新能源汽車驅動電機硬件在環(huán)仿真技術綜述

王志福，孫慶樂，李昊龍，王旭，郭毅鋒，梁常春，王瑞

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545026；3.北京空間飛行器總體設計部空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094）

隨著新能源汽車普及率的提高，未來十年內電機在新能源汽車的占比仍將增長，為了促進高功率電機的研發(fā)和新型電機結構的設計，精準的電機模型和高性能的電機仿真是必不可少的。對電機仿真的研究將使：1）顯著縮短電機驅動系統(tǒng)設計周期，提高電機設計的效率，從而加快設計速度和產品上市時間；2）電機仿真能實現(xiàn)與電機驅動器之間的控制信號或真實功率的交互；3）在開發(fā)初期快速地驗證電機控制系統(tǒng)方案的正確性和可行性，避免造成過多的資源浪費和時間消耗。在過去的半個世紀中，離線仿真是在進行硬件原型設計和現(xiàn)場部署之前進行設計驗證和測試的主要工具[1-2]。離線仿真是在理想環(huán)境下的仿真，無法模擬和檢測電機系統(tǒng)實際運行的中斷延遲、執(zhí)行速率、內存讀取、端口特性等問題[3]。電機硬件在環(huán)仿真可以模擬故障和極限測試條件，工程師可在無損條件下評估控制器或驅動器的性能[4-5]。電機仿真主要經歷：物理仿真、數字仿真以及硬件在環(huán)實時仿真[6-7]。

物理仿真是將真實的電機系統(tǒng)按照比例縮小處理，各個部分按照實際的接線方式進行連接，組成物理模擬系統(tǒng)。物理模擬系統(tǒng)對研究機理不清晰和具有新穎控制方法的電機系統(tǒng)提供了直觀可靠的仿真方法，但因其成本較高，無法靈活調整參數和擴展性差的缺點，導致物理仿真的應用十分受限。數字仿真是在理想環(huán)境下通過建立電機數學模型，選擇合適方法搭建電機仿真模型進行仿真試驗。但數字仿真只用于學習和測試電機基本理論和控制策略，無法考慮真實電機硬件系統(tǒng)的連接和搭建，也無法模擬真實電機的運行狀態(tài)。硬件在環(huán)（hardware-in-the-loop，HIL）仿真是根據真實電機在仿真設備中建立實時仿真模型，待檢測的電機控制器并不連接真實電機，而是與能夠模擬真實電機運行狀態(tài)的仿真設備相連，將實際的電機控制器置于由實時數字仿真設備建立的虛擬電機系統(tǒng)中進行閉環(huán)仿真。從電機控制器輸入端口來看，該模擬系統(tǒng)與真實電機是等效的。這種能夠模擬真實電機運行狀態(tài)的仿真系統(tǒng)，也被稱為電機模擬器。HIL仿真分為信號級硬件在環(huán)（signal hardware-in-the-loop，SHIL）仿真與功率連接型硬件在環(huán)（power hardware-in-the-loop，PHIL）仿真[8]。

在SHIL中，被測設備（例如電機控制器）是實際存在的，電機和逆變器用仿真模型代替。仿真設備中實時運行虛擬電機模型模擬真實電機系統(tǒng)的狀態(tài)信息和測試環(huán)境，對被測設備進行功能測試。SHIL電機仿真設備與物理被測設備交互的是控制信號，此時，物理被測設備一般為電機驅動和保護裝置[9-11]、電機控制器（motor control unit，MCU）[12-13]等。PHIL是SHIL的拓展，PHIL的仿真系統(tǒng)回路之間交互真實的物理功率，并能夠靈活模擬大功率電機在各種工況下的狀態(tài)信息，從而對被測設備進行全方面的測試。

本文首先介紹電機硬件在環(huán)仿真的原理結構，分析了電機硬件在環(huán)仿真的特性及其適用領域，最后根據現(xiàn)有電機硬件在環(huán)仿真的問題和不足，對電機硬件在環(huán)仿真關鍵技術發(fā)展方向進行了展望。

