黨美婷，任佳越，楊啟東

基于dSPACE的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試研究

黨美婷，任佳越，楊啟東

（長(zhǎng)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(jī)控制器硬件在環(huán)的測(cè)試原理，從硬件和軟件兩個(gè)方面分別搭建了硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)。在所搭建的平臺(tái)上對(duì)永磁同步電機(jī)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該永磁同步電機(jī)控制器有著良好的功能性以及該硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)刂破鬟M(jìn)行有效測(cè)試，縮短了控制器的開(kāi)發(fā)周期，減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

電機(jī)控制器；dSPACE；硬件在環(huán)

引言

新能源汽車在解決能源危機(jī)和環(huán)境污染方面發(fā)揮著不可替代的作用，而純電動(dòng)汽車在新能源汽車中又占據(jù)著十分重要的地位。純電動(dòng)汽車由主要電池、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車控制器及相關(guān)輔助系統(tǒng)組成[1]。電機(jī)和控制器是電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)部分。電動(dòng)汽車控制器就像電動(dòng)汽車的心臟一樣，是電動(dòng)汽車核心部件，它的作用是控制動(dòng)力電池與電機(jī)之間的能量交流輸導(dǎo)[2]。硬件在環(huán)測(cè)試是V字型開(kāi)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(cè)試這一階段，因?yàn)橛布诃h(huán)測(cè)試可以大大減少開(kāi)發(fā)周期，很大程度上減少研發(fā)費(fèi)用的浪費(fèi)[3]。國(guó)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(cè)試納入到他們的整車開(kāi)發(fā)平臺(tái)中[4]。硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)有幾種比較成熟的方案：德國(guó)的Dspace系統(tǒng)；德國(guó)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(jìn)的硬件處理器和具備高速的運(yùn)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(jī)控制器硬件在環(huán)的測(cè)試原理，對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行有效測(cè)試，并通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證電機(jī)控制器的功能性和電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)的有效性。

1 硬件在環(huán)測(cè)試基本原理

1.1 硬件在環(huán)測(cè)試原理

硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop）仿真測(cè)試系統(tǒng)，是將搭建好的仿真模型編譯下載到機(jī)柜板卡中，機(jī)柜通過(guò)I/O接口與被測(cè)控制器相連，通過(guò)實(shí)時(shí)在線運(yùn)行模型來(lái)模擬控制器的運(yùn)行環(huán)境，使控制器判斷處于真實(shí)的環(huán)境中，從而對(duì)被測(cè)控制器進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測(cè)試。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行邊開(kāi)發(fā)邊測(cè)試，可以減少車型開(kāi)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(shí)車測(cè)試的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

1.2 永磁同步電機(jī)控制器硬件在環(huán)測(cè)試原理

永磁同步電機(jī)控制器（下稱“MCU”）HIL測(cè)試系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：dSPACE機(jī)柜、待測(cè)MCU、上位機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。

如圖1所示，在MCU HIL測(cè)試系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)控制器是真實(shí)的控制器，而永磁同步電機(jī)、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(jī)柜中，通過(guò)機(jī)柜板卡接口與真實(shí)的MCU相連接，互相傳遞信號(hào)。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)原理圖

2 系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

2.1 概述

MCU HIL測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包含三個(gè)部分：上位機(jī)、dSPACE機(jī)柜和永磁同步電機(jī)控制器。上位機(jī)主要用來(lái)開(kāi)發(fā)測(cè)試管理界面，在測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試用例的執(zhí)行以及測(cè)試過(guò)程的監(jiān)測(cè)；dSPACE機(jī)柜中含有多種板卡資源，每一種板卡會(huì)有多個(gè)ADC、DAC、DIGIN和DIGOUT等通道類型，可以進(jìn)行選擇。

2.2 硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

永磁同步電機(jī)控制器采用的是某一純電動(dòng)汽車的MCU。MCU HIL測(cè)試實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)采用的是德國(guó)dSPACE公司的SCALEXIO系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，資源板卡包括3個(gè)DS2680板卡、1個(gè)DS2655板卡和1個(gè)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(jì)算速度要求較快、計(jì)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(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)

3.1 概述

MCU HIL測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)包含：搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型、開(kāi)發(fā)測(cè)試管理界面。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)到8ns級(jí)的仿真步長(zhǎng)，由于電機(jī)、逆變器以及旋轉(zhuǎn)變壓器等模塊運(yùn)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(yùn)算速度較低，所以將一些對(duì)運(yùn)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(gè)模塊中可以設(shè)置母線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

Model包括像測(cè)功機(jī)模型以及母線電流模型這種在系統(tǒng)中運(yùn)算速度較慢的模型。在FPGA模型中也包含測(cè)功機(jī)模型，可以在Environment_Control中選擇測(cè)功機(jī)模型運(yùn)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(hào)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(guò)Buffer Interface來(lái)互相傳遞信號(hào)的。

3.3 開(kāi)發(fā)測(cè)試管理界面

運(yùn)用dSPACE公司開(kāi)發(fā)的ControlDesk軟件來(lái)開(kāi)發(fā)測(cè)試管理界面，對(duì)整個(gè)測(cè)試進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控與監(jiān)測(cè)，擁有虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、變量賦值等功能。

