摘要：硬件在環(huán)仿真對(duì)于驗(yàn)證異步電機(jī)控制器的功能至關(guān)重要。為了提高電機(jī)控制器的驗(yàn)證效率和降低驗(yàn)證成本，開發(fā)了一種基于VT System 的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)的模型架構(gòu)采用了基于電機(jī)臺(tái)架對(duì)拖的設(shè)計(jì)思路，由逆變器子模塊、異步電機(jī)子模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊和故障注入子模塊4 部分組成，可確保電機(jī)控制器在不同轉(zhuǎn)速下能夠輸出相應(yīng)扭矩，并且模擬故障情況。結(jié)果表明，基于VT System 的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可有效地模擬異步電機(jī)行為并注入故障，為電機(jī)控制器的功能驗(yàn)證提供有效支持。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；硬件在環(huán)；仿真測(cè)試技術(shù)；VT System；故障注入

0 前言

電動(dòng)汽車的三大核心部件為電池、電機(jī)和電控。電機(jī)控制器作為電控系統(tǒng)的核心，其工作效率隨著技術(shù)發(fā)展不斷提升。汽車行業(yè)的電機(jī)控制器開發(fā)通常遵循V 模型流程，測(cè)試方法主要包括基于模型的軟件測(cè)試、基于硬件在環(huán)（HIL）的測(cè)試方法，以及基于真實(shí)電機(jī)臺(tái)架的測(cè)試。其中，電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的各種工況，并且能夠在臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)故障的輸入，從而有效地驗(yàn)證電機(jī)控制器的各項(xiàng)功能。然而，這種測(cè)試方法的成本較高，并且測(cè)試周期較長(zhǎng)。相對(duì)而言，基于模型的測(cè)試方法可以在軟件模型開發(fā)階段對(duì)控制模型進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證控制策略的有效性。但是，其缺點(diǎn)在于控制對(duì)象的模型可能過(guò)于簡(jiǎn)化，無(wú)法真實(shí)地反映實(shí)際的測(cè)試情況，導(dǎo)致測(cè)試內(nèi)容受到限制。綜合考慮電機(jī)控制器的研發(fā)效率與成本，通常情況下，選用HIL 測(cè)試系統(tǒng)是一種較為合理的方案。

1 硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)

國(guó)內(nèi)外的高校、測(cè)試設(shè)備供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)很早就投入了HIL 測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)工作。目前，在工業(yè)界使用較為廣泛的平臺(tái)包括Dspace、PXIVerstand、LabCar 等平臺(tái)，以及由MATLAB 公司開發(fā)的實(shí)時(shí)HIL 系統(tǒng)［3］。這些國(guó)內(nèi)外公司提供的HIL 測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)能夠較好地滿足電機(jī)控制器的功能測(cè)試需求。然而，各試驗(yàn)平臺(tái)的價(jià)格普遍較高，且內(nèi)部運(yùn)行的模型不開源，導(dǎo)致新功能開發(fā)困難。

基于上述問(wèn)題，本文提出了一種基于VTSystem 的異步電機(jī)控制器HIL 測(cè)試系統(tǒng)。為了提高HIL 平臺(tái)的實(shí)時(shí)性能，采用VT System 的FPGA VT 5838 板卡來(lái)進(jìn)行模型搭建。模型在VT 5838 板卡上運(yùn)行能夠確保平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，并且可以靈活配置電機(jī)參數(shù)，從而提高被控對(duì)象的精確性與多樣性。

2 異步電機(jī)硬件在環(huán)

基于VT System 的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包含VT System 臺(tái)架、計(jì)算機(jī)主機(jī)與電機(jī)控制器控制板。其中，計(jì)算機(jī)主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與VT System 臺(tái)架相連接，用于監(jiān)控各VT System 板卡的輸出狀態(tài)。電機(jī)控制器控制板則通過(guò)V 1640 硬件與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連，以監(jiān)控電機(jī)控制器控制板的通信報(bào)文。電機(jī)控制器控制板上需要模擬的信號(hào)包含各種傳感器信號(hào)和控制信號(hào)，這些信號(hào)是通過(guò)VT System 板卡來(lái)模擬的。

電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)架中，被測(cè)試的控制器處于扭矩模式，而拖動(dòng)電機(jī)處于轉(zhuǎn)速模式。由于拖動(dòng)電機(jī)能夠控制轉(zhuǎn)速，被測(cè)試的電機(jī)控制器可以在不同的轉(zhuǎn)速下面輸出不同的扭矩。為實(shí)現(xiàn)這一功能，可以參照電機(jī)對(duì)拖模式設(shè)計(jì)模型架構(gòu)。

2. 1 逆變器子模塊

逆變器子模塊的主要器件為六相功率開關(guān)器件。為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，將六相功率開關(guān)器件抽象為開關(guān)。模型的輸入?yún)?shù)為兩相直流母線電壓和上橋臂功率開關(guān)器的數(shù)字信號(hào)。輸出為三相交流電壓，其物理計(jì)算公式為：

