基于VT系統(tǒng)的電驅(qū)及功率級器件的閉環(huán)測試

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，電機控制器的復雜性和重要性日益增加。電機控制器作為新能源汽車核心三大件部件之一，同時也廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中。電機控制器通過控制算法發(fā)出指令驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)對電機扭矩/轉(zhuǎn)速的控制。為了在軟/硬件開發(fā)前期快速驗證應(yīng)用層算法功能及基礎(chǔ)軟件質(zhì)量，同時實現(xiàn)極限工況驗證和復雜場景復現(xiàn)，硬件在環(huán)（HIL）測試在整個電機控制器開發(fā)過程中扮演著重要的角色，能夠降低各類電機控制器開發(fā)成本，加快研發(fā)進度，因此備受整車廠和供應(yīng)商的重視。電機控制器信號級閉環(huán)HIL測試以其低成本、高安全性及高靈活度等特性，受到廣泛青睞。

電機控制器整體簡介

以永磁同步電機（PMSM）控制器為例，主要由微控制器（MCU控制板）、逆變器、傳感器、散熱組件和殼體等部件組成。其中MCU控制板接收整車控制器的指令，運行電機控制算法，發(fā)出控制信號給逆變器；逆變器接收MCU控制板信號，高頻控制IGBT/MOSFET半導體功率器件通斷，逆變輸出三相交流電，從而控制電機轉(zhuǎn)動；傳感器負責電機本體和逆變器反饋信號的采樣，用于MCU控制板中控制算法的閉環(huán)。

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電機控制器邏輯連接圖

MCU控制板到逆變器的信號控制原理

在PMSM電驅(qū)動系統(tǒng)當中，逆變器負責將動力電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓的交流電壓，進而提供給驅(qū)動電機。從工作原理上來看，在電源與負載之間至少設(shè)置三組開關(guān)形成三相橋，通過控制開關(guān)的通斷，改變經(jīng)過負載的電流方向，從而得到平均電流為零且方向會隨著時間變化的交流電。

以圖2典型三相電壓源逆變器為例，Ua、Ub、Uc是逆變器的電壓輸出，Q1到Q6是6個功率晶體管，分別被a、a’、b、b’、c、c’這6個控制信號控制。當逆變器同相上半橋部分的各個功率晶體管導通時，其下半橋部分的功率晶體管將會對應(yīng)關(guān)閉。因此上半橋為0或者1的狀態(tài)，將決定Ua、Ub、Uc三相輸出電壓的波形情況。

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典型三相電壓源逆變器拓撲圖

從圖2中不難看出，因為開關(guān)變量矢量[a、b、c]有8個不同的組合值，故其輸出的相電壓和線電壓有8種對應(yīng)組合，其與輸出的線電壓和相電壓對應(yīng)關(guān)系如表1。

表

功率晶體管開關(guān)狀態(tài)和對應(yīng)輸出線電壓、

相電壓的關(guān)系

其中UAN、UBN、UCN表示3個輸出的相電壓，UAB、UBC、UCA表示3個輸出的線電壓。因此通過MCU控制板高頻控制開關(guān)器件通斷，便可以改變逆變器電路輸出的電壓大小和頻率。

PWM調(diào)制技術(shù)可以通過一系列寬窄不等的脈沖進行調(diào)制，等效生成正弦波形（修改幅值、相位和頻率），這樣輸出的波形具有平滑且低次諧波少等特點。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。此技術(shù)因控制理論成熟，控制效果優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于MCU控制板和逆變器的驅(qū)動鏈路中。

在電機控制器中一般還會有冷卻系統(tǒng)，通過逆變器內(nèi)的溫度傳感器，監(jiān)測逆變器內(nèi)部的溫度變化。當溫度過高時（變頻、升壓、頻繁通斷開關(guān)器件均會導致溫度升高），MCU控制板會接收到溫度傳感器發(fā)出的信號，并根據(jù)算法控制散熱組件對逆變器進行降溫，對電機進行降速等操作。

逆變器到電機的信號原理

以PMSM永磁同步電機為例，電機主要由永磁體制造的轉(zhuǎn)子，帶有線圈繞組的定子和位置傳感器（可選）組成。當定子線圈通電后，通過改變輸入到定子線圈上的電流改變頻率和波形，在定子線圈周圍形成一個繞電機幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁體轉(zhuǎn)動，電機便會轉(zhuǎn)動起來。

針對于PMSM永磁同步電機，使用FOC法進行控制，能夠精確地控制磁場大小與方向，使得電機的運動轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，同時具有噪聲小、效率高、具有高速的動態(tài)響應(yīng)等特點。

通過三相全橋的PWM調(diào)節(jié)三個相線上的電流（灰色），三個方向矢量合成的磁場方向（紅線）可以指向一周的任意方向，在三個線圈上的電流和為0。通過測量/計算得到當前線圈的三個電流（灰色），即可獲知當前線圈的磁場方向，通過Clark變換和Park變換，將三相電流轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子磁鏈方向（d軸，直軸）和轉(zhuǎn)子磁鏈垂直方向（q軸，交軸）的電流，其中d軸用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場疊加的磁場，q軸用于扭矩大小和方向的控制，實現(xiàn)對勵磁電流和扭矩電流的解耦，從而完成對電機的精準控制。

