10.16638/jki.1671-7988.2019.18.044
党美婷，任佳越，杨启东
（长安大学汽车学院，陕西西安710054）育贤实验学校初中部
摘要：文章阐述了基于dSPACE的永磁同步电机控制器硬件在环的测试原理，从硬件和软件两个方面分别搭建了硬件在环仿真测试平台。在所搭建的平台上对永磁同步电机控制器进行硬件在环仿真测试，测试结果表明，该永磁同步电机控制器有着良好的功能性以及该硬件在环仿真测试平台能够对控制器进行有效测试，缩短了控制器的开发周期，减少了开发费用。
关键词：电机控制器；dSPACE；硬件在环
中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)18-131-04
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 )
2005梦想中国Abstract: 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.
Keywords: Motor controller; dSPACE; Hardware-in-the-loop
CLC NO.: TM306 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)18-131-04
引言
新能源汽车在解决能源危机和环境污染方面发挥着不可替代的作用，而纯电动汽车在新能源汽车中又占据着十分重要的地位。纯电动汽车由主要电池、电机及驱动系统、整车控制器及相关辅助系统组成[
1]。电机和控制器是电动汽车的驱动部分。电动汽车控制器就像电动汽车的心脏一样，是电动汽车核心部件，它的作用是控制动力电池与电机之间的能量交流输导[2]。硬件在环测试是V字型开发路线中重要的一环，全球各大汽车厂商都非常重视硬件在环测试这一阶段，因为硬件在环测试可以大大减少开发周期，很大程度上减少研发费用的浪费[3]。国外大型汽车公司如大众、宝马、奔驰、现代、福特等，已经将硬件在环测试纳入到他们的整车开发平台中[4]。硬件在环测试系统有几种比较成熟的方案：德国的Dspace系统；德国Etas公司的Lab Car系统；National Instrument的PXi系统；基于MATLAB的xPC target系统[5]。dSPACE具有先进的硬件处理器和具备高速的运算能力，并且具有丰富的I/O口，足够可以完成系统配置、代码生成下载以及功能调试等功能[6]。本文阐述了基于dSPACE的永磁同步电机控制器硬件在环的测试原理，对电机控制器进行有效测试，并通过测试结果验证电机控制器的功能性和电机控
作者简介：党美婷（1996-），女，长安大学汽车学院硕士，研究方
向：新能源汽车HIL测试。
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汽车实用技术
132 制器硬件在环仿真测试平台的有效性。
单增李斯特菌
1 硬件在环测试基本原理
1.1 硬件在环测试原理
硬件在环（Hardware-in-the-loop ）仿真测试系统，是将搭建好的仿真模型编译下载到机柜板卡中，机柜通过I/O 接口与被测控制器相连，通过实时在线运行模型来模拟控制器的运行环境，使控制器判断处于真实的环境中，从而对被测控制器进行全方面的、系统的测试。该系统能够实现在实验室环境下进行边开发边测试，可以减少车型开发周期；可以设置各种极端工况和故障工况，安全可靠，减少了实车测试的开发费用。
1.2 永磁同步电机控制器硬件在环测试原理
永磁同步电机控制器（下称“MCU ”）HIL 测试系统主要包括以下几个部分：dSPACE 机柜、待测MCU 、上位机以及电机驱动系统模型。
如图1所示，在MCU HIL 测试系统中，永磁同步电机控制器是真实的控制器，而永磁同步电机、逆变器、旋转变压器等采用仿真的模型。在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，将编译好的模型下载到dSPACE 机柜中，通过机柜板卡接口与真实的MCU 相连接，互相传递信号。