1 信號級硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真[14]是將數字仿真和物理仿真結合的一種先進的仿真方法。仿真設備中實時運行電機模型，能夠模擬真實電機在各種工況下的狀態(tài)信息，通過I/O口將被測設備連接到仿真環(huán)境中，通過實時的仿真完成對被測設備功能的測試。硬件在環(huán)仿真充分利用數字仿真建模方便的優(yōu)點，通過實時仿真完成對被測設備功能的測試，保真度較高。硬件在環(huán)仿真能在無損環(huán)境中完成對被測設備全方面的測試，為電機系統(tǒng)的研發(fā)和測試提供了安全高效的途徑[15-17]。

1.1 驅動電機硬件在環(huán)仿真

電機的SHIL可靈活地修改電機和負載的參數，可以低成本驗證電機控制策略。當真實測試系統(tǒng)風險太大無法直接進行測試時，SHIL仿真就可以安全高效地對電機控制器進行測試。SHIL的優(yōu)勢在于可以大大加快電機設計和電機控制器測試驗證的速度，降低研發(fā)和測試成本，同時防止測試對實際系統(tǒng)造成的損害[18-19]。因為電機功能具有多樣性，所以要求硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能適應不同種類的電機、運行速度快、仿真精度高、能實時修改電機和負載參數、并且能夠進行電機極限工況測試和電機故障仿真。硬件在環(huán)仿真能夠在開發(fā)前期在無損的環(huán)境下對電機設計方案和控制策略的合理性進行驗證，降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)時間[20]。

電機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)搭建主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分的搭建[21-22]。硬件系統(tǒng)包括待測電機控制器和電機實時仿真設備。仿真設備由CPU，I/O板卡和內部信號處理電路組成。軟件系統(tǒng)包括電機實時仿真系統(tǒng)和測試管理界面，電機仿真器通過I/O口和功能板卡實現(xiàn)與被測實物信號的交互；測試管理界面的功能是方便實時修改電機和負載的參數，測試管理界面一般帶有示波器，方便對被測設備進行觀察。電機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

圖1 電機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)連接圖Fig.1 Connection diagram of motor hardwarein-the-loop simulation system

SHIL研究目標是用實時電機模型準確模擬電機在各種工況下的特性，因此電機的數學模型是保證電機模擬準確性的關鍵[23-24]。文獻[25]以永磁同步電機為對象搭建了電機驅動控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺。采用d，q軸同步坐標系下的永磁同步電機數學模型，以逆變器輸出電壓量為輸入，輸出三相電流。電機的定子三相電流和直流母線電壓通過實時仿真系統(tǒng)的數字模擬端口輸出給實際的電機控制器，電機控制器再通過模擬數字端口采樣電機定子三相電流和直流母線電壓進行控制，由此完成對電機控制器的閉環(huán)測試。趙鋼[26]基于永磁同步電機d，q軸數學模型在Simulink中搭建電機的矢量控制算法模型，并且實現(xiàn)自動生成代碼下載到數字信號處理（digital signal processing，DSP）電機控制器中，并在硬件在環(huán)仿真平臺上搭建逆變器、永磁同步電機仿真系統(tǒng)，連接DSP對永磁同步電機（permanent magnetic synchronous machine，PMSM）矢量控制算法進行測試，仿真精度達到ns級，完成了永磁同步電機控制器的開發(fā)。文獻[27]在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）芯片中搭建了車用內置式永磁同步電機的非線性d，q軸模型，與真實的電機控制器相連，構建了硬件在環(huán)仿真平臺。該SHIL平臺仿真步長為1μs，與產品級的永磁同步電機多工況的對比試驗中，SHIL平臺的轉矩、轉速、A相電流峰值的平均誤差為4.14%，充分驗證了建立的SHIL仿真平臺具有較高的準確性。

