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(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545026；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

隨著新能源汽車普及率的提高，未來十年內(nèi)電機(jī)在新能源汽車的占比仍將增長，為了促進(jìn)高功率電機(jī)的研發(fā)和新型電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)的電機(jī)模型和高性能的電機(jī)仿真是必不可少的。對(duì)電機(jī)仿真的研究將使：1）顯著縮短電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，提高電機(jī)設(shè)計(jì)的效率，從而加快設(shè)計(jì)速度和產(chǎn)品上市時(shí)間；2）電機(jī)仿真能實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的控制信號(hào)或真實(shí)功率的交互；3）在開發(fā)初期快速地驗(yàn)證電機(jī)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(fèi)和時(shí)間消耗。在過去的半個(gè)世紀(jì)中，離線仿真是在進(jìn)行硬件原型設(shè)計(jì)和現(xiàn)場部署之前進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測(cè)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(cè)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的中斷延遲、執(zhí)行速率、內(nèi)存讀取、端口特性等問題[3]。電機(jī)硬件在環(huán)仿真可以模擬故障和極限測(cè)試條件，工程師可在無損條件下評(píng)估控制器或驅(qū)動(dòng)器的性能[4-5]。電機(jī)仿真主要經(jīng)歷：物理仿真、數(shù)字仿真以及硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真[6-7]。

物理仿真是將真實(shí)的電機(jī)系統(tǒng)按照比例縮小處理，各個(gè)部分按照實(shí)際的接線方式進(jìn)行連接，組成物理模擬系統(tǒng)。物理模擬系統(tǒng)對(duì)研究機(jī)理不清晰和具有新穎控制方法的電機(jī)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(diào)整參數(shù)和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致物理仿真的應(yīng)用十分受限。數(shù)字仿真是在理想環(huán)境下通過建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，選擇合適方法搭建電機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。但數(shù)字仿真只用于學(xué)習(xí)和測(cè)試電機(jī)基本理論和控制策略，無法考慮真實(shí)電機(jī)硬件系統(tǒng)的連接和搭建，也無法模擬真實(shí)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。硬件在環(huán)（hardware-in-the-loop，HIL）仿真是根據(jù)真實(shí)電機(jī)在仿真設(shè)備中建立實(shí)時(shí)仿真模型，待檢測(cè)的電機(jī)控制器并不連接真實(shí)電機(jī)，而是與能夠模擬真實(shí)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的仿真設(shè)備相連，將實(shí)際的電機(jī)控制器置于由實(shí)時(shí)數(shù)字仿真設(shè)備建立的虛擬電機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行閉環(huán)仿真。從電機(jī)控制器輸入端口來看，該模擬系統(tǒng)與真實(shí)電機(jī)是等效的。這種能夠模擬真實(shí)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的仿真系統(tǒng)，也被稱為電機(jī)模擬器。HIL仿真分為信號(hào)級(jí)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(cè)設(shè)備（例如電機(jī)控制器）是實(shí)際存在的，電機(jī)和逆變器用仿真模型代替。仿真設(shè)備中實(shí)時(shí)運(yùn)行虛擬電機(jī)模型模擬真實(shí)電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)信息和測(cè)試環(huán)境，對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試。SHIL電機(jī)仿真設(shè)備與物理被測(cè)設(shè)備交互的是控制信號(hào)，此時(shí)，物理被測(cè)設(shè)備一般為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)裝置[9-11]、電機(jī)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(shí)的物理功率，并能夠靈活模擬大功率電機(jī)在各種工況下的狀態(tài)信息，從而對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行全方面的測(cè)試。

本文首先介紹電機(jī)硬件在環(huán)仿真的原理結(jié)構(gòu)，分析了電機(jī)硬件在環(huán)仿真的特性及其適用領(lǐng)域，最后根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)硬件在環(huán)仿真的問題和不足，對(duì)電機(jī)硬件在環(huán)仿真關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 信號(hào)級(jí)硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真[14]是將數(shù)字仿真和物理仿真結(jié)合的一種先進(jìn)的仿真方法。仿真設(shè)備中實(shí)時(shí)運(yùn)行電機(jī)模型，能夠模擬真實(shí)電機(jī)在各種工況下的狀態(tài)信息，通過I/O口將被測(cè)設(shè)備連接到仿真環(huán)境中，通過實(shí)時(shí)的仿真完成對(duì)被測(cè)設(shè)備功能的測(cè)試。硬件在環(huán)仿真充分利用數(shù)字仿真建模方便的優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)仿真完成對(duì)被測(cè)設(shè)備功能的測(cè)試，保真度較高。硬件在環(huán)仿真能在無損環(huán)境中完成對(duì)被測(cè)設(shè)備全方面的測(cè)試，為電機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)和測(cè)試提供了安全高效的途徑[15-17]。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件在環(huán)仿真

