TWI591357B - 即時模擬系統 - Google Patents
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Description
本案關於一種即時模擬系統，尤指一種用來測試可控制電源轉換器及交流馬達之控制器，且可即時監控模擬情況之即時模擬系統。
一般常見的交流馬達驅動系統中，包含電源轉換器和控制器，控制器係輸出控制訊號來控制電源轉換器之運作，電源轉換器則依據控制訊號來轉換所接收之電源，進而調整所輸出之輸出電壓的震幅及頻率等，從而控制交流馬達的轉速及輸出轉矩等性能。故控制器是影響交流馬達驅動系統之效能的最大關鍵之一，因此，針對控制器的性能作完整測試是必要且關鍵的步驟。
傳統的控制器的測試方式為測試人員直接進行實機測試，即控制器直接置於交流馬達驅動系統中，並將交流馬達連接於電源轉換器，而交流馬達之轉子軸則掛接一機械負載，藉此在交流馬達驅動系統運作的情況下，以各種不同負載情況來測試控制器的性能，然而於上述之測試方式中，實機測試所需之實體設備、廠房空間、電力耗損及設備維護皆需耗費極大成本，同時因進行實機測試前尚不清楚了解控制器的性能，直接以實際設備進行測試，有相當高的機會產生***，而危害操作人員的安全。
幸而拜技術發展之賜，如今針對控制器的性能測試，可使用即時模擬系統來模擬控制器之工作環境，而不需利用實際設備進行測試。目前的即時模擬系統係利用單一的運算單元來同步模擬控制器工作環境中的電源、電源轉換器、交流馬達之動態及機械負載之動態等等，並將即時模擬之結果回傳至控制器，以形成完整迴路，藉此了解控制器之性能。
然而因交流馬達、電源轉換器及電源轉換器所接收之電源相較於機械負載在動態變化上實存在著不同的變化速度差異(交流馬達、電源轉換器及電源轉換器所接收之電源的動態變化速度相對較快，機械負載的動態變化速度相對較慢)，故在進行即時模擬時，交流馬達、電源轉換器及電源轉換器所接收之電源及機械負載所需的運算速度及精度相差甚多，而由於目前即時模擬系統僅使用單一的運算單元來進行模擬，如此一來，單一的運算單元並無法符合不同的運算需求而導致浪費即時模擬系統的運算資源，進而使得即時模擬系統的構成成本較高。另外，目前的即時模擬系統並無法同時對模擬結果進行即時監控及調整模擬環境所需的相關參數，故增加即時模擬系統在模擬時的複雜性及時間。此外，在上述之即時模擬系統中，控制器需包含於即時模擬系統的運算迴路中而無法獨立，因而若欲測試不同的控制器時，皆需重新調整即時模擬系統內部的迴路設計，如此一來，將造成即時模擬系統的適用性不佳。
因此，如何發展一種克服上述缺點之即時模擬系統，實為目前迫切之需求。
本案之主要目的在於提供一種即時模擬系統，俾解決習知即時模擬系統具有構成成本較高、模擬的複雜性及模擬時間較高以及適用性不佳等缺失。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種即時模擬系統，適用於測試控制器，控制器輸出控制信號控制電源轉換器及交流馬達之運作，使交流馬達驅動機械負載同步運作，即時模擬系統包含：即時模擬模組，用以建構模擬電源轉換器所接收之電源、電源轉換器及掛載機械負載之交流馬達之行為動態的第一模型，並於接收控制信號時將控制信號代入第一模型而開始進行模擬運算，以產生第一模擬結果，且即時模擬模組包含第一通訊介面以及至少一第一輸出輸入單元，至少一第一輸出輸入單元傳送第一模擬結果至控制器，並接收控制信號；負載模擬模組，用於建構模擬機械負載之行為動態的第二模型，並於模擬運算時產生第二模擬結果，且包含第二通訊介面及至少一第二輸出輸入單元，第二通訊介面與第一通訊介面相通訊，其