1.2 電機非線性硬件在環(huán)仿真

在電機控制設計過程中為了簡化分析，常對永磁同步電機的d-q模型假設：忽略鐵芯的渦流損耗和磁滯損耗；定子繞組的電阻、電感是線性的；電感和永磁體磁鏈設為固定值。這樣的d-q模型雖然便于分析，但計算誤差較大。隨著電機控制技術的提升，電機的有限元模型因準確度高且能模擬電機非線性特性的優(yōu)點，逐漸成為業(yè)界廣泛采用的建模方法[28-29]。林潛等[30]利用有限元軟件搭建永磁同步電機分析模型，搭建的永磁同步電機有限元和逆變器模型經編譯后下載到RT-LAB實時仿真器，通過RT-LAB與真實的電機控制器相連，構建永磁同步電機實時硬件在環(huán)測試平臺。在兩種工況下，仿真實驗平臺的電流的基波有效值與全實物實驗平臺的誤差在5%以內，齒諧波分量的誤差在15%以內，充分驗證了建立的永磁同步電機的SHIL平臺具有較高的保真度與準確性。文獻[31]為了測試和優(yōu)化無刷直流電機（brushless DC motor，BLDCM）控制器，使用靜態(tài)有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）獲得的BLDCM參數的查表模型，搭建了基于DSP和FPGA的SHIL平臺。根據實時相電壓信號更改BLDCM狀態(tài)來提高仿真精度。通過該查表模型，可以改善干擾條件下的仿真性能，并在保持與FEA模型相同的高精度的同時獲得更快的計算速度。

雖然電機的有限元建模具有精度高的優(yōu)點，但是其仿真建模通常只針對某一特定電機，導致模型通用性不足；并且沒有考慮大功率電機運行損耗，會造成一定的誤差。高瑾[32-33]搭建的永磁電機SHIL平臺，采用標幺化方法建立電機模型，方便電機參數的實時修改，使電機仿真能適應不同功率等級的電機。將該SHIL平臺與全實物平臺的試驗數據進行了對比，試驗數據誤差在5%以內，證明SHIL平臺能準確模擬BLDCM在不同控制下的運行狀態(tài)。文獻[34]針對傳統(tǒng)永磁同步電機線性集中參數模型在仿真階段無法描述諧波電流的問題，構建基于FPGA的永磁同步電機分布參數電機模型。利用該模型反映了齒槽轉矩、氣隙磁場等特性，反映了真實電機諧波電流，通過與真實控制器連接，為相應算法的測試提供了平臺，該SHIL平臺信號傳輸過程如圖2所示。

圖2 SHIL仿真平臺信號傳輸過程Fig.2 Signal transmission process of SHIL simulation platform

1.3 電機控制器硬件在環(huán)仿真測試

在電機硬件在環(huán)仿真測試中，仿真設備通過實時運行虛擬電機模型來模擬真實電機的端口特性，使被測設備判斷處于真實的測試環(huán)境中，從而完成對被測設備全方面的測試。因此電機的硬件在環(huán)測試被廣泛應用于電機控制器功能測試中。文獻[35]基于實時仿真設備DSPACE搭建了永磁同步電機的硬件在環(huán)測試平臺。電機控制器通過功能板卡與仿真設備的信號模塊相連實現(xiàn)控制信號的交互，測試平臺的上位機界面可以實時監(jiān)測與分析MCU信號。借助該測試平臺可以完成對MCU狀態(tài)切換、控制、信息傳輸、安全保護等全方面的測試。陳眾等[36]基于硬件在環(huán)技術，構建了一種利用嵌入式裝置運行電機模型搭配實體可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的硬件在環(huán)實時仿真平臺。嵌入式裝置與PLC進行實時通訊，并通過PLC反饋的信息實時調節(jié)電機轉速，構成一個閉環(huán)實時控制系統(tǒng)，整個過程最終呈現(xiàn)在上位機界面。該平臺能精準地模擬出真實電機啟停、變速等過程中內部電磁與機械狀態(tài)的變化過程。