將三相靜止坐標(biāo)軸下的A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到 uα、uβ，其計(jì)算公式為：

基于虛擬測(cè)試硬件在環(huán)（VTHIL）系統(tǒng)的模型架構(gòu)主要為4 部分，其系統(tǒng)模型架構(gòu)如圖2 所示。其中，Ia 為A 相電流，I b 為B 相電流，I c 為C 相電流；高壓直流電（HVDC）通過(guò)逆變器模塊輸出三相電壓給異步電機(jī)，異步電機(jī)模型隨后輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)給旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊，然后通過(guò)改變?yōu)檎?余弦波（sin/cos）故障信號(hào)進(jìn)入故障輸入子模塊，對(duì)最終的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。

2. 2 異步電機(jī)子模塊

異步電機(jī)子模塊的數(shù)學(xué)模型可以在3 種不同的坐標(biāo)系下面進(jìn)行表示：三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，各種參數(shù)之間參數(shù)耦合較高，導(dǎo)致模型搭建困難；兩相靜止坐標(biāo)下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，且不需要估算電機(jī)的電角度，模型搭建過(guò)程更為簡(jiǎn)便；兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型最為簡(jiǎn)單，但是需要采用復(fù)雜的觀測(cè)器來(lái)估算電機(jī)的電角度，增加了模型搭建的難度。綜合考慮上述因素，最終選擇了基于兩相靜止坐標(biāo)下面的電機(jī)數(shù)學(xué)模型［ 4］。其電機(jī)定子電流計(jì)算公式為：

2. 3 旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊

旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊主要由3 部分組成，一組勵(lì)磁繞組和兩組垂直的反饋繞組，這些繞組均安裝在電機(jī)的定子上。在正常工作狀態(tài)下，高頻的激勵(lì)信號(hào)作用于兩組垂直端產(chǎn)生正弦電流，反饋繞組感應(yīng)的信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速呈函數(shù)關(guān)系［6］，其計(jì)算公式為：

2. 4 故障輸入子模塊

故障注入子模塊接收來(lái)自計(jì)算機(jī)主機(jī)的控制信號(hào)，以便對(duì)三相電流信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行故障模擬。其工作原理是對(duì)輸入的三相電流信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，通過(guò)改變輸出的信號(hào)值達(dá)到觸發(fā)不同類型故障的目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)各子模塊的數(shù)學(xué)公式與運(yùn)行邏輯在Simulink 軟件中搭建FPGA 模型進(jìn)行編譯，將編譯完成的模型下載到VT 5838 板卡上。根據(jù)圖1 中計(jì)算機(jī)主機(jī)、VT System 臺(tái)架與異步電機(jī)控制器控制板的線束連接關(guān)系，搭建VT System HIL 測(cè)試環(huán)境進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證主要包含兩個(gè)部分內(nèi)容：首先，需要驗(yàn)證HIL 臺(tái)架是否能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩閉環(huán)；其次，需要驗(yàn)證HIL 臺(tái)架是否能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流與旋轉(zhuǎn)變壓器相關(guān)故障注入。

3. 1 扭矩閉環(huán)

為驗(yàn)證VT System HIL 測(cè)試系統(tǒng)是否具備實(shí)現(xiàn)扭矩閉環(huán)控制的功能，設(shè)計(jì)在不同轉(zhuǎn)速下請(qǐng)求不同扭矩工況的試驗(yàn)，見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下扭矩的跟蹤情況表現(xiàn)良好，具體數(shù)據(jù)如圖3 和圖4 所示。

3. 2 故障注入

為驗(yàn)證VT System HIL 測(cè)試系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)故障注入功能，設(shè)計(jì)故障注入試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)主機(jī)控制變量，對(duì)三相電流和旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，以注入不同類型的故障。其中，三相電流故障主要包含電流傳感器對(duì)地短路故障和電流傳感器對(duì)電源短路故障兩種情況，具體的故障注入工況見表2。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。旋轉(zhuǎn)變壓器故障主要包含sin/cos 對(duì)地短路故障和sin/cos對(duì)電源短路故障，具體的故障注入工況見表2。采用表3 列出的工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8 所示。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，該HIL 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流與旋轉(zhuǎn)變壓器的故障注入功能。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)異步電機(jī)HIL 測(cè)試系統(tǒng)，提出了一種基于VT System 的測(cè)試方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。與現(xiàn)有的HIL 測(cè)試平臺(tái)相比，VT 5838 板卡能夠直接集成到VT 機(jī)箱中，具有較高的系統(tǒng)集成度；通過(guò)計(jì)算機(jī)主機(jī)軟件，用戶可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型參數(shù)運(yùn)與故障注入?yún)?shù)，模擬異步電機(jī)各種動(dòng)態(tài)極限工況與故障注入。此外，通過(guò)修改相關(guān)的異步電機(jī)參數(shù)，還可以能夠模擬不同類型異步電機(jī)的工作狀態(tài)。

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