中第二模擬結果經由至少一第二輸出輸入單元傳送至至少一第一輸出輸入單元，或經由第二通訊介面傳送至第一通訊介面，使即時模擬模組依據第二模擬結果調整對於第一模型之模擬運算；以及操作管理與監控模組，用以監控即時模擬模組及負載模擬模組之運作，且包含人機介面、顯示單元及第三通訊介面，第三通訊介面與第一通訊介面相通訊，使操作管理與監控模組和即時模擬模組彼此溝通，且第三通訊介面經由第一通訊介面與第二通訊介面相通訊，使操作管理與監控模組和負載模擬模組彼此溝通，顯示單元用以顯示即時模擬模組及負載模擬模組之運作狀態、第一模擬結果及第二模擬結果，人機介面接收使用者命令，以依據使用者命令並透過第三通訊介面與第一通訊介面設定第一模型所需之相關參數，並依據使用者命令透過第三通訊介面、第一通訊介面及第二通訊介面而設定第二模型所需之相關參數。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖，其為本案較佳實施例之即時模擬系統的電路結構示意圖。如第1圖所示，即時模擬系統10適用於測試一控制器20，其中控制器20可輸出一控制信號來控制一交流馬達驅動系統之一電源轉換器及一交流馬達之運作，使交流馬達驅動一機械負載同步運作，而即時模擬系統10包含一即時模擬模組11、一負載模擬模組12及一操作管理與監控模組13。
即時模擬模組11用以建構模擬電源轉換器所接收之電源、電源轉換器及掛載機械負載之交流馬達之行為動態的一第一模型，當即時模擬模組11尚未接收到控制器20所輸出之控制信號時，即時模擬模組11將處於待機狀態，而當模擬模組11接收到控制器20所輸出之控制信號時，即時模擬模組11立即將控制信號代入第一模型並開始進行模擬運算，以產生一第一模擬結果，且即時模擬模組11包含一第一通訊介面111及至少一第一輸出輸入單元112，例如第1圖所示之單一第一輸出輸入單元112。當即時模擬系統10與控制器20連接時，第一輸出輸入單元112接收控制器20所輸出之控制信號，亦可傳送第一模擬結果至控制器20。於一些實施例中，當即時模擬系統10與控制器20連接時，第一通訊介面111可與控制器20相通訊，使即時模擬模組11與控制器20彼此溝通。
負載模擬模組12用於建構模擬機械負載之行為動態的第二模型，並於模擬運算時產生一第二模擬結果，且包含一第二通訊介面121及至少一第二輸出輸入單元122，例如第1圖所示之單一第二輸出輸入單元122，第二通訊介面121與第一通訊介面111相通訊，使即時模擬模組11與負載模擬模組12彼此溝通。第二輸出輸入單元122係與第一輸出輸入單元112電連接，當負載模擬模組12產生第二模擬結果時，第二模擬結果可經由至第二輸出輸入單元122傳送至第一輸出輸入單元112，或經由第二通訊介面121傳送至該第一通訊介面111，使即時模擬模組11依據第二模擬結果調整對於第一模型之模擬運算，例如針對即時模擬模組11所模擬之交流馬達所掛載之機械負載的負載轉矩量進行調整等。
操作管理與監控模組13用以即時監控即時模擬模組11及負載模擬模組12之運作，且包含一第三通訊介面131、一顯示單元135及一人機介面132。第三通訊介面131與第一通訊介面111相通訊，使操作管理與監控模組13和即時模擬模組11彼此溝通，且第三通訊介面131經由第一通訊介面111與第二通訊介面121相通訊，使操作管理與監控模組13和負載模擬模組12彼此溝通，其中顯示單元135可為但不限於由顯示面板所構成。顯示單元135用以顯示即時模擬模組11及負載模擬模組12之運作狀態、第一模擬結果及第二模擬結果。人機介面132接收一使用者命令，並依據使用者命令而透過第三通訊介面131與第一通訊介面111設定第一模型所需之相關參數，且依據使用者命令透過第三通訊介面131、第一通訊介面111及第二通訊介面121而設定第二模型所需之相關參數。其中人機介面132可為但不限於鍵盤、觸控螢幕等。