硬件在環(huán)測試的特點是虛擬電機與被測設備之間是控制信號的交互，SHIL通過模擬真實的測試環(huán)境驗證被測設備的功能邏輯，不會因測試對電機造成實質的損害，因此硬件在環(huán)測試能夠安全高效地完成電機控制和故障保護策略的開發(fā)測試。文獻[37]結合插電式混合動力汽車系統(tǒng)特點構建基于電量消耗-電量保持型控制策略，確定車輛多種運行模式之間的切換規(guī)則及發(fā)動機、電機的轉矩分配原則，通過SHIL對控制策略進行在環(huán)實時監(jiān)控和調參，為該控制策略應用于其他混合動力汽車奠定理論基礎。文獻[38]以永磁同步電機作為硬件在環(huán)系統(tǒng)的被控對象，通過Matlab/Simulink在實時仿真設備RT-LAB中搭建永磁同步電機數學模型、逆變器模型和硬件接口模型，對電機速度和位置（即模型參考自適應方法）進行研究。在電機控制器上運行速度位置估算算法和磁場定向控制算法，在硬件在環(huán)仿真平臺上驗證無傳感器控制算法的可行性與在逆變器不同類型故障下電機的運行狀況，為電機控制算法的優(yōu)化奠定了基礎。文獻[39]基于實時仿真設備DSPACE搭建了SHIL測試系統(tǒng)，該電機模擬器系統(tǒng)通過實時數字接口與真實控制器相連，通過上位機實時修改電控系統(tǒng)中的電壓、電流等參數，模擬真實電機的各種故障工況，并監(jiān)測控制器故障觸發(fā)和恢復時的參數閾值以及總線發(fā)出的故障信號，完成對電機控制器故障保護策略執(zhí)行速度和可靠性的驗證。

SHIL仿真依靠與被測設備控制信號的實時交互，實現(xiàn)對真實設備低延遲、高保真度的測試。但SHIL與被測設備的回路中不存在真實物理功率交互，SHIL無法對被測設備進行功率測試，因此SHIL的應用領域存在一定的局限性。

2 功率硬件在環(huán)仿真

在SHIL仿真中，硬件和仿真器之間交互的是信號級實時信息。而電機PHIL仿真器集成了大功率電力電子設備，仿真設備實時運行電機和機械負載的模型模擬真實電機端口電流、電壓特性，并利用功率接口實現(xiàn)被測實物與仿真模型之間的匹配連接，因此PHIL系統(tǒng)中交互的是電壓、電流等實際功率，故又稱為功率硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。根據不同類型的功率轉換器件，PHIL模擬和測試設備的功率等級范圍在幾十W與MW之間，因為仿真設備與硬件交互的是真實的電壓、電流，更能準確模擬真實測試環(huán)境。PHIL系統(tǒng)使用功率放大器或PWM整流器來調整電平，這使PHIL系統(tǒng)可以在實際的電氣系統(tǒng)和電氣負載下進行實時測試[40-44]。PHIL模擬器繼承了SHIL的諸多優(yōu)點，除此之外，還解決了SHIL無法對被測裝置進行功率測試的問題，在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)真實的電功率交互。PHIL無需添加和改動硬件裝置便可以和被測裝置連接，從物理連接上看PHIL系統(tǒng)等同于真實電機[45]。通過大容量的功率變換裝置搭建功率硬件在環(huán)測試平臺，能對風力電機、船舶電機、新能源汽車等高功率電機設備進行在環(huán)測試[46-48]。

2.1 驅動電機功率硬件在環(huán)仿真

PHIL由虛擬電機系統(tǒng)（virtual electrical system，VES）、物理被測系統(tǒng)（hardware under test，HUT）和功率接口裝置3個部分構成，其具體結構如圖3所示。