图1 电机驱动系统硬件在环原理图
2 系统硬件测试平台的开发
2.1 概述
MCU HIL 测试系统的硬件平台包含三个部分：上位机、dSPACE 机柜和永磁同步电机控制器。上位机主要用来开发测试管理界面，在测试过程中进行手动测试用例的执行以及测试过程的监测；dSPACE 机柜中含有多种板卡资源，每一种板卡会有多个ADC 、DAC 、DIGIN 和DIGOUT 等通道类型，可以进行选择。 2.2 硬件系统开发
永磁同步电机控制器采用的是某一纯电动汽车的MCU 。MCU HIL 测试实时硬件系统采用的是德国dSPACE 公司的SCALEXIO 系统的硬件平台，资源板卡包括3个DS2680板卡、1个DS2655板卡和1个反倾销条例
DS2671板卡。其中，DS2680
板卡有22路模拟输入ADC 通道、32路模拟输出DAC 通道、30路DIGIN 通道、28路DIGOUT 通道、12路电阻模拟Resistance Out 通道、18路可变输入Flexible_IN 通道；DS2655是可编程的FPGA 板卡，用于计算速度要求较快、计算精度要求较高的模块，包括5路模拟输入ADC 通道、5路模拟输出DAC 通道以及10路Digital I/O 通道；DS2671是支持CAN/LIN/FlexRay 的总线通讯板卡，有4路通道。
3 系统软件测试平台开发
3.1 概述
MCU HIL 测试系统软件平台包含：搭建电机驱动系统模型、开发测试管理界面。 3.2 电机驱动系统模型
电机驱动系统模型由两部分组成：主处理器模型和FPGA 模型。FPGA 模型结构如图2所示，FPGA 模型的处理速度可以达到8ns 级的仿真步长，由于电机、逆变器以及旋转变压器等模块运算速度要求较高，所以将其搭建在FPGA 模型中。
图2 FPGA 模型
主处理器模型的运算速度较低，所以将一些对运算速度要求不高的模块搭建在主处理器模型中。图3是主处理器模型结构。Environment_Control 是环境参数配置模块，在这个模块中可以设置母线电压、电机转速和转矩等参数。
Model 包括像测功机模型以及母线电流模型这种在系统中运算速度较慢的模型。在FPGA 模型中也包含测功机模型，可以在Environment_Control 中选择测功机模型运行在哪一部分中。
图3 主处理器模型
eDrive 是主处理器模型与FPGA 模型相互传递信号的关键环节，包括了Register 模块、Buffer Interface 模块等。其中主处理器模型和FPGA 模型是通过Buffer Interface 来互相传
党美婷 等：基于dSPACE 的电机控制器硬件在环测试研究
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递信号的。
3.3 开发测试管理界面
运用dSPACE 公司开发的ControlDesk 软件来开发测试管理界面，对整个测试进程进行监控与监测，拥有虚拟仪表显示、数据监测、变量赋值等功能。
图4为MCU 硬件在环仿真测试平台，根据MCU 测试需求，将测试界面划分为电源控制、虚拟仪表显示、开环参数设定、电机控制模式、电机状态检测、旋变参数设定、故障检测以及变量采集等模块。MCU 信号与其中每一个模块的信号对应连接，各个模块可以实现监测与采集MCU 信号，也可以仿真模拟信号发给MCU 。
图4 MCU 硬件在环仿真测试平台
4 MCU HIL 测试用例与验证
4.1 MCU HIL 测试用例设计
根据MCU 的功能规范，可以设计比较全面的覆盖范围较高的测试用例对MCU 进行测试。目前开发测试用例的方法主要有黑盒测试和白盒测试。黑盒测试是功能性测试，不需要考虑控制器内部程序逻辑，根据输入变量来观察输出结果是否为期望值。本文采用的就是黑盒测试。
本文测试用例设计包含了MCU 状态切换、MCU 控制功能、MCU 数据采集、MCU 故障保护、MCU 输出测试、MCU 异常工况、MCU 总线通讯这7个方面，测试覆盖度较高。 4.2 MCU 测试结果验证
