电机控制器硬件在环测试解决方案

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1、服务客户·持续创新·创造价值电机控制器硬件在环测试解决方案电动汽车驱动电机控制技术是电动汽车关键技术之一。近年来，现代控制理论的发展、新型大功率电力电子器件的出现以及微机数字控制技术日臻完善，直接促进了电机控制技术的迅速发展。国内外厂商已经研制出适用于各种类型电动汽车的电机控制器(MCU)，如图1所示，为几种常用的电动汽车电机控制器。图1常用的电动汽车电机控制器电动汽车对MCU的功率密度、效率、控制性能、可靠性等方面都有很高要求，需要对MCU进行全面的测试，其中对MCU控制性能的测试主要包括：电

2、机转矩-转速特性及效率电机及其控制器的过载能力堵转转矩和堵转电流再生能量回馈特性最高工作转速与超速通信功能电压波动保护功能故障诊断在传统的MCU测试中，除了电机之外，还需要使用大功率直流电源、测功机、数据采集等设备，传统的MCU测试设备体积大，造价高，需要专门的配套实验室。即使有了测试环境与测试工具，传统的MCU测试方法还存在以下问题：需要使用大功率电源并耗费大量电能测试过程繁琐，耗费大量人力物力电机及其控制器在极端运行环境下有较大的安全风险测试重现性较差，无法进行自动化测

3、试www.ecucoder.com1/7服务客户·持续创新·创造价值使用硬件在环(HIL)测试方法，可以克服传统MCU测试过程中的问题，使得MCU测试更安全、更有效。在大功率电机测试台架测试电机及其控制器之前先用HIL设备对电机控制器进行测试验证可以降低大功率测试的风险与成本，缩短测试周期。MCU硬件在环测试的基本原理MCU硬件在环测试的基本原理是通过HIL设备模拟MCU所需的传感器信号，同时采集MCU发出的控制信号，MCU与运行在HIL设备中的电机模型构成闭环，由此实现MCU的硬件在环测试。如图

4、2所示，为电动汽车电机控制常用的矢量控制系统，在HIL测试时，逆变器、异步电机包括各类传感器以模型的方式在HIL设备中实时运行，矢量控制算法包括故障诊断策略在电机控制器中运行，两者通过IO板卡相连接，实现闭环运行。图2异步电机矢量控制系统电动汽车驱动电机（包括永磁同步电机、直流无刷电机、永磁同步电机等）是一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，图3所示为异步电机T形等效电路，该模型运算量大，不适用于HIL测试；交流电机的矢量变换控制技术利用旋转坐标变换将交流电机等效为一个直流电机，从而使得磁链和转矩

5、可以解耦控制，图4右图所示为基于转子磁场定向的异步电机模型。为了实时又精确地模拟电机特性，本方案使用了基于转子磁场定向的异步电机模型，模型考虑了电机参数在电机运行过程中的变化，可以准确地描述电机特性。www.ecucoder.com2/7服务客户·持续创新·创造价值II'12rjxr'jx'1122rmUEE'112r'(1s)/s2jxm图3异步电机T形等效电路(L/L)/pmru1isdLm1sdRLpp1/rTLssrrLs1rnpTJpeLsd1Laxis

6、usqmRssLpisqLrLL/axismr图4基于转子磁场定向的异步电机模型MCU的PWM开关频率往往高达10kHz甚至几十kHz，因此，MCU硬件在环测试的核心在于PWM驱动信号的准确采样以及电机电流、转矩、磁链等的实时计算。在本方案中，将电机模型分为高速的绕组模型与低速的机械模型两部分。高速的绕组模型采集PWM驱动信号，计算得到电机电流、转矩、磁链等，绕组模型在FPGA上运行，典型运行周期为100ns。低速的机械模型根据电机转矩、负载转速等信息计算得到电机转速、温度、车速等，机

7、械模型在实时处理器上运行，典型运行周期为1ms。图5电机仿真方案www.ecucoder.com3/7服务客户·持续创新·创造价值电机模拟FPGA板卡基本特性如下：100ns的采样时间，可以仿真各类电机可以仿真IGBT、MOSFET、IPM等功率器件可以仿真瞬态电流与电流纹波MCU硬件在环测试典型测试项1.电机驱动功能测试将MCU与HIL设备相连，利用电机与车辆模型仿真电机驱动车辆起步、加速、匀速行驶的过程，也可利用HIL设备的CAN节点仿真功能仿真整车控制器向MCU发送驱动扭矩指令，测试M

8、CU的基本驱动功能，也可仿真电机转矩-转速特性及效率，此过程可通过执行测试脚本自动进行。2.电机制动能量回收功能的测试利用电机与车辆模型仿真车辆缓慢刹车、急刹车等工况，也可利用HIL设备的CAN节点仿真功能仿真整车控制器向MCU发送制动扭矩指令，测试MCU的电机制动能量回收功能。3.热管理功能测试通过HIL设备控制温度传感器模拟单元的值，采集散热风扇的动作，分析数据，得出散热风扇各项动作时的温度值，判断MCU热管理功能是否达到要求。4.通信功能测试利用HIL设备的CAN节点仿真功能