本文來源：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.
“ 本研究重點介紹了幾種不同概念的實現(xiàn)對輕型電動汽車推進裝置試驗裝置的智能分析。首先，提出了“數(shù)字孿生”的概念，它代表一個完整的測試設備的模擬副本。此外，數(shù)字孿生（DT）不再使用離線仿真環(huán)境，而是使用兩個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）編程運行，從而成為在線實時仿真。第二個概念是數(shù)字孿生兄弟的分布。實際的單元控制器被編程到一個FPGA中，被測機器、負載和功率變換器在第二個FPGA中實現(xiàn)。兩者之間的通信是用模擬線和數(shù)字線來處理的，就像控制器連接到真實的測試臺一樣。第三個概念涉及到兩個FPGA程序的組織，基于能量宏觀表達法（EMR），它有助于提高透明度，易于實現(xiàn)，并將編碼實際測試臺副本及其控制器的錯誤最小化。”
01
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簡介
本研究建立一個完整的測試臺的數(shù)字孿生模型（DT）。DT和信號HiL之間的主要區(qū)別在于，后者通常是在安裝實際硬件之前構(gòu)建的，以便通過強大的仿真來測試一個概念，而DT是在實際測試臺存在之后創(chuàng)建的，其數(shù)字副本可以獨立于實際硬件設施使用。更重要的是，當使用諸如FPGA這樣的實時目標來實現(xiàn)這一概念時，模擬和實際測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雜系統(tǒng)。本研究所考慮的實際試驗臺的DT考慮了它的所有元件，如控制單元、被測機器及其電子元件、加載機及其附加的可編程電子負載。實際測試臺使用一個FPGA作為控制器，用于所有使用的設備（電子逆變器、電子負載和電子旋轉(zhuǎn)變壓器）。在設計數(shù)字孿生電路時，通常連接到測試臺上的FPGA控制器仍然使用相同的代碼進行編程，但是將它連接到另一個FPGA而不是連接到測試臺上。后者包含實際試驗臺及其所有組件的完整模型。
兩個FPGA使用模擬IO進行通信，用于測量電流和電壓，數(shù)字IO用于發(fā)送PWM信號并獲取模擬的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)。實際上，從控制器的角度來看，用它的數(shù)字孿生模型替換試驗臺變得無縫。因此，一般的工作范圍是證明實現(xiàn)信號HiL單元作為實際測試臺的數(shù)字孿生單元的策略。
另一個巨大的優(yōu)勢是，當從數(shù)字孿生轉(zhuǎn)換到測試臺（來回），只需拔下包含DT的FPGA并連接實際硬件，反之亦然，證明了這種方法相對于簡單軟件模擬的優(yōu)勢。在本文中，DT的結(jié)果只與實際測量進行了比較，目的在于證明DT與實際硬件之間的相似性。為了能夠建立這樣一個測試臺的DT，需要所有硬件組件的正確和精確的識別數(shù)據(jù)。構(gòu)建DT所需的數(shù)據(jù)是使用常見文獻中廣泛存在的方法確定的。然而，為了證明，沒有考慮飽和機飽和或FET驅(qū)動器死區(qū)時間，這些是未來在這一領域的研究。
02
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實際測試臺
為了建立一個正確和完整的現(xiàn)有試驗臺的數(shù)字孿生模型，有必要知道組成它的所有組件以及用數(shù)學解釋來描述每個組件所需的所有數(shù)據(jù)。
圖1：實驗室測試臺
對于永磁同步電動機，建模和控制單元中使用的辨識參數(shù)為：定子電阻Rs=0.07?，DQ軸上的電感為Ld=0.0002H和Lq=0.0002H。從力學角度看，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)試驗臺上所有部件的信息，設計出其EMR表示。EMR是一種圖形形式，用于在一個完整的系統(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EMR組織?？梢杂^察到，DT被分成兩個FPGA。一個處理機械耦合的電機模型，逆變器和負載，而第二個包含完整的控制單元。兩個FPGA之間的通信使用模擬和數(shù)字IO通道進行處理，以模擬實際測試臺。這樣，如果控制單元正在控制實際的測試臺或其在FPGA上建模的數(shù)字孿生體，則它沒有信息。
完整的DT是使用一個實時GUI來監(jiān)控的，實際上這個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。
模型中用于表示來自試驗臺或控制單元的實際組件的每個塊都進行了編號，以簡化其與以下解釋和數(shù)學表達式的關(guān)系。
圖2：DT的EMR表示
直流母線模塊（1）實際上是一個常數(shù)，它將逆變器的電容電壓施加在50V。第二個模塊（2）實際上是逆變器的復制品，它基于從控制器接收到的3相PWM信號（m）來產(chǎn)生開關(guān)電壓。當（m）信號施加時，PWMa、b、c值為0或1。第三個區(qū)塊（3）是由3相DQ0量直接進行的Park變換。這是基于準確的轉(zhuǎn)子位置（?）可供使用。第四塊（4）表示直接以DQ形式詳述的電機繞組模型。對于這些計算，必須有關(guān)于DQ電感和電機相位電阻的正確信息。機電轉(zhuǎn)換是第五個模塊（5），根據(jù)定子電流、電機參數(shù)和轉(zhuǎn)子速度計算出永磁同步電機轉(zhuǎn)矩和反電動勢DQ分量。第六塊，對應于由永磁同步電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、DCM的負載轉(zhuǎn)矩、摩擦系數(shù)B和兩臺機器的總慣量J描繪的機械轉(zhuǎn)換。第七塊（7）表示DCM產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和反電動勢、電機電流的計算函數(shù)、軸速度以及電機的轉(zhuǎn)矩和電壓常數(shù)，詳見表I。DCM的繞組模型在方框8中描述，它是機器參數(shù)和機器電源/負載電壓的計算函數(shù)。為了創(chuàng)建一個電子負載（塊9）的副本，該電子負載通常接收外加電流并計算需要提供給負載以達到所需電流的電壓，實現(xiàn)了一個PI控制器，該控制器輸出所需電壓，以減少施加電流和實際DCM電流之間的誤差。到目前為止（1-9）詳細說明的所有模塊都在模擬最佳工作臺的FPGA中實現(xiàn)。