圖3 PHIL系統(tǒng)結構Fig.3 PHIL system structure

VES是運行電機模型的實時仿真機，功率接口裝置由數模轉換器、模數轉換器、功率轉換器和信息采集電路等裝置和接口算法組成。PHIL的原理是電機模型根據傳感器輸入的采樣信息實時計算出包含真實電機端口特性的指令電流，控制功率轉換器件生成與指令電流數值和波形相匹配的端口電流[49-50]。SHIL和PHIL之間結構的主要區(qū)別如圖4所示，PHIL通過功率接口裝置實現(xiàn)了被測設備和實時仿真設備的功率交互，其余部分SHIL和PHIL架構相同。

圖4 SHIL與PHIL的結構區(qū)別Fig.4 The structural difference between SHIL and PHIL

PHIL在SHIL的結構基礎上添加了被VES實時控制的功率轉換器件，功率轉換器件根據VES的指令模仿真實電機運行時的電氣特性。根據功率轉換器件選型的不同，PHIL的拓撲結構也有多種類型。文獻[51]設計了無刷直流電機功率級電機模擬器，電機模擬器輸入的電流和電壓由霍耳傳感器采集，經A/D轉換器作為狀態(tài)空間變量輸入給模擬器中BLDCM模型，通過逆變器和電感產生電機模型計算出的電機端口電流、電壓，電機模擬器輸出的電流和電壓與實際BLDCM相匹配。BLDCM模擬器通過更改逆變器和電感來實現(xiàn)不同電機參數的BLDCM的仿真。文獻[52-53]提出了一種可模擬交流電機端口特性的電力電子負載模擬系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)交流傳動平臺對各類電機進行測試。該模擬系統(tǒng)的拓撲結構如圖5所示，模擬系統(tǒng)的功率轉換器由模擬變換器（simulation converter，SC）和并網變換器（grid connection converter，GCC）組成。采用實時數字仿真技術建立電機模型，通過電機模型的實時仿真獲得真實電機運行的狀態(tài)信息，并控制SC準確跟蹤指令電流，使SC輸出的電流具有與實際電機相同的電流特性。GCC將電流高效反饋回電網，實現(xiàn)能量的回收和雙向流動。對于被測電機控制器而言，具有相同端口特性的電機模擬器等效于實際電機。邢美麗[54]搭建的功率級電機模擬器的拓撲結構如圖6所示，電機模擬器由實際電機的等效電路和功率級電流源組成。電機的數字模型通過電機等效電路生成旋變信號和霍耳信號；通過功率級電壓源輸出與真實電機具有相同性質的相電流和相電壓。由于模擬器的電機數字模型具有通用性，所以不需要改變模擬器的硬件電路，只需要改變電機的反電動勢和電磁轉矩模型，便可以實現(xiàn)對BLDCM和PMSM的功率級模擬仿真。

圖5 電機模擬器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of motor emulator

圖6 通用型電機功率級模擬器系統(tǒng)結構Fig.6 Universal motor power level emulator system configuration

文獻[55-56]根據電機模型不同的輸入量和輸出量，構建了電壓-電流（voltage to current，VTC）和電流-電壓（current to voltage，CTV）電機模擬系統(tǒng)。VTC以電壓采樣為輸入量，定子電流為輸出量；CTV以定子電流為輸入量，以定子電壓或反電勢作為輸出量。兩種電機模擬器均以背靠背的PWM整流器作為電機模擬器功率轉換器，實現(xiàn)電機端口特性的模擬和能量雙向流動。在空載、突加負載和三相電源不平衡三種典型工況下完成對逆變器和電機控制器的測試。