圖4為MCU硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，根據(jù)MCU測(cè)試需求，將測(cè)試界面劃分為電源控制、虛擬儀表顯示、開(kāi)環(huán)參數(shù)設(shè)定、電機(jī)控制模式、電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)、旋變參數(shù)設(shè)定、故障檢測(cè)以及變量采集等模塊。MCU 信號(hào)與其中每一個(gè)模塊的信號(hào)對(duì)應(yīng)連接，各個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與采集MCU 信號(hào)，也可以仿真模擬信號(hào)發(fā)給MCU。

圖4 MCU硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)

4 MCU HIL測(cè)試用例與驗(yàn)證

4.1 MCU HIL測(cè)試用例設(shè)計(jì)

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

本文測(cè)試用例設(shè)計(jì)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(hù)、MCU輸出測(cè)試、MCU異常工況、MCU總線通訊這7個(gè)方面，測(cè)試覆蓋度較高。

4.2 MCU測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)物圖

本文將主要闡述MCU控制功能和MCU故障保護(hù)測(cè)試這個(gè)方面。

4.2.1 MCU控制功能

MCU控制功能測(cè)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(cè)電機(jī)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化的情況。如圖6所示，初始電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000rpm，初始轉(zhuǎn)矩為50Nm，在2.2s時(shí)，MCU監(jiān)測(cè)到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rpm，結(jié)果表明了MCU能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。在4.5s時(shí)，設(shè)置轉(zhuǎn)矩為100Nm，在5.5s時(shí)，MCU監(jiān)測(cè)到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩達(dá)到100Nm，結(jié)果表明了MCU能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化。

圖6 MCU轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

4.2.2 MCU故障保護(hù)測(cè)試

MCU故障保護(hù)測(cè)試涵蓋范圍比較廣，本文主要介紹過(guò)壓故障保護(hù)、電機(jī)控制器溫度故障保護(hù)和超速故障保護(hù)。

當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過(guò)420V但低于430V時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)一級(jí)故障，當(dāng)母線電壓數(shù)值低于420V時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過(guò)430V但低于440V時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)二級(jí)故障，當(dāng)母線電壓數(shù)值低于420V時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)直流母線電壓數(shù)值超過(guò)440V時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)三級(jí)故障，必須進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時(shí)，改變直流母線電壓數(shù)值為425V時(shí)，當(dāng)MCU實(shí)際電壓值跟隨超過(guò)420V時(shí)，電機(jī)控制器立刻觸發(fā)一級(jí)故障保護(hù)；當(dāng)MCU實(shí)際電壓值降低至420V以下時(shí)，電機(jī)控制器恢復(fù)正常工作。從測(cè)試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測(cè)到過(guò)壓故障且能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護(hù)功能。

圖7 MCU過(guò)壓故障保護(hù)

當(dāng)電機(jī)控制器溫度位于90度至95度時(shí)，MCU觸發(fā)一級(jí)故障，當(dāng)控制器溫度低于90度時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機(jī)控制器溫度位于95度至105度時(shí)，MCU觸發(fā)二級(jí)故障，當(dāng)控制器溫度低于95度時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機(jī)控制器溫度大于105度時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)三級(jí)故障，必須進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速為2000rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時(shí)，設(shè)置控制器溫度為98度，當(dāng)MCU實(shí)際溫度值跟隨超過(guò)95度時(shí)，電機(jī)控制器立刻觸發(fā)一級(jí)故障保護(hù)；當(dāng)MCU實(shí)際溫度值降低至95度以下時(shí)，電機(jī)控制器恢復(fù)正常工作。從測(cè)試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測(cè)到控制器溫度故障并且能夠進(jìn)行自我保護(hù)。

圖8 MCU溫度故障保護(hù)

圖9 MCU轉(zhuǎn)速故障保護(hù)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值超過(guò)12000rpm但低于12500rpm時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)一級(jí)故障，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值低于12000rpm時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值超過(guò)12500rpm但低于13000rpm時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)二級(jí)故障，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值低于12500rpm時(shí)，MCU恢復(fù)正常工作；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值超過(guò)13000時(shí)，MCU會(huì)觸發(fā)三級(jí)故障，必須進(jìn)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(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0rpm，轉(zhuǎn)矩為50Nm時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值為12700rpm時(shí)，當(dāng)MCU實(shí)際轉(zhuǎn)速值跟隨超過(guò)12700rpm時(shí)，電機(jī)控制器立刻觸發(fā)二級(jí)故障保護(hù)；從測(cè)試結(jié)果可以看出，MCU可以檢測(cè)到超速故障。

5 結(jié)論

本文基于dSPACE搭建了永磁同步電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)介紹了MCU硬件測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、軟件測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試用例的設(shè)計(jì)、MCU控制功能測(cè)試以及故障保護(hù)測(cè)試的實(shí)施。仿真測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了永磁同步電機(jī)控制器的功能性和該永磁同步電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)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(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士，研究方向：新能源汽車HIL測(cè)試。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.044