由上述可知，本案之即時模擬系統10可藉由即時模擬模組11建構模擬電源轉換器所接收之電源、電源轉換器及掛載機械負載之交流馬達之行為動態，且藉由負載模擬模組12模擬機械負載的行為動態，使得控制器20可利用即時模擬系統10來進行測試，如此一來，控制器20並無需以實機方式進行測試，故可減少測試控制器20所產生之成本，同時提升操作人員在測試時的安全性。另外，本案之即時模擬系統10可利用第一通訊介面111、第二通訊介面121及第三通訊介面131之相互通訊使得操作管理與監控模組13得以與即時模擬模組11及負載模擬模組12溝通，從而由顯示單元135顯示即時模擬模組11及負載模擬模組12之運作狀態、第一模擬結果及第二模擬結果，並同時透過人機介面132來接收使用者命令，以設定第一模型及第二模型所需之相關參數，因此本案之即時模擬系統10可即時監控模擬情形並進行調整，故可減少模擬時的複雜性及時間。此外，本案之即時模擬系統10與控制器20為相互獨立，亦即控制器20無需包含於即時模擬系統10之運作迴路中，如此一來，即時模擬系統10僅需接收控制器20所輸出之控制信號，並將測試需求所需之相關資訊透過第一通訊介面111或第一輸出輸入單元112傳回至控制器20，因此本案之即時模擬系統10可適用於不同種類的控制器20而達成各種控制器20隨插即用之功效，故本案之即時模擬系統10的適用性較佳。更甚者，由於本案之即時模擬模組11係建構模擬電源轉換器所接收之電源、電源轉換器及掛載機械負載之交流馬達之行為動態，而負載模擬模組12模擬機械負載的行為動態，因此即時模擬模組11可採用較高階的運算架構來構成，而負載模擬模組12則可採用較低階的運算架構來構成，如此一來，並不會有運算資源的浪費，故使得本案之即時模擬系統10的構成成本可降低。
請再參閱第1圖，於一些實施例中，即時模擬模組11包含一第一記憶單元113、一第一運算單元114及一狀態顯示單元115。第一記憶單元113可儲存第一模型以及第一模擬結果。第一運算單元114可由但不限於運算速度較快之場效可程式化邏輯閘陣列(FPGA)構成，但不限於此，用以進行即時模擬模組11所需之運算，例如第一運算單元114可讀取儲存於第一記憶單元113內之第一模型，並在即時模擬模組11接收到控制器20所傳來之控制信號時，將控制信號代入第一模型而開始進行運算，以產生第一模擬結果。狀態顯示單元115用以顯示即時模擬模組11之工作狀態(如上電中、模擬中、異常等)，且狀態顯示單元115可為但不限於由一指示燈所構成。另外，第一模型可以數學方式(如微分方程式)描述掛載機械負載之交流馬達、電源轉換器所接收之電源、電源轉換器三者隨時間變動的行為動態。操作管理與監控模組13則可透過人機介面132接收使用者命令，並經由第三通訊介面131及第一通訊介面111重新載入第一記憶單元113內之第一模型或第一模型之參數。
負載模擬模組12包含一第二運算單元124及一第二記憶單元123。第二記憶單元123可儲存第二模型以及第二模擬結果。第二運算單元124所需之運算速度相較於第一運算單元114較慢，因此第二運算單元124可由一微控制單元(MCU)構成，但不限於此，用以進行負載模擬模組12所需之運算，例如第二運算單元124可以讀取儲存於第二記憶單元123內之第二模型，並進行運算以產生第二模擬結果。此外，第二模型是以數學方式(如微分方程式)描述機械負載隨時間變動的行為動態。而操作管理與監控模組13可透過人機介面132接收使用者命令並經由第三通訊介面131、第一通訊介面111及第二通訊介面121重新載入第二記憶單元123內之第二模型或修改第二模型之參數。
