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[推荐贴] 如何使用NI Multisim和LabVIEW来设计和仿真有刷直流电机H-桥电路

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发表于 2018-12-13 16:08:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
概览使用NI Multisim 12.0,你可以在原型化你的整个模拟和数字电路系统之前对系统进行桌面的仿真。现在,使用Multisimn/LabVIEW联合仿真特性,可以进行数字FPGA控制器逻辑和晶体管电力电子器件级的闭环仿真。本教程展示了如何使用Multisim和LabVIEW2011来开发有刷直流电机H-桥电路的模拟部分和数字控制模块。在本文中,将学习到如何使用机电一体化,电力电子和传感器反馈模块(Multisim中的新特性)来创建一个闭环控制系统。同时还简要介绍了如何创建并调试LabVIEW FPGA IP核。Multisim和LabVIEW允许在系统层面上进行联合设计,通过仿真,保证了LabVIEW中开发的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的算法和代码可以提供模拟电路所需的运行结果以后,就可以直接用硬件进行实现,改变达到最小化。借助有仿真功能的高级Multisim设计途径,你可以在设计流程的前面几个阶段就了解系统的准确性能,这样的结果是减小了原型化过程中的迭代次数(至多可以节省三次PCB制造次数),并可以用更少的编译时间来实现更准确的嵌入式代码(每次编译可以节省大约四小时)。( F: k9 x+ B: I0 L2 O
目录
  • 软件及硬件需求
  • 介绍
  • 技术背景文档
  • 设计过程
  • LabVIEW FPGA IP核
  • 完整系统架构
  • 结论
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1. 软件及硬件需求
  • Multisim 12.0
  • LabVIEW 2011
  • LabVIEW 2011 控制与仿真模块
  • LabVIEW 2011 FPGA  模块
  • CompactRIO (可选为硬件实现平台)5 e1 O) J! d! t' X2 N# c# C
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2. 介绍
使用系统级的仿真,你可以实现两个***的仿真引擎(模拟SPICE电路和数字逻辑控制)之间的点对点仿真。这种功能完全体现在Multisim和LabVIEW平台上,两者通过(cosimulation)的方式来完成交互。仿真的结果就是对整个模拟电路和数字模块的验证,包括了所有的系统的动态特性。Multisim,作为专为准备的模拟和混合信号电路仿真的环境,内置了大量顶尖半导体厂商(如Analog Devices, NXP, ON Semiconductor, Texas Instruments, 等)提供的SPICE模型。LabVIEW仿真引擎则以图形化,数据流的形式有效地设计和实现控制逻辑。该引擎可以为机械系统的嵌入式数字代码提供高级的仿真优化解决方案。
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图1.  Multisim 和 LabVIEW联合仿真
在这个范例设计中,开发了一个有刷直流电机H-桥电路连同脉宽调制(PWM)闭环控制逻辑的完整的系统仿真方案。对直流电机进行了建模并在Multisim中和H-桥晶体管及门极驱动一起进行了仿真。反馈传感器和测量电机速度的正交编码器用来为LabVIEW提供反馈信号。在LabVIEW中,一个专利控制逻辑用来对Multisim送来的反馈的信号进行处理。生成的PWM控制信号又再次施加给Multisim的输入接口,以此控制H-桥的晶体管门极开关状态。这个电路可以调节流入电机的电流大小。使用LabVIEW FPGA IP模块进行的逻辑仿真以40MHz的频率运行。
本教程演示了一个在硬件实现前准确的桌面仿真原型。
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3. 技术背景文档
学习以下相关知识:
  • LabVIEW和Multisim联合仿
  • H-桥拓扑结构
  • PID控制基础
  • 直流电机闭环控制
  • PWM 基础" D! ^: g4 R- s( e
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4. 设计过程Multisim电路设计
设计的第一步是在Multisim中开发模拟电路。电路中包括了Multisim 12.0提供的新的电力电子元件模型。
  • 新的电力金属氧化物半导体,场效应晶体管(MOSFET)模型,可以改变器件的参数选项
  • 新的直流永磁机模型
  • 新的增量编码器和rad/s及rpm转换器模型$ n) g$ F2 R, I7 v" h
Multisim模拟电路包括三个不同电路图:
  • 第一个电路使用了IR公司(International Rectifier)的MOSFET (IRF953和IRF371)
  • 第二个电路又添加了两个额外的门极驱动器(IR2101)的SPICE模型来保证MOSFET开关有可靠的偏置。
  • 第三个电路基于通用的MOSFET模型
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图2. 使用(IR)公司MOSFET模型的模拟电路图
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图3. 使用IR公司MOSFET模型和门极驱动器的模拟电路图

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使用Multisim仿真,你可以在设计流程的靠前阶段验证电气部分。SPICE模型是由半导体生产商提供了基于真实器件性能的准确模型。使用这些模型,你可以在制造原型机之间就决定系统预期达到的效果。
在仿真中使用IR公司的MOSFET模型可以在桌面仿真阶段就验证电路的真实运行情况。观察结果可以发现,由于在第二个电路中添加了门极驱动器,引入了几个纳秒的延迟,当然,这是可以忽略的。
如果你使用的MOSFET没有生产厂商提供的模型,增强的Multisim数据库提供了通用的MOSFET模型,你可以根据器件规格自定义MOSFET的各个参数。图4中的第三个电路图展示了基于通用MOSFET模型的电路图。
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图 4. 使用通用MOSFET模型的模拟电路图
HB/SC接线端定义为LabVIEW联合仿真的输入与输出端口。表1是从Multisim设计中导出的电子表格:

