基于dSPACE的電機控制器硬件在環(huán)測試研究

黨美婷，任佳越，楊啟東

基于dSPACE的電機控制器硬件在環(huán)測試研究

黨美婷，任佳越，楊啟東

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710054）

文章闡述了基于dSPACE的永磁同步電機控制器硬件在環(huán)的測試原理，從硬件和軟件兩個方面分別搭建了硬件在環(huán)仿真測試平臺。在所搭建的平臺上對永磁同步電機控制器進行硬件在環(huán)仿真測試，測試結(jié)果表明，該永磁同步電機控制器有著良好的功能性以及該硬件在環(huán)仿真測試平臺能夠?qū)刂破鬟M行有效測試，縮短了控制器的開發(fā)周期，減少了開發(fā)費用。

電機控制器；dSPACE；硬件在環(huán)

引言

新能源汽車在解決能源危機和環(huán)境污染方面發(fā)揮著不可替代的作用，而純電動汽車在新能源汽車中又占據(jù)著十分重要的地位。純電動汽車由主要電池、電機及驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制器及相關(guān)輔助系統(tǒng)組成[1]。電機和控制器是電動汽車的驅(qū)動部分。電動汽車控制器就像電動汽車的心臟一樣，是電動汽車核心部件，它的作用是控制動力電池與電機之間的能量交流輸導(dǎo)[2]。硬件在環(huán)測試是V字型開發(fā)路線中重要的一環(huán)，全球各大汽車廠商都非常重視硬件在環(huán)測試這一階段，因為硬件在環(huán)測試可以大大減少開發(fā)周期，很大程度上減少研發(fā)費用的浪費[3]。國外大型汽車公司如大眾、寶馬、奔馳、現(xiàn)代、福特等，已經(jīng)將硬件在環(huán)測試納入到他們的整車開發(fā)平臺中[4]。硬件在環(huán)測試系統(tǒng)有幾種比較成熟的方案：德國的Dspace系統(tǒng)；德國Etas公司的Lab Car系統(tǒng)；National Instrument的PXi系統(tǒng)；基于MATLAB的xPC target系統(tǒng)[5]。dSPACE具有先進的硬件處理器和具備高速的運算能力，并且具有豐富的I/O口，足夠可以完成系統(tǒng)配置、代碼生成下載以及功能調(diào)試等功能[6]。本文闡述了基于dSPACE的永磁同步電機控制器硬件在環(huán)的測試原理，對電機控制器進行有效測試，并通過測試結(jié)果驗證電機控制器的功能性和電機控制器硬件在環(huán)仿真測試平臺的有效性。

1 硬件在環(huán)測試基本原理

1.1 硬件在環(huán)測試原理

硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop）仿真測試系統(tǒng)，是將搭建好的仿真模型編譯下載到機柜板卡中，機柜通過I/O接口與被測控制器相連，通過實時在線運行模型來模擬控制器的運行環(huán)境，使控制器判斷處于真實的環(huán)境中，從而對被測控制器進行全方面的、系統(tǒng)的測試。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在實驗室環(huán)境下進行邊開發(fā)邊測試，可以減少車型開發(fā)周期；可以設(shè)置各種極端工況和故障工況，安全可靠，減少了實車測試的開發(fā)費用。

1.2 永磁同步電機控制器硬件在環(huán)測試原理

永磁同步電機控制器（下稱“MCU”）HIL測試系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：dSPACE機柜、待測MCU、上位機以及電機驅(qū)動系統(tǒng)模型。

如圖1所示，在MCU HIL測試系統(tǒng)中，永磁同步電機控制器是真實的控制器，而永磁同步電機、逆變器、旋轉(zhuǎn)變壓器等采用仿真的模型。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，將編譯好的模型下載到dSPACE機柜中，通過機柜板卡接口與真實的MCU相連接，互相傳遞信號。

圖1 電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件在環(huán)原理圖

2 系統(tǒng)硬件測試平臺的開發(fā)

2.1 概述

MCU HIL測試系統(tǒng)的硬件平臺包含三個部分：上位機、dSPACE機柜和永磁同步電機控制器。上位機主要用來開發(fā)測試管理界面，在測試過程中進行手動測試用例的執(zhí)行以及測試過程的監(jiān)測；dSPACE機柜中含有多種板卡資源，每一種板卡會有多個ADC、DAC、DIGIN和DIGOUT等通道類型，可以進行選擇。