2.2 驅動電機非線性功率硬件在環(huán)仿真

由于PHIL通過功率轉換器件模擬真實電機的端口特性，所以對電機模型的實時性和準確性提出了更高要求。宋鵬先[57]采用Adams法實現(xiàn)了同步和異步電機模型的數字化，使用Adams電機數字模型準確度高、計算時間短，適用于DSP等常用數字芯片計算電機的端口信息。許家群等[58]采用雙線性變換和逆Z變換推導了基于線電壓的PMSM和BLDCM電機模型。在通用型電機功率級模擬器上，通過改變反電動勢和電磁轉矩模型，便可以分別實現(xiàn)對PMSM和BLDCM的端口特性模擬，極大地提高PHIL系統(tǒng)的通用性。文獻[59]提出了一種基于PHIL的PMSM電機模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于有限元分析工具生成的基于查找表數據的機器模型。使用此類機器模型可以模擬電機的磁性（例如飽和度）和幾何特征（例如齒槽轉矩），四象限功率放大器與實時仿真器相連能模擬真實電機端口電流特性，從而大大提高了模擬的準確性和實用性。文獻[60]采用兩步亞當斯法建立永磁同步電機的數學模型，模擬電機可實時計算出當前時刻的電機狀態(tài)量。采用改進的內?？刂破鳎刂颇孀兤鳒蚀_跟蹤指令電流，保證電機模擬器電流跟蹤的快速性和準確性；設計的龍伯格轉矩預估觀測器，使電機產生高頻脈動轉矩以抵消電機轉矩的波動，保證PHIL平臺電機測試的準確性和穩(wěn)定性。文獻[61]針對三相永磁同步電機，提出了一種基于三相定子坐標系的永磁同步電機電流-磁鏈有限元反查表模型的PHIL，并建立了接口電路的數學模型和電壓前饋電流反饋控制的接口算法，所提出的PHIL平臺誤差小、準確度高。

2.3 功率硬件在環(huán)仿真接口算法

PHIL中功率轉換器件的輸出電流準確跟蹤指令電流是保證PHIL模擬準確性的關鍵。傳統(tǒng)的PI控制無法實時追蹤指令電流，容易造成較大的穩(wěn)態(tài)誤差。文獻[62]在功率級三相異步電機模擬器α-β坐標系中采用無差拍控制。無差拍控制精度高、動態(tài)響應快，能在電流的動態(tài)變化中準確跟蹤指令電流，并且不依賴鎖相系統(tǒng)，保證了功率級三相異步電機模擬的準確性。文獻[63]提出一種基于虛擬轉子磁鏈定向的電流控制跟蹤策略。該策略能適應端口電流的動態(tài)變化，減小暫態(tài)電流非重復性變化造成的穩(wěn)態(tài)誤差。文獻[60，64]依據二自由度原理，對傳統(tǒng)的內?？刂七M行改進，引入了兩個調解參數。即保證內模控制解耦性能，又提高了內?？刂频聂敯粜?，減小電流跟蹤的誤差。