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三個方向矢量合成的磁場方向

MCU控制板HIL系統(tǒng)整體簡介

HIL測試系統(tǒng)通過軟硬件仿真的方式，為被測控制器提供正常運行所需的供電、總線通訊、傳感器輸入、被測對象輸出測量等資源，使被測控制器在實驗室環(huán)境且無需依賴真實部件的情況下運行并進行測試驗證。MCU控制板作為電機控制器的控制算法核心，其HIL測試系統(tǒng)使用數(shù)學模型來表示整個系統(tǒng)的物理狀態(tài)并使用IO板卡連接到MCU控制板，從而實現(xiàn)對MCU控制板的代碼和硬件電路測試。在MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試中，僅MCU控制板使用真實硬件，其余部件均通過數(shù)學模型和硬件IO進行模擬。根據(jù)上述介紹，需要進行仿真的數(shù)學模型主要有電機模型、逆變器模型和傳感器模型。

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MCU控制板信號級HIL測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

在建模時需根據(jù)實際被控對象選擇電路拓撲模型或數(shù)學模型，電路拓撲模型主要通過電力電子器件進行搭建，其特點是操作簡便，方便用戶進行建模，同時還有部分集成好的模型可供用戶使用，如MATLAB/Simulink模塊庫中便有一些成熟的電機和逆變器模型；而數(shù)學建模主要是通過將物理對象數(shù)學化，方便在模型中加入一些自定義元素，如對模型的具體參數(shù)做動態(tài)修改，同時方便移植到不同平臺中。實際應(yīng)用時，可根據(jù)MCU控制板測試需求進行取舍。

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電機模型

對于一個星形連接的三相電機，該電機模型和電壓方程如下所示：

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三相星形連接電機模型和電壓方程示意圖

其中R為電阻，Ld、Lq為繞直軸和交軸的電感，Ψ為磁通量，為磁場旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

通過d軸和q軸電流，可以得到電磁力矩方程： =3/2(Ψ + ( ? ) )；其中為電機力矩，為電機極對數(shù)。

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逆變器模型：

逆變器模型主要由6個IGBT/MOSFET和6個反向二極管構(gòu)成，每2個IGBT/MOSFET和反向二極管組成1個H半橋，一共3個H半橋。通過對集電極/漏極和發(fā)射極/柵極的電壓進行參數(shù)化，可以實現(xiàn)對IGBT/MOSFET功率器件的模擬。由于IGBT/MOSFET是非理想開關(guān)器件，其開通和關(guān)斷時間不是嚴格一致的，因此在進行模型參數(shù)化設(shè)置時，應(yīng)注意“死區(qū)時間”的設(shè)置。

施加到電機上的電壓主要由6個功率器件狀態(tài)和它們的集電極/漏極和發(fā)射極/柵極電壓所決定。

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逆變器模型原理圖

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傳感器模型：

傳感器模型主要包含位置傳感器模型、電流傳感器模型、電壓傳感器模型、溫度傳感器模型等。以常用的位置傳感器模型為例，旋轉(zhuǎn)變壓器將轉(zhuǎn)子角度和速度信號轉(zhuǎn)換為正余弦信號，MCU控制板通過對該旋變信號的解碼得到所需的位置信息。將旋轉(zhuǎn)變壓器模型進行數(shù)學方程簡化，可以得到激勵信號和旋變輸出電壓的數(shù)學關(guān)系：

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旋轉(zhuǎn)變壓器模型原理圖

基于VT5838進行信號級電機閉環(huán)仿真

針對上述需求，Vector推出VT5838多I/O高速VT板卡。該板卡可以獨立放置于桌面式6槽小型VT System機箱中使用，也可以配合其他供電、總線、低速I/O信號VT System板卡使用，實現(xiàn)完整的MCU控制板的信號級HIL測試系統(tǒng)。VT5838還可以滿足DC/DC、AC/DC等信號級閉環(huán)測試需求，被控對象高速閉環(huán)仿真也可通過VT5838實現(xiàn)。使用VT5838需要配合CANoe 17.0及以上版本使用。

VT5838能夠提供16路數(shù)字I/O、8路模擬輸入、6路單端模擬輸出，8路單端或4路差分可配置的模擬輸出接口。搭載用戶可編程的FPGA芯片，支持進行各類電機模型、逆變器模型、旋轉(zhuǎn)變壓器/溫度等傳感器模型的建模和仿真，并通過自身I/O資源與MCU控制板進行數(shù)據(jù)交互。VT5838各I/O通道詳細技術(shù)指標如下表所示。