因即時模擬模組11建構模擬掛載機械負載之交流馬達之行為動態，負載模擬模組12則建構模擬機械負載之行為動態，又機械負載之行為動態實際上係影響掛載機械負載之交流馬達的行為動態，即負載模擬模組12之第二模擬結果係影響即時模擬模組11對於第一模型之模擬運算，故即時模擬模組11需接收負載模擬模組12所模擬之第二模擬結果，以調整對於第一模型之模擬運算。在一實施例中，即時模擬模組11經由第一輸出輸入單元112及第二輸出輸入單元122接收第二運算單元124所產生之第二模擬結果，使即時模擬模組11依據第二模擬結果調整對於第一模型之模擬運算。而在另一實施例中，即時模擬模組11可經由第一通訊介面111及第二通訊介面121讀取儲存於第二記憶單元123之第二模擬結果，以依據第二模擬結果調整對於第一模型之模擬運算。
另外，即時模擬模組11之第一輸出輸入單元112接收控制器20所輸出之控制信號，而即時模擬模組11之第一輸出輸入單元112亦傳送第一模擬結果至控制器20，而負載模擬模組12之第二輸出輸入單元122輸出第二模擬結果至第一輸出輸入單元112，故第一輸出輸入單元112的類型需對應於控制器20所輸出之控制信號的形式，而第二輸出輸入單元122的類型則需對應第一輸出輸入單元112的類型，因此，在一實施例中，控制器20所輸出之控制信號係為數位信號，故第一輸出輸入單元112則對應由數位輸出輸入單元所構成，第二輸出輸入單元122亦對應由數位輸出輸入單元所構成。在另一實施例中，控制器20所輸出之控制信號係為類比信號，故第一輸出輸入單元112則對應由類比輸出輸入單元所構成，第二輸出輸入單元122亦對應由類比輸出輸入單元。而在又一實施例中，如第2圖所示，即時模擬模組11可包含兩個第一輸出輸入單元112，其中之一第一輸出輸入單元112由數位輸出輸入單元所構成，另一個第一輸出輸入單元112由類比輸出輸入單元所構成，而負載模擬模組12亦包含兩個第二輸出輸入單元122，其中之一第二輸出輸入單元122由數位輸出輸入單元所構成，另一個第二輸出輸入單元122由類比輸出輸入單元所構成，故當控制器20所輸出之控制信號係為數位信號時，則即時模擬模組11係利用為數位輸出輸入單元之第一輸出輸入單元112來與控制器20進行信號的傳遞，而當控制器20所輸出之控制信號係為類比信號時，即時模擬模組11則利用為類比輸出輸入單元之第一輸出輸入單元112來與控制器20進行信號的傳遞，此外，為數位輸出輸入單元之第一輸出輸入單元112則與為數位輸出輸入單元之第二輸出輸入單元122進行信號的傳遞，為類比輸出輸入單元之第一輸出輸入單元112則與為類比輸出輸入單元之第二輸出輸入單元122進行信號的傳遞。
請再參閱第1圖，操作管理與監控模組13更可包含第三記憶單元133及第三運算單元134。第三記憶單元133可提供操作管理與監控模組13所需之儲存功能，且可經由第三通訊介面131及第一通訊介面111接收並儲存第一模擬結果，並經由第三通訊介面131、第一通訊介面111及第二通訊介面121接收並儲存第二模擬結果。第三運算單元134用以進行操作管理與監控模組13所需之相關運算。更甚者，在即時模擬模組11及負載模擬模組12分別進行複數次模擬，而第三記憶單元133儲存複數個第一模擬結果及複數個第二模擬結果時，人機介面132可接收使用者命令而第三運算單元134對不同模擬結果進行比對，且將比對結果顯示於顯示單元135。