電機(jī)的SHIL可靈活地修改電機(jī)和負(fù)載的參數(shù)，可以低成本驗(yàn)證電機(jī)控制策略。當(dāng)真實(shí)測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)太大無法直接進(jìn)行測(cè)試時(shí)，SHIL仿真就可以安全高效地對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行測(cè)試。SHIL的優(yōu)勢(shì)在于可以大大加快電機(jī)設(shè)計(jì)和電機(jī)控制器測(cè)試驗(yàn)證的速度，降低研發(fā)和測(cè)試成本，同時(shí)防止測(cè)試對(duì)實(shí)際系統(tǒng)造成的損害[18-19]。因?yàn)殡姍C(jī)功能具有多樣性，所以要求硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能適應(yīng)不同種類的電機(jī)、運(yùn)行速度快、仿真精度高、能實(shí)時(shí)修改電機(jī)和負(fù)載參數(shù)、并且能夠進(jìn)行電機(jī)極限工況測(cè)試和電機(jī)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(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)方案和控制策略的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)時(shí)間[20]。

電機(jī)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(cè)電機(jī)控制器和電機(jī)實(shí)時(shí)仿真設(shè)備。仿真設(shè)備由CPU，I/O板卡和內(nèi)部信號(hào)處理電路組成。軟件系統(tǒng)包括電機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和測(cè)試管理界面，電機(jī)仿真器通過I/O口和功能板卡實(shí)現(xiàn)與被測(cè)實(shí)物信號(hào)的交互；測(cè)試管理界面的功能是方便實(shí)時(shí)修改電機(jī)和負(fù)載的參數(shù)，測(cè)試管理界面一般帶有示波器，方便對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行觀察。電機(jī)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)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(biāo)是用實(shí)時(shí)電機(jī)模型準(zhǔn)確模擬電機(jī)在各種工況下的特性，因此電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是保證電機(jī)模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[23-24]。文獻(xiàn)[25]以永磁同步電機(jī)為對(duì)象搭建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。采用d，q軸同步坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，以逆變器輸出電壓量為輸入，輸出三相電流。電機(jī)的定子三相電流和直流母線電壓通過實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的數(shù)字模擬端口輸出給實(shí)際的電機(jī)控制器，電機(jī)控制器再通過模擬數(shù)字端口采樣電機(jī)定子三相電流和直流母線電壓進(jìn)行控制，由此完成對(duì)電機(jī)控制器的閉環(huán)測(cè)試。趙鋼[26]基于永磁同步電機(jī)d，q軸數(shù)學(xué)模型在Simulink中搭建電機(jī)的矢量控制算法模型，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成代碼下載到數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）電機(jī)控制器中，并在硬件在環(huán)仿真平臺(tái)上搭建逆變器、永磁同步電機(jī)仿真系統(tǒng)，連接DSP對(duì)永磁同步電機(jī)（permanent magnetic synchronous machine，PMSM）矢量控制算法進(jìn)行測(cè)試，仿真精度達(dá)到ns級(jí)，完成了永磁同步電機(jī)控制器的開發(fā)。文獻(xiàn)[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(nèi)置式永磁同步電機(jī)的非線性d，q軸模型，與真實(shí)的電機(jī)控制器相連，構(gòu)建了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。該SHIL平臺(tái)仿真步長為1μs，與產(chǎn)品級(jí)的永磁同步電機(jī)多工況的對(duì)比試驗(yàn)中，SHIL平臺(tái)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、A相電流峰值的平均誤差為4.14%，充分驗(yàn)證了建立的SHIL仿真平臺(tái)具有較高的準(zhǔn)確性。

