基于FPGA的外部激励同步电机的实时仿真 Yannick Bergheim, Fabian Jonczyk, René Scheer, Jakob Andert

《Energies》：FPGA-Based Real-Time Simulation of Externally Excited Synchronous Machines Yannick Bergheim, Fabian Jonczyk, René Scheer and Jakob Andert

外部激励同步电机（EESM）实时仿真模型研究，采用半解析离散时间模型结合傅里叶分解和有限元分析参数化，通过逆磁饱和特性与旋转坐标系变换实现非线性磁耦合建模，考虑多损耗机制，在FPGA上实现2.5MHz实时仿真，误差低于1%。

　　

摘要

外部激励同步电机（EESM）是一种无需稀土元素的牵引应用解决方案。然而，可变磁场激励和磁耦合增加了控制的复杂性。可以使用硬件在环（HIL）测试来高效验证其控制功能，这需要高保真的实时仿真模型。本文提出了一种适用于HIL应用的半解析离散时间EESM模型。通过结合旋转坐标变换的反磁通-电流特性来捕捉非线性磁饱和和磁耦合，从而提高了资源利用率。通过角度依赖的反特性的傅里叶分解来包含空间谐波。此外，还考虑了不同的损耗机制以准确模拟电机的物理行为。该模型使用了基于100千瓦（kW）凸极EESM的有限元分析（FEA）结果进行参数化。该模型被实现在一个现场可编程门阵列（FPGA）上，以实现25MH的仿真频率下的实时性能。在典型工作范围内的验证结果显示，与详细的FEA结果相比，偏差低于01，证明了电磁行为的实时仿真准确性。