綜上所述，本案提供一種即時模擬系統，以供控制器進行測試，其中即時模擬系統之即時模擬模組建構模擬電源轉換器所接收之電源、電源轉換器及掛載機械負載之交流馬達之行為動態之第一模型，而負載模擬模組模擬機械負載的行為動態之第二模型，此外，操作管理與監控模組可與即時模擬模組及負載模擬模組溝通，並設定第一模型及第二模型所需之相關參數，更甚者，本案之即時模擬系統與控制器為相互獨立，故控制器無需包含於即時模擬系統之運作迴路中，又因即時模擬模組可採用較高階的運算架構來構成，而負載模擬模組則可採用較低階的運算架構來構成，故本案之即時模擬系統可達到減少測試控制器所產生之成本、提升操作人員在測試時的安全性、減少模擬時的複雜性及時間、適用性較佳及構成成本可降低等功效。
10‧‧‧即時模擬系統
20‧‧‧控制器
11‧‧‧即時模擬模組
111‧‧‧第一通訊介面
112‧‧‧第一輸出輸入單元
113‧‧‧第一記憶單元
114‧‧‧第一運算單元
115‧‧‧狀態顯示單元
12‧‧‧負載模擬模組
121‧‧‧第二通訊介面
122‧‧‧第二輸出輸入單元
123‧‧‧第二記憶單元
124‧‧‧第二運算單元
13‧‧‧操作管理與監控模組
131‧‧‧第三通訊介面
132‧‧‧人機介面
133‧‧‧第三記憶單元
134‧‧‧第三運算單元
135‧‧‧顯示單元
20‧‧‧控制器
11‧‧‧即時模擬模組
111‧‧‧第一通訊介面
112‧‧‧第一輸出輸入單元
113‧‧‧第一記憶單元
114‧‧‧第一運算單元
115‧‧‧狀態顯示單元
12‧‧‧負載模擬模組
121‧‧‧第二通訊介面
122‧‧‧第二輸出輸入單元
123‧‧‧第二記憶單元
124‧‧‧第二運算單元
13‧‧‧操作管理與監控模組
131‧‧‧第三通訊介面
132‧‧‧人機介面
133‧‧‧第三記憶單元
134‧‧‧第三運算單元
135‧‧‧顯示單元
第1圖為本案較佳實施例之即時模擬系統的電路結構示意圖。 第2圖為第1圖所示之即時模擬系統之另一變化例的電路結構示意圖。
10‧‧‧即時模擬系統
20‧‧‧控制器
11‧‧‧即時模擬模組
111‧‧‧第一通訊介面
112‧‧‧第一輸出輸入單元
113‧‧‧第一記憶單元
114‧‧‧第一運算單元
115‧‧‧狀態顯示單元
12‧‧‧負載模擬模組
121‧‧‧第二通訊介面
122‧‧‧第二輸出輸入單元
123‧‧‧第二記憶單元
124‧‧‧第二運算單元
13‧‧‧操作管理與監控模組
131‧‧‧第三通訊介面
132‧‧‧人機介面
133‧‧‧第三記憶單元
134‧‧‧第三運算單元
135‧‧‧顯示單元
Claims (12)
- 一種即時模擬系統，適用於測試一控制器，該控制器係輸出一控制信號控制一電源轉換器及一交流馬達之運作，使該交流馬達驅動一機械負載同步運作，該即時模擬系統係包含： 一即時模擬模組，用以建構模擬該電源轉換器所接收之一電源、該電源轉換器及掛載該機械負載之該交流馬達之行為動態的一第一模型，並於接收該控制信號時將該控制信號代入該第一模型而開始進行模擬運算，以產生一第一模擬結果，且該即時模擬模組包含一第一通訊介面以及至少一第一輸出輸入單元，該至少一第一輸出輸入單元傳送該第一模擬結果至該控制器，並接收該控制信號； 一負載模擬模組，用於建構模擬該機械負載之行為動態的一第二模型，並於模擬運算時產生一第二模擬結果，且包含一第二通訊介面及至少一第二輸出輸入單元，該第二通訊介面與該第一通訊介面相通訊，其中該第二模擬結果係經由該至少一第二輸出輸入單元傳送至該至少一第一輸出輸入單元，或經由該第二通訊介面傳送至該第一通訊介面，使該即時模擬模組依據該第二模擬結果調整對於該第一模型之模擬運算；以及 