基于dSPACE的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試研究

王德軍，孫君令，王文霞，于洪峰，李之乾（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261041）

為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境污染等問題，新能源汽車應(yīng)時(shí)而生，純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一類也得到了快速發(fā)展，主要由電機(jī)、電池、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車控制器組成，電機(jī)控制器作為電動(dòng)汽車的核心部件，承載著整車動(dòng)力系統(tǒng)控制和能量管理的重要功能，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車安全可靠運(yùn)行的重要保證，也是整車研發(fā)的核心部件之一。硬件在環(huán)測(cè)試是V字開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)，能降低MCU開發(fā)成本，加快研發(fā)進(jìn)度，所以備受各大汽車廠商重視。德國(guó)的dSPACE系統(tǒng)屬于目前較成熟的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，dSPACE不僅具有非常快的運(yùn)算能力，而且具有豐富的I/O口，可以滿足系統(tǒng)的配置、代碼的生成下載以及功能調(diào)試等功能。本文在Matlab環(huán)境下搭建電機(jī)物理模型，并將其編譯生成的sdf代碼下載到HIL設(shè)備中，進(jìn)行MCU控制器功能測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)能較好地反映電機(jī)在相應(yīng)工況中的功能指標(biāo)變化。

1 硬件在環(huán)測(cè)試原理

1.1 HIL測(cè)試原理

硬件在環(huán)仿真測(cè)試 （HIL，Hardware In the Loop）是一種構(gòu)建控制器真實(shí)工況，并通過軟硬件接口實(shí)現(xiàn)物理模型與控制器信息交互，模擬被控對(duì)象工作狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)控制器運(yùn)行過程中軟硬件缺陷的一種測(cè)試技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種控制器開發(fā)過程中。

1.2 MCU控制器硬件在環(huán)測(cè)試原理

本文采用矢量控制永磁同步電機(jī)輸出所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其整體控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)整體控制架構(gòu)

在轉(zhuǎn)速控制模式下，電機(jī)根據(jù)需求轉(zhuǎn)速，通過PID調(diào)節(jié)，輸出電機(jī)達(dá)到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速所需的電機(jī)扭矩，進(jìn)而使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速快速平穩(wěn)地趨向需求轉(zhuǎn)速，結(jié)合需求扭矩值查詢“Id/Iq”MAP，可獲取電機(jī)控制所需d軸和q軸電流，需求電流經(jīng)過PID調(diào)節(jié)使實(shí)際的dq軸電流快速準(zhǔn)確平穩(wěn)地趨向于需求dq軸電流。通過空間電壓矢量向三相逆變器6個(gè)門極輸入特定的PWM控制信號(hào)，控制逆變器三相上下橋的導(dǎo)通關(guān)斷輸出特定的控制電流，該電流經(jīng)坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)化為dq軸實(shí)際電流，并通過三相電流傳感器采集電流值到電流PID調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，旋轉(zhuǎn)變壓器采集電機(jī)位置及轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)輸送到轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。同理，在電機(jī)扭矩控制模式下，控制器根據(jù)需求扭矩查詢“Id/Iq”的標(biāo)定MAP。

2 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)開發(fā)

MCU的HIL閉環(huán)控制如圖2所示，其主要包含永磁同步電機(jī)（PMSM）控制器、HIL機(jī)柜以及上位機(jī)3部分。

圖2 電機(jī)HIL閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

PMSM控制器為電動(dòng)汽車的MCU，HIL機(jī)柜包含多種板卡資源，主要實(shí)現(xiàn)MCU和HIL機(jī)柜的信號(hào)傳輸，上位機(jī)作為測(cè)試管理界面可以實(shí)現(xiàn)HIL數(shù)據(jù)的管理和MCU標(biāo)定及監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試平臺(tái)開發(fā)

物理模型是硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中重要組成部分，通過數(shù)學(xué)建模的方式建立被控對(duì)象的物理模型，模擬被控對(duì)象受控的真實(shí)狀態(tài)，減少實(shí)車測(cè)試帶來的經(jīng)濟(jì)成本，縮短研發(fā)周期。圖3為MCU被控對(duì)象物理模型。

圖3 MCU控制器被控對(duì)象物理模型

MCU被控對(duì)象物理模型主要包括信號(hào)交互模型、旋變器物理模型、三相逆變器物理模型、永磁同步電機(jī)物理模型、負(fù)載物理模型。信號(hào)交互模型主要通過模擬各種傳感器、繼電器等數(shù)據(jù)采集裝置采集電機(jī)、驅(qū)動(dòng)從板等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相逆變器和永磁同步電機(jī)等物理模型與外部工況的信息交互。旋變器通過板卡DS2655M接收旋變信號(hào)，經(jīng)板卡內(nèi)部處理后，以正/余弦旋變信號(hào)反饋給MCU，該模塊采用dSPACE模塊庫(kù)中封裝好的模塊，使用時(shí)只需配置旋變信號(hào)接口即可。三相逆變器是驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制精度和效率的重要電子元件，逆變器通過控制三組（兩兩一組）三極管功率開關(guān)的上下橋?qū)崿F(xiàn)控制電機(jī)的電流流向，圖4所示為基于三相逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4 三相逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)三相逆變器工作原理，建立如圖5所示三相逆變器物理建模流程圖。