2.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

永磁同步電機控制器采用的是某一純電動汽車的MCU。MCU HIL測試實時硬件系統(tǒng)采用的是德國dSPACE公司的SCALEXIO系統(tǒng)的硬件平臺，資源板卡包括3個DS2680板卡、1個DS2655板卡和1個DS2671板卡。其中，DS2680板卡有22路模擬輸入ADC通道、32路模擬輸出DAC通道、30路DIGIN通道、28路DIGOUT通道、12路電阻模擬Resistance Out通道、18路可變輸入Flexible_IN通道；DS2655是可編程的FPGA板卡，用于計算速度要求較快、計算精度要求較高的模塊，包括5路模擬輸入ADC通道、5路模擬輸出DAC通道以及10路Digital I/O通道；DS2671是支持CAN/LIN/FlexRay的總線通訊板卡，有4路通道。

3 系統(tǒng)軟件測試平臺開發(fā)

3.1 概述

MCU HIL測試系統(tǒng)軟件平臺包含：搭建電機驅(qū)動系統(tǒng)模型、開發(fā)測試管理界面。

3.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)模型

電機驅(qū)動系統(tǒng)模型由兩部分組成：主處理器模型和FPGA模型。FPGA模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)PGA模型的處理速度可以達到8ns級的仿真步長，由于電機、逆變器以及旋轉(zhuǎn)變壓器等模塊運算速度要求較高，所以將其搭建在FPGA模型中。

圖2 FPGA模型

主處理器模型的運算速度較低，所以將一些對運算速度要求不高的模塊搭建在主處理器模型中。圖3是主處理器模型結(jié)構(gòu)。Environment_Control是環(huán)境參數(shù)配置模塊，在這個模塊中可以設(shè)置母線電壓、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

Model包括像測功機模型以及母線電流模型這種在系統(tǒng)中運算速度較慢的模型。在FPGA模型中也包含測功機模型，可以在Environment_Control中選擇測功機模型運行在哪一部分中。

圖3 主處理器模型

eDrive是主處理器模型與FPGA模型相互傳遞信號的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括了Register模塊、Buffer Interface模塊等。其中主處理器模型和FPGA模型是通過Buffer Interface來互相傳遞信號的。

3.3 開發(fā)測試管理界面

運用dSPACE公司開發(fā)的ControlDesk軟件來開發(fā)測試管理界面，對整個測試進程進行監(jiān)控與監(jiān)測，擁有虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測、變量賦值等功能。

圖4為MCU硬件在環(huán)仿真測試平臺，根據(jù)MCU測試需求，將測試界面劃分為電源控制、虛擬儀表顯示、開環(huán)參數(shù)設(shè)定、電機控制模式、電機狀態(tài)檢測、旋變參數(shù)設(shè)定、故障檢測以及變量采集等模塊。MCU 信號與其中每一個模塊的信號對應(yīng)連接，各個模塊可以實現(xiàn)監(jiān)測與采集MCU 信號，也可以仿真模擬信號發(fā)給MCU。

圖4 MCU硬件在環(huán)仿真測試平臺

4 MCU HIL測試用例與驗證

4.1 MCU HIL測試用例設(shè)計

根據(jù)MCU的功能規(guī)范，可以設(shè)計比較全面的覆蓋范圍較高的測試用例對MCU進行測試。目前開發(fā)測試用例的方法主要有黑盒測試和白盒測試。黑盒測試是功能性測試，不需要考慮控制器內(nèi)部程序邏輯，根據(jù)輸入變量來觀察輸出結(jié)果是否為期望值。本文采用的就是黑盒測試。

本文測試用例設(shè)計包含了MCU狀態(tài)切換、MCU控制功能、MCU數(shù)據(jù)采集、MCU故障保護、MCU輸出測試、MCU異常工況、MCU總線通訊這7個方面，測試覆蓋度較高。

4.2 MCU測試結(jié)果驗證

永磁同步電機硬件在環(huán)測試實物圖如圖5所示。

圖5 永磁同步電機硬件在環(huán)測試實物圖

本文將主要闡述MCU控制功能和MCU故障保護測試這個方面。

4.2.1 MCU控制功能

MCU控制功能測試主要包括了在多種不同的工況下，MCU是否能準(zhǔn)確監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化。本文主要介紹在轉(zhuǎn)矩控制模式下，初始條件為轉(zhuǎn)速為2000rpm，轉(zhuǎn)矩50Nm，MCU監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化的情況。如圖6所示，初始電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000rpm，初始轉(zhuǎn)矩為50Nm，在2.2s時，MCU監(jiān)測到的電機實際轉(zhuǎn)速達到2000rpm，結(jié)果表明了MCU能準(zhǔn)確監(jiān)測到電機轉(zhuǎn)速的變化。在4.5s時，設(shè)置轉(zhuǎn)矩為100Nm，在5.5s時，MCU監(jiān)測到的電機實際轉(zhuǎn)矩達到100Nm，結(jié)果表明了MCU能準(zhǔn)確監(jiān)測到電機轉(zhuǎn)矩的變化。