PHIL仿真是實時仿真的高級應用，是結合軟件和硬件測試的新穎方法。PHIL因其交互真實功率的特性將逐漸取代HIL，被市場大規(guī)模地接納。

3 結論

電機硬件在環(huán)仿真將數字仿真和實測設備相結合，可以在無損環(huán)境中對實測裝備進行測試。對于硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，其關鍵的兩個部分為：1）電機實時仿真模型的建立；2）電機仿真設備與被測設備端口匹配，以及功能板卡的設計。SHIL的電機模型需要準確模擬電機在各種工況下的狀態(tài)信息，通過通訊接口和板卡與被測設備進行信號交互?，F(xiàn)階段SHIL的電機建模主要有d，q軸建模、有限元建模和標幺化的模型?；赿，q軸的電機模型通過對定子電流的控制便可實現(xiàn)矢量控制的目的，簡化電機控制的設計過程，便于分析和電機控制，但其忽略電機的非線性特點且計算誤差大，使其應用受限。電機的有限元模型準確度高且能模擬電機非線性特性，是業(yè)內主流的電機建模方式。但是電機的有限元模型無法直接應用于仿真設備，只能通過生成查表模型在數字處理器中應用，但常用數字處理器的采樣頻率和處理速度無法滿足SHIL仿真對快速性和準確性的要求，所以在SHIL中電機的有限元模型往往應用于特定的仿真設備（例如RT-LAB），模型的通用性不足。電機的標幺化建模能適應不同功率等級的電機，方便參數的調整，但是建模過程繁瑣、計算量大。隨著SHIL技術的發(fā)展，要求電機模型不僅能模擬電機的非線性特點，還要具有較高的通用性，能適用不同類型仿真設備和功率等級，滿足電機SHIL仿真對實時性和準確性的要求。SHIL的板卡依據功能分為故障注入板卡、信號調理板卡、電阻板卡等。測試對象的不同，SHIL使用的板卡也不同。SHIL板卡的發(fā)展應朝著多功能和通用性發(fā)展，不需要更換板卡便滿足不同測試對象信號傳輸。目前業(yè)界的SHIL仿真多集中單一的部件測試，SHIL的未來發(fā)展重心是多部件系統(tǒng)級的仿真測試。

PHIL在SHIL的基礎上添加了功率轉換器和傳感器。將仿真設備的控制信號轉換為電壓、電流，將被測設備反饋的電壓、電流轉換為控制信號，實現(xiàn)仿真設備和被測設備之間的功率交互，更接近真實的環(huán)境。功率硬件在環(huán)仿真的三個關鍵部分為：1）建立能準確模擬電機端口特性的電機模型；2）PHIL的拓撲結構；3）電流跟蹤控制策略。由于PHIL中的電機模型需要根據傳感器的采樣信息模擬真實電機的端口特性，對PHIL電機模型的實時性和準確性提出了更高的要求。現(xiàn)階段電機模型求解方法多采用歐拉法、梯形法和Adams離散電機模型。歐拉法精度低；梯形法精度高但計算復雜；Adams在合適步長下具有較高的計算精度，適用于DSP等處理器完成電機模型的數值求解。為了滿足PHIL電機模型數值求解對精度和實時性的要求，雙線性變換、后向拆分法和逆Z變換等數值求解方法也逐步在PHIL中得到應用，新型數值求解方法的推導應用將是PHIL電機模型發(fā)展的一個重要方向。

PHIL的拓撲結構包含功率轉換裝置，使PHIL可以進行極限工況和故障條件下的模擬實驗，可信度較高。現(xiàn)階段的PHIL多以PWM整流器為功率轉換器件，以背靠背的架構實現(xiàn)PHIL電能的雙向流動和回收。但是PWM整流器需要較高的A/D采樣頻率才能滿足電機模型數值計算的準確性要求。所以可編程的功率級電流源和功率放大器也逐漸被業(yè)內接受，廣泛應用于PHIL的功率轉換中。而新型功率器件的研發(fā)能提高PHIL模擬的功率等級，開發(fā)更多的系統(tǒng)架構方案。在PHIL系統(tǒng)中，由于功率轉換器件的引入，使得傳統(tǒng)的電流控制策略無法準確跟蹤指令電流，造成較大的穩(wěn)態(tài)誤差?；诙杂啥鹊膬饶？刂坪途€性預測補償的無差拍控制器都是通過對現(xiàn)有電流跟蹤控制策略和控制器的改進，來提高電流跟蹤的準確性。隨著業(yè)界對高功率設備仿真測試需求的增高，電流跟蹤控制策略的改進和開發(fā)將是PHIL研究的重點方向之一。

隨著技術的發(fā)展，電機功率硬件在環(huán)仿真的準確性和穩(wěn)定性也得到了提高，PHIL將朝著高功率等級的方向發(fā)展。PHIL也將逐步替代SHIL成為業(yè)界內驅動電機仿真和測試的首選，我們的未來研究將沿著這個方向進行。