1.2 電機(jī)非線性硬件在環(huán)仿真

在電機(jī)控制設(shè)計(jì)過程中為了簡化分析，常對(duì)永磁同步電機(jī)的d-q模型假設(shè)：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(shè)為固定值。這樣的d-q模型雖然便于分析，但計(jì)算誤差較大。隨著電機(jī)控制技術(shù)的提升，電機(jī)的有限元模型因準(zhǔn)確度高且能模擬電機(jī)非線性特性的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)分析模型，搭建的永磁同步電機(jī)有限元和逆變器模型經(jīng)編譯后下載到RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器，通過RT-LAB與真實(shí)的電機(jī)控制器相連，構(gòu)建永磁同步電機(jī)實(shí)時(shí)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)。在兩種工況下，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電流的基波有效值與全實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的誤差在5%以內(nèi)，齒諧波分量的誤差在15%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了建立的永磁同步電機(jī)的SHIL平臺(tái)具有較高的保真度與準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[31]為了測(cè)試和優(yōu)化無刷直流電機(jī)（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(shù)的查表模型，搭建了基于DSP和FPGA的SHIL平臺(tái)。根據(jù)實(shí)時(shí)相電壓信號(hào)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(shí)獲得更快的計(jì)算速度。

雖然電機(jī)的有限元建模具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其仿真建模通常只針對(duì)某一特定電機(jī)，導(dǎo)致模型通用性不足；并且沒有考慮大功率電機(jī)運(yùn)行損耗，會(huì)造成一定的誤差。高瑾[32-33]搭建的永磁電機(jī)SHIL平臺(tái)，采用標(biāo)幺化方法建立電機(jī)模型，方便電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)修改，使電機(jī)仿真能適應(yīng)不同功率等級(jí)的電機(jī)。將該SHIL平臺(tái)與全實(shí)物平臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，證明SHIL平臺(tái)能準(zhǔn)確模擬BLDCM在不同控制下的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[34]針對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)線性集中參數(shù)模型在仿真階段無法描述諧波電流的問題，構(gòu)建基于FPGA的永磁同步電機(jī)分布參數(shù)電機(jī)模型。利用該模型反映了齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁場等特性，反映了真實(shí)電機(jī)諧波電流，通過與真實(shí)控制器連接，為相應(yīng)算法的測(cè)試提供了平臺(tái)，該SHIL平臺(tái)信號(hào)傳輸過程如圖2所示。

圖2 SHIL仿真平臺(tái)信號(hào)傳輸過程Fig.2 Signal transmission process of SHIL simulation platform

1.3 電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試

在電機(jī)硬件在環(huán)仿真測(cè)試中，仿真設(shè)備通過實(shí)時(shí)運(yùn)行虛擬電機(jī)模型來模擬真實(shí)電機(jī)的端口特性，使被測(cè)設(shè)備判斷處于真實(shí)的測(cè)試環(huán)境中，從而完成對(duì)被測(cè)設(shè)備全方面的測(cè)試。因此電機(jī)的硬件在環(huán)測(cè)試被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器功能測(cè)試中。文獻(xiàn)[35]基于實(shí)時(shí)仿真設(shè)備DSPACE搭建了永磁同步電機(jī)的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)。電機(jī)控制器通過功能板卡與仿真設(shè)備的信號(hào)模塊相連實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的交互，測(cè)試平臺(tái)的上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析MCU信號(hào)。借助該測(cè)試平臺(tái)可以完成對(duì)MCU狀態(tài)切換、控制、信息傳輸、安全保護(hù)等全方面的測(cè)試。陳眾等[36]基于硬件在環(huán)技術(shù)，構(gòu)建了一種利用嵌入式裝置運(yùn)行電機(jī)模型搭配實(shí)體可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。嵌入式裝置與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并通過PLC反饋的信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，整個(gè)過程最終呈現(xiàn)在上位機(jī)界面。該平臺(tái)能精準(zhǔn)地模擬出真實(shí)電機(jī)啟停、變速等過程中內(nèi)部電磁與機(jī)械狀態(tài)的變化過程。