圖6 MCU轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

4.2.2 MCU故障保護測試

MCU故障保護測試涵蓋范圍比較廣，本文主要介紹過壓故障保護、電機控制器溫度故障保護和超速故障保護。

當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過420V但低于430V時，MCU會觸發(fā)一級故障，當(dāng)母線電壓數(shù)值低于420V時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過430V但低于440V時，MCU會觸發(fā)二級故障，當(dāng)母線電壓數(shù)值低于420V時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過440V時，MCU會觸發(fā)三級故障，必須進行上電下電操作，MCU才能恢復(fù)正常工作。如圖7所示，在電機轉(zhuǎn)速為2000rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時，改變直流母線電壓數(shù)值為425V時，當(dāng)MCU實際電壓值跟隨超過420V時，電機控制器立刻觸發(fā)一級故障保護；當(dāng)MCU實際電壓值降低至420V以下時，電機控制器恢復(fù)正常工作。從測試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測到過壓故障且能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護功能。

圖7 MCU過壓故障保護

當(dāng)電機控制器溫度位于90度至95度時，MCU觸發(fā)一級故障，當(dāng)控制器溫度低于90度時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機控制器溫度位于95度至105度時，MCU觸發(fā)二級故障，當(dāng)控制器溫度低于95度時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機控制器溫度大于105度時，MCU會觸發(fā)三級故障，必須進行上電下電操作，MCU才能恢復(fù)正常工作。如圖8所示，在電機轉(zhuǎn)速為2000rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時，設(shè)置控制器溫度為98度，當(dāng)MCU實際溫度值跟隨超過95度時，電機控制器立刻觸發(fā)一級故障保護；當(dāng)MCU實際溫度值降低至95度以下時，電機控制器恢復(fù)正常工作。從測試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測到控制器溫度故障并且能夠進行自我保護。

圖8 MCU溫度故障保護

圖9 MCU轉(zhuǎn)速故障保護

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速數(shù)值超過12000rpm但低于12500rpm時，MCU會觸發(fā)一級故障，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速數(shù)值低于12000rpm時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速數(shù)值超過12500rpm但低于13000rpm時，MCU會觸發(fā)二級故障，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速數(shù)值低于12500rpm時，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速數(shù)值超過13000時，MCU會觸發(fā)三級故障，必須進行上電下電操作，MCU才能恢復(fù)正常工作。如圖9所示，初始時電機轉(zhuǎn)速為0rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時，改變電機轉(zhuǎn)速數(shù)值為12700rpm時，當(dāng)MCU實際轉(zhuǎn)速值跟隨超過12700rpm時，電機控制器立刻觸發(fā)二級故障保護；從測試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測到超速故障。

5 結(jié)論

本文基于dSPACE搭建了永磁同步電機控制器硬件在環(huán)仿真測試平臺，詳細介紹了MCU硬件測試平臺的開發(fā)、軟件測試平臺的開發(fā)、測試用例的設(shè)計、MCU控制功能測試以及故障保護測試的實施。仿真測試結(jié)果驗證了永磁同步電機控制器的功能性和該永磁同步電機控制器硬件在環(huán)仿真測試平臺的有效性。

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Hardware-in-the-loop Test Study of Motor Controller Based on dSPACE

Dang Meiting, Ren Jiayue, Yang Qidong

( Chang’an University School of Automobile, Shaanxi Xi’an 710054 )

This paper expounds the hardware-in-the-loop testing principle of dSPACE based permanent magnet synchronous motor controller, building a hardware-in-the-loop simulation test platform from hardware and software. The hardware-in-the-loop simulation test of the permanent magnet synchronous motor controller is carried out on the built platform. The test results show that the permanent magnet synchronous motor controller has good functionality and the hardware-in-the-loop simulation test platform can effectively implement the controller. Testing has shortened the development cycle of the controller and reduced development costs.

Motor controller;dSPACE;Hardware-in-the-loop

TM306

A

1671-7988(2019)18-131-04

TM306

A

1671-7988(2019)18-131-04

黨美婷（1996-），女，長安大學(xué)汽車學(xué)院碩士，研究方向：新能源汽車HIL測試。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.044