7 U2 v8 g) K, I0 z. a
LabVIEW 接口正接口负接口模式类型
Input
U1U10InputVoltage
L1L10InputVoltage
U2U20InputVoltage
L2L20InputVoltage
Output
IdealSpeedIdealSpeed0OutputVoltage
CurrentCurrent0OutputVoltage
AA0OutputVoltage
BB0OutputVoltage
II0OutputVoltage
Unused
表 1. LabVIEW 联合仿真输入与输出接口信息
最后,Multisim设计会在LabVIEW中加载为一个控制设计与仿真模块。整个系统的仿真会基于LabVIEW图形化界面运行,LabVIEW会与后台运行的透明的Multisim进行定时的数据传送和交互。
数字控制设计
Multisim设计会被装载入LabVIEW中作为一个虚拟仪器,然后连接到不同的系统模块来构成完整的闭环反馈系统。参考LabVIEW技术资源 主页来学习更多关于LabVIEW图形化编程及系统设计的基础知识。
图5的框图展示了系统的信号路径。
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图 5. 系统框图
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5. LabVIEW FPGA IP核
LabVIEW FPGA模块非常适合开发天生并行运行的FPGA硬件。另外,它还可以有效地对低级FPGA代码进行仿真,与直接编译FPGA数字相比可以节省很多时间。
在传统的控制逻辑设计中,工程师开发出与模拟电路分享的嵌入式的代码,但是逐渐地他们需要在系统级进行交互,这个通常很难实现同时的仿真。这种仿真能力的缺乏有可能导致开发出来的嵌入式逻辑并不能很好地支持模拟电路(例如,功率电路系统),造成系统效率低于预期/设计指标。这将迫使开发者对算法进行调整并重编译。
每一次代码的修改都会在编译和部署阶段造成时间的损失(一次简单的重编译就可能花费你四小时的时间)。准确的结合模拟电路的联合仿真(可以由Multisim和LabVIEW提供)可以让你在制造原型或编译之前就了解系统整体的性能,所以可以减少原型化的迭代次数,节省开发时间和开发成本。
本设计中使用数字控制包括了四个LabVIEW FPGA IP核,如下图所示。
比例积分IP
在这段代码中,会根据用户提供的输入参数(Kp 和 KI)按照比例积分控制算法计算输出值。  
PI.png
% x" d9 v1 F5 l& F3 k" \
wusmyclr4694744538576568271.gif
图 6. 比例积分模块框图和界面
正交编码器IP
在下面的代码中,解码后表示了电机转速(A,B和I)的信号会被重新编码来还原真实的速度值,然后提供反馈给PI模块,以此决定电机的转速是过快还是过慢。
Quad.png
( Z# R2 D( m, D9 l% u% K
qwilkrua3998188021873410072.gif
图 7. 正交编码器模块程序框图和界面

% T. S! K' z, P0 a$ t' p/ ~/ _0 L/ @. o: A1 Z# e' y$ s
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simsys.png
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PWM_20120206105409.png
IDAQ-USB-6009数据采集卡
 楼主| 发表于 2018-12-13 16:09:05 | 显示全部楼层
在线课堂
PWM发生器IP
该代码模块接收用户提供的时间输入和PI控制模块提供的反馈输入。
7 X: L5 m% d8 @8 r3 a: l6 F
图 8. PWM控制模块程序框图和界面
H-桥控制器IP
该IP模块将PWM输出转换为4路MOSFET的开关信号,然后决定哪一个对角元素是打开还是关闭。它同时还接收用户对MOSFET死区时间的设置输入。
图 9. H-桥控制模块程序框图和界面
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6. 完整系统架构
所有这些模块都放置在一个控制与仿真循环中,使用了预先设置的固定步长。系统可以以40MHz(250ns每步长)的频率运行。另外还开发了图形化用户界面来监控系统信号(如电机转速度和电流)。
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图 10. 本完整系统架构框图包括了不同的FPGA模块和Multisim电路设计
完成了模拟功率建模和数字控制器设计之后,使用联合仿真工具对完整的系统进行分析和优化。在联合仿真环境下,Multisim和LabVIEW同时执行非线性的时域分析,每一个时间步长结束时两者交互数据。另外,当LabVIEW被配置为使用可变步长解算器之后,Multisim和LabVIEW就可以对未来的仿真步数进行协调,这样就形成了一个高度集成并且精确的仿真。结果就是两个工具都可以加强运算的精度,即使在两个解算器之间有耦合的养分方程的情况下,也可以保证仿真结果准确可靠。
通过系统分析,可以进一步观察到有刷直流电机驱动系统的运行性能。嵌入式FPGA控制代码和模拟对象模型中各个变量都可以在联合仿真的过程中观察到。能够观察任何信号(例如,MOSFET/电机中的电流/电压信号,控制代码的死区特征等)的功能让我们可以对系统的连通性有一个可靠的验证,也能更深入地了解系统的行为。1
图 11. 在这个1秒的系统仿真中,电机转速从0上升并稳定于1200rpm,显示的信号包括设定转速(红色),Multisim中传感器读取的转速(黄色)以及仿真过程中电机的真实转速(白色)。
图 12. 仿真系统的LabVIEW界面显示了1秒的系统仿真时间,电机转速从0上升并稳定于1200rpm过程中从Multisim读取的电机电流信号(绿色)和LabVIEW给出的FPGA控制信号(蓝色)
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7. 结论
你可以联合Multsim和LabVIEW的仿真功能来为带有直流有刷电机和相关电力电子器件的机电一体化系统创建完整的桌面仿真,针对H-桥进行模拟电路仿真,使用LabVIEW实现数字控制模块仿真。点对点的仿真可以在系统设计的前期阶段对系统进行验证,帮助你决定最合适的元件,PI控制参数,H-桥驱动模式和系统监控方案。

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