基于VT System 板卡的異步電機硬件在環系統

摘要：硬件在環仿真對于驗證異步電機控制器的功能至關重要。為了提高電機控制器的驗證效率和降低驗證成本，開發了一種基于VT System 的硬件在環測試系統。系統的模型架構采用了基于電機臺架對拖的設計思路，由逆變器子模塊、異步電機子模塊、旋轉變壓器子模塊和故障注入子模塊4 部分組成，可確保電機控制器在不同轉速下能夠輸出相應扭矩，并且模擬故障情況。結果表明，基于VT System 的硬件在環仿真系統可有效地模擬異步電機行為并注入故障，為電機控制器的功能驗證提供有效支持。

關鍵詞：電機控制器；硬件在環；仿真測試技術；VT System；故障注入

0 前言

電動汽車的三大核心部件為電池、電機和電控。電機控制器作為電控系統的核心，其工作效率隨著技術發展不斷提升。汽車行業的電機控制器開發通常遵循V 模型流程，測試方法主要包括基于模型的軟件測試、基于硬件在環（HIL）的測試方法，以及基于真實電機臺架的測試。其中，電機對拖試驗臺架能夠模擬電機在運行過程中的各種工況，并且能夠在臺架上實現各種電機故障的輸入，從而有效地驗證電機控制器的各項功能。然而，這種測試方法的成本較高，并且測試周期較長。相對而言，基于模型的測試方法可以在軟件模型開發階段對控制模型進行測試，以驗證控制策略的有效性。但是，其缺點在于控制對象的模型可能過于簡化，無法真實地反映實際的測試情況，導致測試內容受到限制。綜合考慮電機控制器的研發效率與成本，通常情況下，選用HIL 測試系統是一種較為合理的方案。

1 硬件在環測試技術

國內外的高校、測試設備供應商和研究機構很早就投入了HIL 測試系統的開發工作。目前，在工業界使用較為廣泛的平臺包括Dspace、PXIVerstand、LabCar 等平臺，以及由MATLAB 公司開發的實時HIL 系統［3］。這些國內外公司提供的HIL 測試系統平臺能夠較好地滿足電機控制器的功能測試需求。然而，各試驗平臺的價格普遍較高，且內部運行的模型不開源，導致新功能開發困難。

基于上述問題，本文提出了一種基于VTSystem 的異步電機控制器HIL 測試系統。為了提高HIL 平臺的實時性能，采用VT System 的FPGA VT 5838 板卡來進行模型搭建。模型在VT 5838 板卡上運行能夠確保平臺的實時性，并且可以靈活配置電機參數，從而提高被控對象的精確性與多樣性。

2 異步電機硬件在環

基于VT System 的硬件在環測試系統組成如圖1 所示，主要包含VT System 臺架、計算機主機與電機控制器控制板。其中，計算機主機通過以太網與VT System 臺架相連接，用于監控各VT System 板卡的輸出狀態。電機控制器控制板則通過V 1640 硬件與計算機主機相連，以監控電機控制器控制板的通信報文。電機控制器控制板上需要模擬的信號包含各種傳感器信號和控制信號，這些信號是通過VT System 板卡來模擬的。

電機對拖試驗臺架中，被測試的控制器處于扭矩模式，而拖動電機處于轉速模式。由于拖動電機能夠控制轉速，被測試的電機控制器可以在不同的轉速下面輸出不同的扭矩。為實現這一功能，可以參照電機對拖模式設計模型架構。

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器件。為了簡化數學模型，將六相功率開關器件抽象為開關。模型的輸入參數為兩相直流母線電壓和上橋臂功率開關器的數字信號。輸出為三相交流電壓，其物理計算公式為：

將三相靜止坐標軸下的A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓轉換到兩相靜止坐標系下，得到 uα、uβ，其計算公式為：

基于虛擬測試硬件在環（VTHIL）系統的模型架構主要為4 部分，其系統模型架構如圖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）通過逆變器模塊輸出三相電壓給異步電機，異步電機模型隨后輸出轉速信號給旋轉變壓器子模塊，然后通過改變為正弦/余弦波（sin/cos）故障信號進入故障輸入子模塊，對最終的輸出信號進行處理。