這些模塊接收或發(fā)送到控制單元的信號通過FPGA上可用的模擬和數(shù)字端口進行處理。為了模擬附在分解器上的實際電子元件的響應，創(chuàng)建了一個附加塊，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)換成實際的角度位置。
在第二個FPGA上，DT和實際測試臺的控制單元，塊10處理從基準轉(zhuǎn)矩計算負載機的實際電流。為了計算實際速度和參考速度的永磁同步電動機功能的參考轉(zhuǎn)矩，使用11號塊，其中包含處理此問題的PI控制器。機電轉(zhuǎn)換在塊12中被重用以估計反電動勢的DQ分量的值。13號區(qū)塊處理的測量電流的逆帕克變換確定了整個控制策略所需的DQ值。塊14用于計算參考轉(zhuǎn)矩的參考Q電流函數(shù)，而參考D電流來自策略塊。將后者作為永磁同步電動機的一般控制方法。DQ電壓的實際參考值在方框15中計算。測量了兩個調(diào)節(jié)器的反電勢DQ值，并進行了計算。DQ參考電壓需要使用反向駐車變換轉(zhuǎn)換為三相量。這個問題在16區(qū)處理。最后一個模塊，17號實際上是PWM發(fā)生器。將每個三相電壓與特定頻率的PWM載波集進行比較。比較的輸出是0或1，這些值實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)送到測試臺模擬器FPGA。
一般來說，EMR概念在幾篇論文中被詳細闡述，通常在Matlab Simulink或LMS Amesim中作為離線仿真和在臺風HiL實時環(huán)境中實現(xiàn)。為了向前邁進一步，作者在兩個FPGA中實現(xiàn)了整個模型，一個處理控制單元，另一個處理完整的測試臺模型。2個FPGA之間的通信是使用數(shù)字和模擬IO處理的，因為控制單元將連接到實際測試臺。一方面，通過這種方法可以得到更真實的分析；另一方面，只需斷開FPGA測試臺模擬器，將控制器連接到實際硬件上，就可以實現(xiàn)從控制數(shù)字孿生到控制實際測試臺的過渡。
圖3：測試臺（top）和控制單元（bottom）的EMR表示的FPGA實現(xiàn)
在圖3-top中，描述了作為數(shù)字孿生體的實際測試臺的EMR。對于EMR概念中創(chuàng)建的每個塊，創(chuàng)建一個子VI。為了創(chuàng)造一個更靈活的環(huán)境，除了每個模塊的正常輸入/輸出信號外，還增加了幾個額外的輸入/輸出信號，以確保模塊內(nèi)的數(shù)學模型中所需的數(shù)量不同，例如機器參數(shù)、積分器的采樣時間和調(diào)節(jié)器的增益。在FPGA編程中，當一個信號從輸出端向后發(fā)送到輸入端時，在FPGA編程中這些連接是必需的。但是，這些不會改變系統(tǒng)的行為，只會確保在模型內(nèi)部以正確的方式操作適當?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試臺模擬器回路中可見。然而，模擬輸入/輸出端口在圖2中不可見，因為它們是在單獨的回路中實現(xiàn)的，但是三相電流、機器速度和位置以及DCM的電流和電壓是通過這些通信線路發(fā)送/接收的。永磁同步電機模型（圖3-top）觸發(fā)控制FPGA的時鐘，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行。然而，ADC IOs的工作頻率約為1MHz，取決于參與項目的人數(shù)。雖然數(shù)據(jù)不會從IOs刷新，但FPGA自然會回收在輸入端口上讀取的最后一個數(shù)據(jù)。保證了在同一時間段內(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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對比分析
如前所述，為了對實際測量結(jié)果與從DT獲得的結(jié)果進行正確的比較測試，在兩種分析條件下，對永磁同步電機施加相同的速度基準，并對DCM施加相同的負載轉(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，藍色曲線表示在試驗臺上測得的量，綠色曲線表示參考值。
圖4：PMSM的參考速度，模擬速度和測量速度
在圖4中，描述了永磁同步電動機的參考速度、模擬速度和測量速度。結(jié)果在20分鐘的時間段內(nèi)。正如可以觀察到的，DT和試驗臺測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、基于電流的估計和模擬的轉(zhuǎn)矩特性。這里首先要提到的是，測量的和模擬的轉(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，因為為了使永磁同步電動機確保產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩滿足參考值，它還必須產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以克服兩臺機器軸承中存在的摩擦。
