技术前沿！电机驱动系统硬件在环仿真测试

2018 年 5 月 8 日 NE电气 请点赞，请转发

随着节能减排、绿色生活的概念逐渐深入人心，新能源发电系统与新能源电动汽车在生活中的应用越来越广泛。在风力发电系统和新能源电动汽车的电驱动系统中，电机控制是热门而关键的研究课题。不过对于研究人员而言，新能源系统与电动汽车中的电机功率都相对较高，像一些极限工况、环境因素等研究条件不便于在实物系统上实现；同时，对于电机驱动与控制系统的研发与生产，传统的开发方式存在周期长、迭代慢、可靠性差的问题。

硬件在环仿真测试（Hardware-In-the-Loop Testing，HIL）作为高效的研发工具，能够帮助科研人员更好地进行原型开发、算法验证，在保证产品质量的同时有效缩短研发周期，在节省成本的同时加速成果的产出。

HIL的概念与价值

硬件在环仿真（也被称为半实物仿真）是随着计算机硬件技术、实时操作系统、电力系统建模等新技术发展起来的实验和研究方式，硬件在环仿真装置的基本原理是用运行着数学模型的实时系统来模拟物理系统的行为，通过实际的I/O接口与控制器相连，不仅利用了软件建模的灵活性，也具有替代实物系统的能力。对于电机驱动系统的开发与测试来说，通过硬件在环仿真能够在很接近真实工况的情况下对控制板整体（板上芯片运行的控制算法，板子的IO通道等）进行测试，具有易于测试故障工况，易于实现测试自动化，易于重现各种工况等优点。硬件在环仿真测试的系统结构框图如下所示：

ModelingTech HIL平台

ModelingTech利用自主研发的StarSim HIL软件，提供高性能且使用方便的硬件在环仿真平台，帮助用户方便地将电力电子或电力系统拓扑模型下载到实时仿真器上。其基于FPGA的小步长仿真技术，能够准确而实时地模拟出被控对象的特性，帮助用户在研发与测试阶段创造安全与高效的实验环境。

StarSim HIL是基于配置型的实时仿真上位机软件，支持载入Simulink / SimPowerSystems 环境下搭建的拓扑模型到FPGA硬件上运行，无需用户进行额外的模型转换与底层开发工作。同时，基于该软件简洁明了的操作界面，用户只需要点击鼠标即可完成模型输出与实际物理信号输出的映射关系，并实现一键式下载运行，省却了编程编译等额外的使用负担。

成功案例

南瑞集团

新能源电动汽车电驱动系统硬件在环测试

电驱动系统是一个典型的电力电子系统，包含电机、逆变电路两个部分，对实时化仿真步长的要求非常高。远宽能源的StarSim小步长仿真技术，能够以1μs的步长稳定仿真整个电驱动系统；同时还支持用户在熟悉的建模环境中，自定义搭建模型并快速下载验证。该平台能够帮助用户快速地进行不同功率电机额定、极限工况运行时的控制情况。

下图为给最终客户搭建的实时仿真系统，左下方为待测的电机控制板，右上边白色机箱为电机驱动系统的实时仿真器，，控制器与实时仿真器通过接线构成信号闭环，电机以及电驱动系统仿真运行在FPGA板卡上，并通过旋变信号的方式进行电机转子位置信号的输出。

下图为30kw电机、120kw电机在控制器实际运行起来后，对应控制效果的示波器截图。

日本MacSystems

混合电动车电机控制器硬件在环测试

混合电动汽车的电机驱动系统是一个典型的电力电子系统，需要基于FPGA的小步长实时仿真。远宽能源(ModelingTech)通过与日本合作伙伴MacSystems合作，开发了基于FPGA的永磁同步电机硬件在环测试系统。其中，远宽能源的工程师主要负责了PMSM电机驱动系统的建模，以及整个模型在FPGA的实现。

下图为给最终客户搭建的实时仿真系统，左边的PXI系统为电机驱动系统的实时仿真器，中间的PCB板是待测的电机控制板，右边是仿真测试系统上位机界面。PXI机箱上插有一块FPGA板卡，永磁同步电机以及驱动系统的模型运行于FPGA上。