隨著節(jié)能減排、綠色生活的概念逐漸深入人心，新能源發(fā)電系統(tǒng)與新能源電動(dòng)汽車在生活中的應(yīng)用越來越廣泛。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和新能源電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)控制是熱門而關(guān)鍵的研究課題。不過對于研究人員而言，新能源系統(tǒng)與電動(dòng)汽車中的電機(jī)功率都相對較高，像一些極限工況、環(huán)境因素等研究條件不便于在實(shí)物系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)，傳統(tǒng)的開發(fā)方式存在周期長、迭代慢、可靠性差的問題。

硬件在環(huán)仿真測試（Hardware-In-the-LoopTesting，HIL）作為高效的研發(fā)工具，能夠幫助科研人員更好地進(jìn)行原型開發(fā)、算法驗(yàn)證，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)有效縮短研發(fā)周期，在節(jié)省成本的同時(shí)加速成果的產(chǎn)出。

HIL的概念與價(jià)值

硬件在環(huán)仿真（也被稱為半實(shí)物仿真）是隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、電力系統(tǒng)建模等新技術(shù)發(fā)展起來的實(shí)驗(yàn)和研究方式，硬件在環(huán)仿真裝置的基本原理是用運(yùn)行著數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來模擬物理系統(tǒng)的行為，通過實(shí)際的I/O接口與控制器相連，不僅利用了軟件建模的靈活性，也具有替代實(shí)物系統(tǒng)的能力。對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)與測試來說，通過硬件在環(huán)仿真能夠在很接近真實(shí)工況的情況下對控制板整體（板上芯片運(yùn)行的控制算法，板子的IO通道等）進(jìn)行測試，具有易于測試故障工況，易于實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化，易于重現(xiàn)各種工況等優(yōu)點(diǎn)。硬件在環(huán)仿真測試的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

ModelingTech利用自主研發(fā)的StarSimHIL軟件，提供高性能且使用方便的硬件在環(huán)仿真平臺，幫助用戶方便地將電力電子或電力系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ拖螺d到實(shí)時(shí)仿真器上。其基于FPGA的小步長仿真技術(shù)，能夠準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地模擬出被控對象的特性，幫助用戶在研發(fā)與測試階段創(chuàng)造安全與高效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

StarSimHIL是基于配置型的實(shí)時(shí)仿真上位機(jī)軟件，支持載入Simulink/SimPowerSystems環(huán)境下搭建的拓?fù)淠Ｐ偷紽PGA硬件上運(yùn)行，無需用戶進(jìn)行額外的模型轉(zhuǎn)換與底層開發(fā)工作。同時(shí)，基于該軟件簡潔明了的操作界面，用戶只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成模型輸出與實(shí)際物理信號輸出的映射關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)一鍵式下載運(yùn)行，省卻了編程編譯等額外的使用負(fù)擔(dān)。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的電力電子系統(tǒng)，包含電機(jī)、逆變電路兩個(gè)部分，對實(shí)時(shí)化仿真步長的要求非常高。遠(yuǎn)寬能源的StarSim小步長仿真技術(shù)，能夠以1μs的步長穩(wěn)定仿真整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)還支持用戶在熟悉的建模環(huán)境中，自定義搭建模型并快速下載驗(yàn)證。該平臺能夠幫助用戶快速地進(jìn)行不同功率電機(jī)額定、極限工況運(yùn)行時(shí)的控制情況。

下圖為給最終客戶搭建的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，左下方為待測的電機(jī)控制板，右上邊白色機(jī)箱為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真器，，控制器與實(shí)時(shí)仿真器通過接線構(gòu)成信號閉環(huán)，電機(jī)以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真運(yùn)行在FPGA板卡上，并通過旋變信號的方式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的輸出。

混合電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的電力電子系統(tǒng)，需要基于FPGA的小步長實(shí)時(shí)仿真。遠(yuǎn)寬能源(ModelingTech)通過與日本合作伙伴MacSystems合作，開發(fā)了基于FPGA的永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。其中，遠(yuǎn)寬能源的工程師主要負(fù)責(zé)了PMSM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模，以及整個(gè)模型在FPGA的實(shí)現(xiàn)。

下圖為給最終客戶搭建的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，左邊的PXI系統(tǒng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真器，中間的PCB板是待測的電機(jī)控制板，右邊是仿真測試系統(tǒng)上位機(jī)界面。PXI機(jī)箱上插有一塊FPGA板卡，永磁同步電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模型運(yùn)行于FPGA上。