"變頻器自動化測試系列應用"一文至今完成感應 馬達驅動器Hardware-in-the-Loop 測試系統,持續使用NI 所提供之軟體與硬體設備,使台達電子研發之變頻器產品性能不斷提升、品質更加穩定,與全球技術領先之開發商擠身競爭行列"

- 藍信翔 軟體工程師, 台達電子機電事業部軟體開發一課

The Challenge:
開發調變技術廠商面臨在不同應用下如何驗證之難題,一般利用軟體模擬來 解決測試問題,但卻無法完整重現真實控制情況,除不斷購買測試設備外無其他更好之解決方案,因此必需導入Hardware-in-the-Loop 概念之測試系統。面對電力電子調變技術應用驗證欲達到HIL 測試系統是相當困難,因其控制脈波高達幾μSec 之快,一般HIL 系統模擬時間約為50~100μSec,不足以達到驗證電力電子調變技術應用。全球目前能達到調變技術驗證之HIL 系統屈指可數,不但成本相當高,且有相當多的限制。

The Solution:
台達電子使用NI cRIO 系統完成安全、可靠、即時、低成本之感應馬達驅動 器HIL 測試系統,解決面對各種應用測試挑戰,並加速開發流程。其HIL 系統模擬時間高達100nSec,對於任何暫態皆可完整呈現,超越目前已提出之相關電力電子HIL 系統之模擬時間能力。

Author(s):
藍信翔 軟體工程師 - 台達電子機電事業部軟體開發一課
紀建宇 軟體工程師 - 台達電子機電事業部軟體開發一課

本文榮獲 2012 NI 應用徵文競賽 產業組 第二名

目前全球不斷提倡節能減碳議題,故變頻器的應用場合亦也逐年增加,如風力、汽車、天車、注塑、洗衣機等等從家庭至工業皆需要變頻驅動來節省能源,因大量的變頻調變技術需求出現,故變頻器市場競爭對手也不斷增加。


台達電子機電事業部致力於開發變頻器,提供客戶應用解決方案與穩定可靠的品質。本部門多年來不斷研發高階應用的變頻器,仰賴專業研發人員對控制技術的研究與開發,而為了使產品擁有穩定、安全、性能佳、超越對手等特性,必須在驗證變頻器時投入更多的資源。但面對測試電力電子調變技術是一項十分困難的挑戰,其原因於快速開關切換下能達到即時響應的測試能力,除了真實的物理負載與馬達外,無法取得相關測試數據。近年來軟體模擬不斷被提出解決開發驗證之難題,但對於變頻器之調變方式可達到模擬,但因模擬系統皆為理想之訊號無法真實呈現硬體控制後可能之行為,如短路、雜訊等等問題;因此變頻器測試過程十分棘手,需不斷購買相關測試設備,更測試過程可能因某些因素導致工安問題,於成本、人力、安全各方面造成極大的困難。


本部門導入Hardware-in-the-Loop 概念欲解決變頻器測試問題,經研讀許多相關HIL 研究發現一般應用之HIL 無法滿足變頻器測試,因其模擬時間無法達電力電子快速切換需求,至少 1μSec。本部門期望使用NI cRIO 設備進行HIL開發,解決變頻器測試問題;開發過程尋找NI 歷年應用文集與相關開發文獻,發現對於"感應馬達HIL 實作"無直接相關文獻,因此也添增了不少困難與挑戰。


經過詳盡的規劃與參考全球領先之HIL 系統廠商,本部門已完成cRIO 設備實現虛擬馬達之功能,達到解決變頻器測試問題。其感應馬達驅動器HIL 測試系統可由PC 端透過TCP/IP 進行cRIO 溝通,進而透過cRIO 與FPGA 進行資料交換。本系統可以進行自動化測試功能,並可即時繪製三相電流與轉速之圖表。


系統隨時可透過PC 軟體進行修改參數轉換馬達型號,這亦是優於業界HIL 系統,無須重新建模的特點。更提供馬達編碼器(Encoder)A、B、Z 脈波輸出,可完成定位等閉迴路控制測試,且可依使用者任意設定編碼器脈波數,證實本系統高速精準之能力。為了達到台達電子目前高階應用,提出並聯系統解決測試方案,此為兩台變頻器並聯應用,所需之IO 介面為兩倍,更在調變非同步時產生環流效
應,需複雜演算即時反應至變頻器。本系統模擬時間最後已由 1μSec 優化至 100nSec,超越目前其它HIL 系統 ,此為本系統最大挑戰之一,完成克服電路線程優化困難。


台達電子使用美商相關產品解決測試問題,達到品質穩定與技術領先之優勢,未來將持續針對更困難的應用進行研究開發,完成客戶之需求,美商國家儀器將也持續成為我們驗證測試的最佳選擇。

照片

圖一、HIL 設計規劃

 

圖二、HIL 設計架構

 

圖三、實作環境圖

圖四、驗證比對

Author Information:
藍信翔 軟體工程師
台達電子機電事業部軟體開發一課
Shinshiang.lan@delta.com.tw

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