硬件在環(huán)測(cè)試的特點(diǎn)是虛擬電機(jī)與被測(cè)設(shè)備之間是控制信號(hào)的交互，SHIL通過模擬真實(shí)的測(cè)試環(huán)境驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備的功能邏輯，不會(huì)因測(cè)試對(duì)電機(jī)造成實(shí)質(zhì)的損害，因此硬件在環(huán)測(cè)試能夠安全高效地完成電機(jī)控制和故障保護(hù)策略的開發(fā)測(cè)試。文獻(xiàn)[37]結(jié)合插電式混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)特點(diǎn)構(gòu)建基于電量消耗-電量保持型控制策略，確定車輛多種運(yùn)行模式之間的切換規(guī)則及發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配原則，通過SHIL對(duì)控制策略進(jìn)行在環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)參，為該控制策略應(yīng)用于其他混合動(dòng)力汽車奠定理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[38]以永磁同步電機(jī)作為硬件在環(huán)系統(tǒng)的被控對(duì)象，通過Matlab/Simulink在實(shí)時(shí)仿真設(shè)備RT-LAB中搭建永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型、逆變器模型和硬件接口模型，對(duì)電機(jī)速度和位置（即模型參考自適應(yīng)方法）進(jìn)行研究。在電機(jī)控制器上運(yùn)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(tái)上驗(yàn)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(jī)的運(yùn)行狀況，為電機(jī)控制算法的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[39]基于實(shí)時(shí)仿真設(shè)備DSPACE搭建了SHIL測(cè)試系統(tǒng)，該電機(jī)模擬器系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)數(shù)字接口與真實(shí)控制器相連，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)修改電控系統(tǒng)中的電壓、電流等參數(shù)，模擬真實(shí)電機(jī)的各種故障工況，并監(jiān)測(cè)控制器故障觸發(fā)和恢復(fù)時(shí)的參數(shù)閾值以及總線發(fā)出的故障信號(hào)，完成對(duì)電機(jī)控制器故障保護(hù)策略執(zhí)行速度和可靠性的驗(yàn)證。

SHIL仿真依靠與被測(cè)設(shè)備控制信號(hào)的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)設(shè)備低延遲、高保真度的測(cè)試。但SHIL與被測(cè)設(shè)備的回路中不存在真實(shí)物理功率交互，SHIL無法對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行功率測(cè)試，因此SHIL的應(yīng)用領(lǐng)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(hào)級(jí)實(shí)時(shí)信息。而電機(jī)PHIL仿真器集成了大功率電力電子設(shè)備，仿真設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行電機(jī)和機(jī)械負(fù)載的模型模擬真實(shí)電機(jī)端口電流、電壓特性，并利用功率接口實(shí)現(xiàn)被測(cè)實(shí)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(shí)際功率，故又稱為功率硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。根據(jù)不同類型的功率轉(zhuǎn)換器件，PHIL模擬和測(cè)試設(shè)備的功率等級(jí)范圍在幾十W與MW之間，因?yàn)榉抡嬖O(shè)備與硬件交互的是真實(shí)的電壓、電流，更能準(zhǔn)確模擬真實(shí)測(cè)試環(huán)境。PHIL系統(tǒng)使用功率放大器或PWM整流器來調(diào)整電平，這使PHIL系統(tǒng)可以在實(shí)際的電氣系統(tǒng)和電氣負(fù)載下進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試[40-44]。PHIL模擬器繼承了SHIL的諸多優(yōu)點(diǎn)，除此之外，還解決了SHIL無法對(duì)被測(cè)裝置進(jìn)行功率測(cè)試的問題，在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)真實(shí)的電功率交互。PHIL無需添加和改動(dòng)硬件裝置便可以和被測(cè)裝置連接，從物理連接上看PHIL系統(tǒng)等同于真實(shí)電機(jī)[45]。通過大容量的功率變換裝置搭建功率硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，能對(duì)風(fēng)力電機(jī)、船舶電機(jī)、新能源汽車等高功率電機(jī)設(shè)備進(jìn)行在環(huán)測(cè)試[46-48]。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率硬件在環(huán)仿真

PHIL由虛擬電機(jī)系統(tǒng)（virtual electrical system，VES）、物理被測(cè)系統(tǒng)（hardware under test，HUT）和功率接口裝置3個(gè)部分構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PHIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 PHIL system structure