表

VT5838板卡詳細技術(shù)指標

在進行MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試時，VT5838接收的PWM信號一般為高于10kHz的調(diào)制信號。為了獲取精確的采樣結(jié)果，仿真模型的仿真頻率一般至少10倍于MCU控制板的頻率。因此在仿真建模時，模型的步長設(shè)置會小于10μs。如果模型在PC或常規(guī)實時系統(tǒng)上運行，由于硬件及軟件架構(gòu)限制，仿真步長無法保證。而當模型在FPGA上運行時，由于FPGA具有強大的運算能力和專用資源，能夠得到理想的仿真結(jié)果。VT5838搭載Intel Cyclone V系列芯片，該芯片有300k個邏輯處理單元，最高可支持80MHz的時鐘頻率，能夠滿足IGBT/MOSFET、電機、旋變信號等模型步長的要求。通過Simulink和Intel提供的DSP Builder Advanced Block Set進行各類電機、逆變器、位置傳感器/溫度傳感器的數(shù)學建模，匹配VT5838的硬件I/O接口，編譯生成可執(zhí)行文件，利用VT System FPGA Manager工具將編譯后的模型部署到FPGA芯片中。

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FPGA仿真建模工具鏈使用

以之前描述的MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試為例，MCU控制板共輸出6個PWM和1對旋變勵磁信號給VT5838板卡，其中6個PWM用于高頻控制IGBT器件通斷驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；勵磁激勵信號用于旋變模型的勵磁線圈產(chǎn)生交流基準源磁場；VT5838可以反饋3個相電流、1個母線電壓、1個母線電流和2對旋變信號給MCU控制板，其中：逆變器模型通過接收MCU控制板6個PWM信號產(chǎn)生3相交流電壓；電機模型根據(jù)電機固有參數(shù)和3相電壓反饋出3相電流供MCU控制板進行閉環(huán)控制運算；模型輸入母線電壓可通過CANoe用戶界面自定義設(shè)置，電壓傳感器模型根據(jù)用戶設(shè)置信息，將母線電壓調(diào)理成MCU控制板所需要的電壓，并通過VT5838模擬量輸出通道發(fā)送給MCU控制板；旋轉(zhuǎn)變壓器（位置傳感器）模型根據(jù)勵磁激勵信號和電機位置信息計算出正余弦函數(shù)的調(diào)幅信號供MCU控制板解析出電機的位置信息。同時，用戶可在Simulink模型中自定義添加系統(tǒng)變量，方便在CANoe監(jiān)視界面進行數(shù)據(jù)配置和查看，如電機速度、扭矩、反電動勢等模型運行過程中的信息。

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基于VT5838 MCU控制板信號級閉環(huán)HIL邏輯圖

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使用MATLAB/Simulink和DSP Builder搭建VT5838 FPGA模型及VT5838使用方法如下：

1.

使用Simulink和DSP Builder Advanced Block Set工具進行數(shù)學建模及編譯；

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Simulink中搭建“逆變器+電機+傳感器”模型

2.

將編譯后的文件使用FPGA Manager部署于VT5838的FPGA芯片中；

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FPGA Manager 配置按鈕

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FPGA Manager 導入VT5838模型工程

導入VT5838模型后，按如圖順序查看模型中匹配的CANoe系統(tǒng)變量，點擊步驟3 Persist，即可完成編譯后的模型文件到FPGA芯片的部署。

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FPGA Manager 查看CANoe系統(tǒng)變量信息

配置完成后，按照VT System正常操作，點擊Hardware - VT System Configuration - Adapt to Connected Modules獲取已連接配置的VT System板卡信息，在該界面中可勾選CANoe和FPGA模型之間的接口變量和參數(shù)信息。然后點擊Hardware - VT System Control進入VT System控制面板，進入VT5838的控制監(jiān)視界面，從而進行MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試。

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VT5838 CANoe監(jiān)視界面

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信號采集示例：

1.

逆變器作為關(guān)鍵執(zhí)行器，對數(shù)字信號采集頻率要求很高。MCU控制板在啟動時，VT5838將采集到的PWM信息傳遞給自身的逆變器模型，然后逆變器模型將調(diào)制后的電壓波形實時輸出。下圖是MCU控制板啟動時，示波器撲獲到VT5838采集的PWM信號和輸出的A相電流效果圖：

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VT5838數(shù)字信號采集和模擬量輸出效果圖

2.

旋轉(zhuǎn)變壓器模型將控制器輸入的勵磁信號進行調(diào)制，獲得帶有位置信息的正弦和余弦信號，并將其以差分模擬信號的方式輸出，下面給出VT5838在電機1000rpm下通過示波器采集的旋變信號輸出信號。

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旋變信號輸出示波器采集效果圖

3.

IGBT高頻通斷，輸出三相電壓，控制電機轉(zhuǎn)動，電機反饋三相電流給MCU控制板，用于閉環(huán)控制。下面以A相電流為例，通過示波器采集電機從0rpm啟動至1000rpm時，VT5838對A相電流的輸出波形。

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VT5838輸出A相電流示波器采集效果圖

綜上，可通過仿真建模、可執(zhí)行文件部署、上位機界面控制等步驟實現(xiàn)典型的MCU控制板信號級閉環(huán)HIL測試。當需要進行其它類型的閉環(huán)HIL測試時，可通過仿真建模環(huán)節(jié)完成與被測控制器的適配。Vector中國的項目服務(wù)團隊可根據(jù)客戶需求，提供基于VT5838板卡的各類電機及功率器件FPGA模型定制開發(fā)服務(wù)及機柜集成服務(wù)。