2. 2 異步電機子模塊

異步電機子模塊的數學模型可以在3 種不同的坐標系下面進行表示：三相靜止坐標系下的數學模型較為復雜，各種參數之間參數耦合較高，導致模型搭建困難；兩相靜止坐標下的電機數學模型相對簡單，且不需要估算電機的電角度，模型搭建過程更為簡便；兩相同步旋轉坐標系下的數學模型最為簡單，但是需要采用復雜的觀測器來估算電機的電角度，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下面的電機數學模型［ 4］。其電機定子電流計算公式為：

2. 3 旋轉變壓器子模塊

旋轉變壓器子模塊主要由3 部分組成，一組勵磁繞組和兩組垂直的反饋繞組，這些繞組均安裝在電機的定子上。在正常工作狀態下，高頻的激勵信號作用于兩組垂直端產生正弦電流，反饋繞組感應的信號和電機轉速呈函數關系［6］，其計算公式為：

2. 4 故障輸入子模塊

故障注入子模塊接收來自計算機主機的控制信號，以便對三相電流信號和旋轉變壓器信號進行故障模擬。其工作原理是對輸入的三相電流信號和旋轉變壓器信號進行邏輯運算處理，通過改變輸出的信號值達到觸發不同類型故障的目的。

3 試驗驗證

根據各子模塊的數學公式與運行邏輯在Simulink 軟件中搭建FPGA 模型進行編譯，將編譯完成的模型下載到VT 5838 板卡上。根據圖1 中計算機主機、VT System 臺架與異步電機控制器控制板的線束連接關系，搭建VT System HIL 測試環境進行測試試驗。試驗驗證主要包含兩個部分內容：首先，需要驗證HIL 臺架是否能夠實現扭矩閉環；其次，需要驗證HIL 臺架是否能夠實現三相電流與旋轉變壓器相關故障注入。

3. 1 扭矩閉環

為驗證VT System HIL 測試系統是否具備實現扭矩閉環控制的功能，設計在不同轉速下請求不同扭矩工況的試驗，見表1。試驗結果表明，不同轉速下扭矩的跟蹤情況表現良好，具體數據如圖3 和圖4 所示。

3. 2 故障注入

為驗證VT System HIL 測試系統是否能夠實現故障注入功能，設計故障注入試驗。通過計算機主機控制變量，對三相電流和旋轉變壓器的輸出信號進行邏輯運算，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地短路故障和電流傳感器對電源短路故障兩種情況，具體的故障注入工況見表2。試驗結果如圖5、圖6 所示。旋轉變壓器故障主要包含sin/cos 對地短路故障和sin/cos對電源短路故障，具體的故障注入工況見表2。采用表3 列出的工況進行試驗，試驗結果如圖7、圖8 所示。上述試驗結果表明，該HIL 系統能夠實現三相電流與旋轉變壓器的故障注入功能。

4 結語

針對異步電機HIL 測試系統，提出了一種基于VT System 的測試方法，通過試驗驗證了該方案的有效性。與現有的HIL 測試平臺相比，VT 5838 板卡能夠直接集成到VT 機箱中，具有較高的系統集成度；通過計算機主機軟件，用戶可以動態調節模型參數運與故障注入參數，模擬異步電機各種動態極限工況與故障注入。此外，通過修改相關的異步電機參數，還可以能夠模擬不同類型異步電機的工作狀態。

參考文獻

［ 1 ］ 李翠萍，趙鵬超，胡鑫，等. 車路協同V2X 仿真驗證系統設計[J]. 汽車與新動力，2022，5（3）：36-39.

［ 2 ］ 胡鑫，姜君，苑壽同. 基于LTE-V2X 車路協同技術仿真驗證方法的研究[J]. 汽車與新動力，2021，4（6）：62-64.

［ 3 ］ 趙飛翔. 感應電機電動助力轉向系統電機助力矩控制算法研究[D]. 長春：吉林大學，2014.

［ 4 ］ 黃蘇融，黃艷，高瑾，等. 基于FPGA 的虛擬異步電機系統的半實物實時仿真[J]. 電機與控制應用，2013，40（9）：1-5.

［ 5 ］ 高樹健，陳丁躍，公偉強，等. 硬件在環測試在電動汽車驅動總成上的應用[J]. 車輛與動力技術，2012（4）：5-7.

［ 6 ］ 伍雅娜. 異步電機定子繞組匝間短路故障模擬與診斷方法研究[D]. 長沙：長沙理工大學，2019.