VES是運(yùn)行電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真機(jī)，功率接口裝置由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率轉(zhuǎn)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(jī)模型根據(jù)傳感器輸入的采樣信息實(shí)時(shí)計(jì)算出包含真實(shí)電機(jī)端口特性的指令電流，控制功率轉(zhuǎn)換器件生成與指令電流數(shù)值和波形相匹配的端口電流[49-50]。SHIL和PHIL之間結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別如圖4所示，PHIL通過功率接口裝置實(shí)現(xiàn)了被測(cè)設(shè)備和實(shí)時(shí)仿真設(shè)備的功率交互，其余部分SHIL和PHIL架構(gòu)相同。

圖4 SHIL與PHIL的結(jié)構(gòu)區(qū)別Fig.4 The structural difference between SHIL and PHIL

PHIL在SHIL的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加了被VES實(shí)時(shí)控制的功率轉(zhuǎn)換器件，功率轉(zhuǎn)換器件根據(jù)VES的指令模仿真實(shí)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電氣特性。根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器件選型的不同，PHIL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有多種類型。文獻(xiàn)[51]設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)功率級(jí)電機(jī)模擬器，電機(jī)模擬器輸入的電流和電壓由霍耳傳感器采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)生電機(jī)模型計(jì)算出的電機(jī)端口電流、電壓，電機(jī)模擬器輸出的電流和電壓與實(shí)際BLDCM相匹配。BLDCM模擬器通過更改逆變器和電感來實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)參數(shù)的BLDCM的仿真。文獻(xiàn)[52-53]提出了一種可模擬交流電機(jī)端口特性的電力電子負(fù)載模擬系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)交流傳動(dòng)平臺(tái)對(duì)各類電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。該模擬系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，模擬系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器由模擬變換器（simulation converter，SC）和并網(wǎng)變換器（grid connection converter，GCC）組成。采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)建立電機(jī)模型，通過電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真獲得真實(shí)電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息，并控制SC準(zhǔn)確跟蹤指令電流，使SC輸出的電流具有與實(shí)際電機(jī)相同的電流特性。GCC將電流高效反饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收和雙向流動(dòng)。對(duì)于被測(cè)電機(jī)控制器而言，具有相同端口特性的電機(jī)模擬器等效于實(shí)際電機(jī)。邢美麗[54]搭建的功率級(jí)電機(jī)模擬器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，電機(jī)模擬器由實(shí)際電機(jī)的等效電路和功率級(jí)電流源組成。電機(jī)的數(shù)字模型通過電機(jī)等效電路生成旋變信號(hào)和霍耳信號(hào)；通過功率級(jí)電壓源輸出與真實(shí)電機(jī)具有相同性質(zhì)的相電流和相電壓。由于模擬器的電機(jī)數(shù)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩模型，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDCM和PMSM的功率級(jí)模擬仿真。

圖5 電機(jī)模擬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of motor emulator

圖6 通用型電機(jī)功率級(jí)模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Universal motor power level emulator system configuration

文獻(xiàn)[55-56]根據(jù)電機(jī)模型不同的輸入量和輸出量，構(gòu)建了電壓-電流（voltage to current，VTC）和電流-電壓（current to voltage，CTV）電機(jī)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(shì)作為輸出量。兩種電機(jī)模擬器均以背靠背的PWM整流器作為電機(jī)模擬器功率轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)端口特性的模擬和能量雙向流動(dòng)。在空載、突加負(fù)載和三相電源不平衡三種典型工況下完成對(duì)逆變器和電機(jī)控制器的測(cè)試。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)非線性功率硬件在環(huán)仿真