一操作管理與監控模組，用以監控該即時模擬模組及該負載模擬模組之運作，且包含一人機介面、一顯示單元及一第三通訊介面，該第三通訊介面與該第一通訊介面相通訊，使該操作管理與監控模組和該即時模擬模組彼此溝通，且該第三通訊介面係經由該第一通訊介面與該第二通訊介面相通訊，使該操作管理與監控模組和該負載模擬模組彼此溝通，該顯示單元係用以顯示該即時模擬模組及該負載模擬模組之運作狀態、該第一模擬結果及該第二模擬結果，該人機介面係接收一使用者命令，以依據該使用者命令並透過該第三通訊介面與該第一通訊介面設定該第一模型所需之相關參數，並依據該使用者命令透過該第三通訊介面、該第一通訊介面及該第二通訊介面而設定該第二模型所需之相關參數。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該即時模擬模組更包含： 一第一記憶單元，用以儲存該第一模型及該第一模擬結果； 一第一運算單元，用以讀取儲存於該第一記憶單元內之該第一模型，並將該控制信號代入該第一模型而開始進行模擬運算，以產生該第一模擬結果；以及 一狀態顯示單元，用以顯示該即時模擬模組之工作狀態。
- 如申請專利範圍第 2 項所述之即時模擬系統，其中該第一運算單元由一場效可程式化邏輯閘陣列構成。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該負載模擬模組更包含： 一第二記憶單元，用以儲存該第二模型及該第二模擬結果；以及 一第二運算單元，用以讀取儲存於該第二記憶單元內之該第二模型，並進行模擬運算，以產生該第二模擬結果。
- 如申請專利範圍第 4 項所述之即時模擬系統，其中該第二運算單元由一微控制單元所構成。
- 如申請專利範圍第 4 項所述之即時模擬系統，其中該即時模擬模組係經由該至少一第一輸出輸入單元及該至少一第二輸出輸入單元接收該第二運算單元所產生之該第二模擬結果，使該即時模擬模組依據該第二模擬結果調整對於該第一模型之模擬運算。
- 如申請專利範圍第 4 項所述之即時模擬系統，其中該即時模擬模組係經由該第一通訊介面及該第二通訊介面讀取儲存於該第二記憶單元之該第二模擬結果，以依據該第二模擬結果調整對於該第一模型之模擬運算。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中當該即時模擬模組未接收該控制信號時，該即時模擬模組處於待機狀態。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該至少一第一輸出輸入單元為數位輸出輸入單元，該至少一第二輸出輸入單元為數位輸出輸入單元。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該至少一第一輸出輸入單元為類比輸出輸入單元，該至少一第二輸出輸入單元為類比輸出輸入單元。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該至少一第一輸出輸入單元包含兩個第一輸出輸入單元，其中之一該第一輸出輸入單元為數位輸出輸入單元，另一個該第一輸出輸入單元為類比輸出輸入單元，而該至少一第二輸出輸入單元包含兩個第二輸出輸入單元，其中之一該第二輸出輸入單元為數位輸出輸入單元，另一個該第二輸出輸入單元為類比輸出輸入單元。
- 如申請專利範圍第 1 項所述之即時模擬系統，其中該操作管理與監控模組還包含： 一第三記憶單元，經由該第三通訊介面及該第一通訊介面接收並儲存該第一模擬結果，且經由該第三通訊介面、該第一通訊介面及該第二通訊介面接收並儲存該第二模擬結果；以及 一第三運算單元，用以進行該操作管理與監控模組所需之運算。
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