【成功案例】利用Altair Embed™实现基于模型开发的创新型无人机动力系统设计

行业：

电子

挑战：

开发无人机应用的鲁棒电机控制

Altair解决方案：

利用 Altair Embed™ 进行电机电子和控制的高速仿真，开发出一种无传感器电机矢量控制的新方法

优点：

 · 仿真速度

 · 参数数据输入的灵活性

 · 快速的 2D 和 3D 绘图

 · 不断提高的产品质量

Kappa Electronics 是一家专注于电机控制系统设计的咨询公司，拥有 70 多年的经验和深厚的行业背景，为客户提供针对复杂问题的完美解决方案。

当客户要求他们为新的无人机设计电机控制系统时，他们选用 Altair Embed 软件来辅助设计。

Embed（前身为VisSim Embedded）是一款基于模型的嵌入式系统可视化开发环境，其快速的模拟速度，便捷的图表编辑和数据输入功能，以及 2D 和 3D 绘图能力能够有效地缩短开发时间并提高产品设计质量，完全满足客户提出的设计要求。

通过 Embed，他们可以很快地开发出任意动态系统的虚拟原型，改变系统参数，并验证系统的运行性能。

开发测试系统用于评估监测系统

为了使电机磁场矢量控制系统正常工作，需要知道转子相对定子的磁通角，这可以通过在转轴上安装角度传感器来获取，但安装转轴传感器通常非常昂贵，而且对于严格控制成本和重量的无人机而言是完全不切实际的。

Kappa 采用的策略是开发一个监测系统，通过测量电机的电压和电流来估算磁通角。Kappa 提出了一种多模式监测结构，根据电机工作条件自动动态配置参数，以便在各种运行要求下获得最佳的磁通角估值。

在设计监测系统时，他们首先要测试其性能。电机运行频率覆盖从 40 赫兹到 2000 赫兹，这对系统是一个挑战。同时，系统要求能够在宽的转矩及参数变化范围内具有高质量的运行性能。如果监测系统未能满足所有的运行条件，那么无人机就可能从天空中掉落，这显然是不可接受的。

使用参数数据输入只需单击鼠标即可加载所有参数数据

电机响应斜坡速度命令，具有电源、转矩和PWM指令以及相电压丰富的图形功能

使用FOC控制、电机和负载的系统仿真的高级视图

在确定了开发需求后，Kappa 开发了一系列旨在评估监测系统的测试工况。

测试模型包含磁场矢量控制模型、电机模型、螺旋桨负载模型和监测系统模型。他们通过改变电机模型中的参数，并对监测系统隐藏电机参数的变化，来评估系统对参数预估误差的灵敏度。这通过跟踪对比监测系统预估的磁通角与电机模型实际的磁通角之间的差来实现。

在此过程中，他们使用 Embed 的文件输出功能生成超过600个特征数据图。图表结果显示出惊人的低角度误差，并表明监测系统即使在非常不利的条件下也不会失去角度锁定。

Embed 包含了嵌入式系统仿真及开发所需的工具：包括状态图、硬件支持、定点算法、高效的代码生成器、电机控制库等等，这构成了易于使用的开发环境。Kappa 利用 Embed 强大的稳健性，无 bug 运行以及完全的向下兼容特性来快速推进项目。

调试复杂的电机控制系统

灵活的“对话框表”模块读取 Excel 电子表格

Kappa 利用 Excel 电子表格将所有需要的仿真分析工况一起输入到 Embed。诸如总线电压、调制参数、电机参数、采样频率、PWM 频率等在电子表格中作为单行导入。

这使得他们可以通过简单地更改“对话框表”中的行选择器，轻松地从一个模拟场景转到下一个模拟场景。只需点击一下按钮，Kappa 就可以看到设计系统在巨大变化条件下如何工作。

3D可视化

利用 Embed 中的 3D 功能，Kappa 可以将施加在无人机电机的三相电压表示用两个电压(V alpha 和 V beta)表示，并绘制在 2 维 XY 图上。

再者，软件支持将时间作为第三维坐标轴，提供一个三维的空间矢量电压输出图形，能够精确表征系统在整个模拟过程中的特征，准确界定系统何时进出过调制模式以及判断控制回路中是否存在异常。

借助 Altair Embed 的多核任务线程功能，Kappa 能够利用 Embed 的执行速度快速迭代测试和修改设计假设。

当完成的监测系统模型最终转换为实际代码并在真实的无人机系统上进行测试时，其行为特征与模拟预测的一致。角度误差完全在 Embed 预测的范围内。