由于PHIL通過功率轉(zhuǎn)換器件模擬真實(shí)電機(jī)的端口特性，所以對(duì)電機(jī)模型的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更高要求。宋鵬先[57]采用Adams法實(shí)現(xiàn)了同步和異步電機(jī)模型的數(shù)字化，使用Adams電機(jī)數(shù)字模型準(zhǔn)確度高、計(jì)算時(shí)間短，適用于DSP等常用數(shù)字芯片計(jì)算電機(jī)的端口信息。許家群等[58]采用雙線性變換和逆Z變換推導(dǎo)了基于線電壓的PMSM和BLDCM電機(jī)模型。在通用型電機(jī)功率級(jí)模擬器上，通過改變反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩模型，便可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)[59]提出了一種基于PHIL的PMSM電機(jī)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(shù)據(jù)的機(jī)器模型。使用此類機(jī)器模型可以模擬電機(jī)的磁性（例如飽和度）和幾何特征（例如齒槽轉(zhuǎn)矩），四象限功率放大器與實(shí)時(shí)仿真器相連能模擬真實(shí)電機(jī)端口電流特性，從而大大提高了模擬的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。文獻(xiàn)[60]采用兩步亞當(dāng)斯法建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，模擬電機(jī)可實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的電機(jī)狀態(tài)量。采用改進(jìn)的內(nèi)模控制器，控制逆變器準(zhǔn)確跟蹤指令電流，保證電機(jī)模擬器電流跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性；設(shè)計(jì)的龍伯格轉(zhuǎn)矩預(yù)估觀測(cè)器，使電機(jī)產(chǎn)生高頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩以抵消電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，保證PHIL平臺(tái)電機(jī)測(cè)試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[61]針對(duì)三相永磁同步電機(jī)，提出了一種基于三相定子坐標(biāo)系的永磁同步電機(jī)電流-磁鏈有限元反查表模型的PHIL，并建立了接口電路的數(shù)學(xué)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(tái)誤差小、準(zhǔn)確度高。

2.3 功率硬件在環(huán)仿真接口算法

PHIL中功率轉(zhuǎn)換器件的輸出電流準(zhǔn)確跟蹤指令電流是保證PHIL模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PI控制無法實(shí)時(shí)追蹤指令電流，容易造成較大的穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[62]在功率級(jí)三相異步電機(jī)模擬器α-β坐標(biāo)系中采用無差拍控制。無差拍控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在電流的動(dòng)態(tài)變化中準(zhǔn)確跟蹤指令電流，并且不依賴鎖相系統(tǒng)，保證了功率級(jí)三相異步電機(jī)模擬的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[63]提出一種基于虛擬轉(zhuǎn)子磁鏈定向的電流控制跟蹤策略。該策略能適應(yīng)端口電流的動(dòng)態(tài)變化，減小暫態(tài)電流非重復(fù)性變化造成的穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[60，64]依據(jù)二自由度原理，對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)?？刂七M(jìn)行改進(jìn)，引入了兩個(gè)調(diào)解參數(shù)。即保證內(nèi)?？刂平怦钚阅?，又提高了內(nèi)?？刂频聂敯粜?，減小電流跟蹤的誤差。

PHIL仿真是實(shí)時(shí)仿真的高級(jí)應(yīng)用，是結(jié)合軟件和硬件測(cè)試的新穎方法。PHIL因其交互真實(shí)功率的特性將逐漸取代HIL，被市場大規(guī)模地接納。

3 結(jié)論

電機(jī)硬件在環(huán)仿真將數(shù)字仿真和實(shí)測(cè)設(shè)備相結(jié)合，可以在無損環(huán)境中對(duì)實(shí)測(cè)裝備進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，其關(guān)鍵的兩個(gè)部分為：1）電機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的建立；2）電機(jī)仿真設(shè)備與被測(cè)設(shè)備端口匹配，以及功能板卡的設(shè)計(jì)。SHIL的電機(jī)模型需要準(zhǔn)確模擬電機(jī)在各種工況下的狀態(tài)信息，通過通訊接口和板卡與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互?，F(xiàn)階段SHIL的電機(jī)建模主要有d，q軸建模、有限元建模和標(biāo)幺化的模型?；赿，q軸的電機(jī)模型通過對(duì)定子電流的控制便可實(shí)現(xiàn)矢量控制的目的，簡化電機(jī)控制的設(shè)計(jì)過程，便于分析和電機(jī)控制，但其忽略電機(jī)的非線性特點(diǎn)且計(jì)算誤差大，使其應(yīng)用受限。電機(jī)的有限元模型準(zhǔn)確度高且能模擬電機(jī)非線性特性，是業(yè)內(nèi)主流的電機(jī)建模方式。但是電機(jī)的有限元模型無法直接應(yīng)用于仿真設(shè)備，只能通過生成查表模型在數(shù)字處理器中應(yīng)用，但常用數(shù)字處理器的采樣頻率和處理速度無法滿足SHIL仿真對(duì)快速性和準(zhǔn)確性的要求，所以在SHIL中電機(jī)的有限元模型往往應(yīng)用于特定的仿真設(shè)備（例如RT-LAB），模型的通用性不足。電機(jī)的標(biāo)幺化建模能適應(yīng)不同功率等級(jí)的電機(jī)，方便參數(shù)的調(diào)整，但是建模過程繁瑣、計(jì)算量大。隨著SHIL技術(shù)的發(fā)展，要求電機(jī)模型不僅能模擬電機(jī)的非線性特點(diǎn)，還要具有較高的通用性，能適用不同類型仿真設(shè)備和功率等級(jí)，滿足電機(jī)SHIL仿真對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。SHIL的板卡依據(jù)功能分為故障注入板卡、信號(hào)調(diào)理板卡、電阻板卡等。測(cè)試對(duì)象的不同，SHIL使用的板卡也不同。SHIL板卡的發(fā)展應(yīng)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(cè)試對(duì)象信號(hào)傳輸。目前業(yè)界的SHIL仿真多集中單一的部件測(cè)試，SHIL的未來發(fā)展重心是多部件系統(tǒng)級(jí)的仿真測(cè)試。