圖5 三相逆變器建模流程

忽略逆變器模型中柵極信號(hào)的瞬時(shí)變化，通過PWM控制時(shí)間和，考慮設(shè)備板卡采集精度的限制，本模型采用平均值建模的方式計(jì)算單相平均電壓。設(shè)定由上橋臂流出的電流為正向電流，流入上橋臂的電流為負(fù)向電流，三極管功率開關(guān)柵極電平與電流方向?qū)?yīng)的平均值電壓如表1所示。

表1 三極管功率開關(guān)柵極與電流方向?qū)?yīng)的電壓值表

根據(jù)平均值計(jì)算3種導(dǎo)通狀態(tài)下的單相輸出電壓表達(dá)式，當(dāng)正向電流流經(jīng)單相逆變器時(shí)：

式中：——PWM周期；、——分別為PWM高、低邊電平使能時(shí)長(zhǎng)；——直流母線電壓；——續(xù)流二極管正向壓降；——反電動(dòng)勢(shì)。

在Simulink環(huán)境下搭建PMSM模型，通過星型連接方式連接三相逆變器和永磁同步電機(jī)，定子電壓即為相電壓。電機(jī)建模流程如圖6所示。

圖6 永磁同步電機(jī)建模流程

三相永磁同步電機(jī)工作時(shí)磁場(chǎng)變化復(fù)雜，且定子與轉(zhuǎn)子之間互相耦合，通過Clark變換將電機(jī)三相自然坐標(biāo)a-bc的物理量首先投射到靜止坐標(biāo)系α-β軸。三相電壓經(jīng)過Clark、Park恒幅值變換后獲得的dq軸電壓為：

將dq軸反電動(dòng)勢(shì)通過反Clark變換、反Park變換轉(zhuǎn)換到abc軸定子反電動(dòng)勢(shì)，abc三相反電動(dòng)勢(shì)、、計(jì)算方法如下：

由dq軸定子電流及電感可計(jì)算電機(jī)輸出扭矩，方程如公式 （10）所示：

式中：、——dq軸定子電流；、——dq軸電感分量；ψ——永磁體磁鏈；——定子電阻；ω——電角速度；、——dq軸的定子電壓；ψ、ψ——dq軸的定子磁鏈。

通過上述方法建立電機(jī)模型，電機(jī)負(fù)載模型通過數(shù)學(xué)公式 （13）得到：

式中：——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可通過標(biāo)定設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；——電磁扭矩；——負(fù)載扭矩，可通過標(biāo)定進(jìn)行設(shè)置。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)MCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，MCU硬件在環(huán)測(cè)試架構(gòu)如圖7所示。

圖7 MCU硬件在環(huán)測(cè)試架構(gòu)

根據(jù)MCU針腳定義，配置MCU針腳與HIL針腳，制作MCU與HIL針腳之間的連接線束。通過ConfigurationDesk軟件實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試設(shè)備硬件接口與軟件接口之間的信號(hào)映射，同時(shí)通過ConfigurationDesk軟件將搭建的電機(jī)測(cè)試物理模型編譯到DS2680實(shí)時(shí)處理器板卡，并通過網(wǎng)線連接HIL機(jī)柜和上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)物理模型與MCU信息交互。基于ControlDesk平臺(tái)的MCU監(jiān)控界面如圖8所示，通過該界面實(shí)現(xiàn)電機(jī)dq軸電流關(guān)鍵信號(hào)的信息監(jiān)測(cè)。

圖8 ControlDesk的MCU監(jiān)控界面

設(shè)定電機(jī)為扭矩模式，通過HIL模型測(cè)功機(jī)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速固定為200r/min，在標(biāo)定軟件分別設(shè)定MCU需求扭矩為0，200，500，800Nm時(shí)，觀測(cè)需求dq電流和根據(jù)實(shí)際采集三相電流計(jì)算dq電流跟隨情況，如圖9所示。

圖9 HIL臺(tái)架dq軸電流跟隨情況

由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際需求dq電流和實(shí)際dq軸電流跟隨良好，存在較小的誤差精度，能夠滿足MCU控制策略的測(cè)試驗(yàn)證。

4 總結(jié)

本文在Matlab環(huán)境下搭建電機(jī)物理模型，并將其編譯到HIL設(shè)備中，進(jìn)行MCU控制器功能測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于dSPACE的電機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，能較好地反映電機(jī)在相應(yīng)工況中的功能指標(biāo)變化，能夠有效地支持MCU電控軟件開發(fā)。