永磁同步电机硬件在环测试实物图如图5所示。
图5 永磁同步电机硬件在环测试实物图
本文将主要阐述MCU 控制功能和MCU 故障保护测试这个方面。
4.2.1 MCU 控制功能
MCU 控制功能测试主要包括了在多种不同的工况下，MCU 是否能准确监测电机转速与转矩的变化。本文主要介绍在转矩控制模式下，初始条件为转速为2000rpm ，转矩50Nm ，MCU 监测电机转速和转矩变化的情况。如图6所示，初始电机转速设置为2000rpm ，初始转矩为50Nm ，在2.2s 时，MCU 监测到的电机实际转速达到2000rpm ，结果表明了MCU 能准确监测到电机转速的变化。在4.5s 时，设置转矩为100Nm ，在 5.5s 时，MCU 监测到的电机实际转矩达到100Nm ，结果表明了MCU 能准
确监测到电机转矩的变化。
蛋白gg
图6 MCU 转速与转矩
4.2.2 MCU 故障保护测试
MCU 故障保护测试涵盖范围比较广，本文主要介绍过压故障保护、电机控制器温度故障保护和超速故障保护。
当直流母线电压数值超过420V 但低于430V 时，MCU 会触发一级故障，当母线电压数值低于420V 时，MCU 恢复正常工作；当直流母线电压数值超过430V 但低于440V 时，MCU 会触发二级故障，当母线电压数值低于420V 时，MCU 恢复正常工作；当直流母线电压数值超过440V 时，MCU 会触发三级故障，必须进行上电下电操作，MCU 才能恢复正常工作。如图7所示，在电机转速为2000rpm ，转矩为50Nm 时，改变直流母线电压数值为425V 时，当MCU 实际电压值跟随超过420V 时，电机控制器立刻触发一级故障保护；当MCU 实际电压值降低至420V 以下时，电机控制器恢复正常工作。从测试结果可以看出，MCU 可以检测到过压故障且能够实现自我保护功能。
图7 MCU 过压故障保护
当电机控制器温度位于90度至95度时，MCU 触发一
新闻摄影学级故障，当控制器温度低于90度时，MCU 恢复正常工作；当电机控制器温度位于95度至105度时，MCU 触发二级故障，当控制器温度低于95度时，MCU 恢复正常工作；当电
汽车实用技术
134 机控制器温度大于105度时，MCU 会触发三级故障，必须进行上电下电操作，MCU 才能恢复正常工作。如图8所示，在电机转速为2000rpm ，转矩为50Nm 时，设置控制器温度为98度，当MCU 实际温度值跟随超过95度时，电机控制器立刻触发一级故障保护；当MCU 实际温度值降低至95度以下时，电机控制器恢复正常工作。从测试结果可以看出，MCU 可以检测到控制器温度故障并且能够进行自我保护。
图8 MCU 温度故障保护
图9 MCU 转速故障保护
当电机转速数值超过12000rpm 但低于12500rpm 时，MCU 会触发一级故障，当电机转速数值低于12000rpm 时，MCU 恢复正常工作；当电机转速数值超过12500rpm 但低于13000rpm 时，MCU 会触发二级故障，当电机转速数值低于12500rpm 时，MCU 恢复正常工作；当电机转速数值超过13000时，MCU 会触发三级故障，必须进行上电下电操作，
MCU 才能恢复正常工作。如图9所示，初始时电机转速为0rpm ，转矩为50Nm 时，改变电机转速数值为12700rpm 时，当MCU 实际转速值跟随超过12700rpm 时，电机控制器立刻触发二级故障保护；从测试结果可以看出，MCU 可以检测到超速故障。
5 结论
本文基于dSPACE 搭建了永磁同步电机控制器硬件在环仿真测试平台，详细介绍了MCU 硬件测试平台的开发、软件测试平台的开发、测试用例的设计、MCU 控制功能测试以及故障保护测试的实施。仿真测试结果验证了永磁同步电
机控制器的功能性和该永磁同步电机控制器硬件在环仿真测试平台的有效性。
参考文献
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