PHIL在SHIL的基礎(chǔ)上添加了功率轉(zhuǎn)換器和傳感器。將仿真設(shè)備的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓、電流，將被測(cè)設(shè)備反饋的電壓、電流轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)備和被測(cè)設(shè)備之間的功率交互，更接近真實(shí)的環(huán)境。功率硬件在環(huán)仿真的三個(gè)關(guān)鍵部分為：1）建立能準(zhǔn)確模擬電機(jī)端口特性的電機(jī)模型；2）PHIL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；3）電流跟蹤控制策略。由于PHIL中的電機(jī)模型需要根據(jù)傳感器的采樣信息模擬真實(shí)電機(jī)的端口特性，對(duì)PHIL電機(jī)模型的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求?，F(xiàn)階段電機(jī)模型求解方法多采用歐拉法、梯形法和Adams離散電機(jī)模型。歐拉法精度低；梯形法精度高但計(jì)算復(fù)雜；Adams在合適步長下具有較高的計(jì)算精度，適用于DSP等處理器完成電機(jī)模型的數(shù)值求解。為了滿足PHIL電機(jī)模型數(shù)值求解對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求，雙線性變換、后向拆分法和逆Z變換等數(shù)值求解方法也逐步在PHIL中得到應(yīng)用，新型數(shù)值求解方法的推導(dǎo)應(yīng)用將是PHIL電機(jī)模型發(fā)展的一個(gè)重要方向。

PHIL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含功率轉(zhuǎn)換裝置，使PHIL可以進(jìn)行極限工況和故障條件下的模擬實(shí)驗(yàn)，可信度較高?，F(xiàn)階段的PHIL多以PWM整流器為功率轉(zhuǎn)換器件，以背靠背的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)PHIL電能的雙向流動(dòng)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(jī)模型數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性要求。所以可編程的功率級(jí)電流源和功率放大器也逐漸被業(yè)內(nèi)接受，廣泛應(yīng)用于PHIL的功率轉(zhuǎn)換中。而新型功率器件的研發(fā)能提高PHIL模擬的功率等級(jí)，開發(fā)更多的系統(tǒng)架構(gòu)方案。在PHIL系統(tǒng)中，由于功率轉(zhuǎn)換器件的引入，使得傳統(tǒng)的電流控制策略無法準(zhǔn)確跟蹤指令電流，造成較大的穩(wěn)態(tài)誤差?；诙杂啥鹊膬?nèi)?？刂坪途€性預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)臒o差拍控制器都是通過對(duì)現(xiàn)有電流跟蹤控制策略和控制器的改進(jìn)，來提高電流跟蹤的準(zhǔn)確性。隨著業(yè)界對(duì)高功率設(shè)備仿真測(cè)試需求的增高，電流跟蹤控制策略的改進(jìn)和開發(fā)將是PHIL研究的重點(diǎn)方向之一。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)功率硬件在環(huán)仿真的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也得到了提高，PHIL將朝著高功率等級(jí)的方向發(fā)展。PHIL也將逐步替代SHIL成為業(yè)界內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿真和測(cè)試的首選，我們的未來研究將沿著這個(gè)方向進(jìn)行。