一种HIL仿真测试方法及系统与流程

本申请涉及仿真技术领域，特别是涉及一种HIL仿真测试方法及系统。

背景技术：

随着混合动力汽车以及纯电动汽车的不断发展，电机控制策略的复杂性日益提升，对电机控制器的开发环境的需求也在增长。电机控制器在研发过程中需要进行控制功能测试、故障注入测试、CAN通信测试等，HIL(Hardware-in-the-Loop，硬件在环)仿真测试系统可以用来对电机控制器进行测试。

HIL仿真测试系统是以实时处理器运行电机模拟器的仿真模型来模拟受控对象的运行状态，对被测控制器进行全方面、系统地测试的。HIL仿真测试系统可以在无电机以及测功机的环境下完成对电机控制功能的验证，克服传统测试方法所带来的价格昂贵、维护密集、动态效应有限等缺陷，能够减少实车路试的次数、缩短开发时间、降低开发成本，具有较高的安全性、可行性和合理性，从而能够全面提升电机控制器的研发和设计水平。

现有技术在采用HIL仿真测试系统仿真电机模拟器对被测控制器进行测试时，需要将被测控制器与电机模拟器通过相应的电气元件进行连接，被测控制器用于向电机模拟器输出控制信号，电机模拟器在实时仿真机的控制下模拟受控对象的运行状态，通过采集被测控制器与电机模拟器之间的电流，使采集的电流跟踪给定电流，对电机模拟器进行反馈控制，就可以完成对被测控制器的控制效果以及性能指标的验证。

但是，在利用HIL仿真测试系统进行仿真测试时，对电机模拟器采用的反馈控制方法难以达到高精度的电流跟踪要求，跟踪效果较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供一种HIL仿真测试方法及系统，以提高电机模拟器电流跟踪精度，提升动态跟踪性能。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种HIL仿真测试方法，应用于对被测控制器进行测试的HIL仿真测试系统中，所述HIL仿真测试系统包括电机模拟器，所述被测控制器包括电机控制器和电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机模拟器相连接，所述方法包括：

采集所述电机驱动器与所述电机控制器之间的反馈电流，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；

采集所述电机驱动器的桥臂电压，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；

根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，并根据所述复合控制律控制所述电机模拟器，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

优选地，所述根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律，包括：

根据所述反馈电流与预设的参考电流，生成传递函数为的反馈控制律f(i^*-i)；

其中，K_p为所述反馈控制律的比例系数，K_i为所述反馈控制律的积分系数，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流，s表示复数域。

优选地，所述根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律，包括：

根据所述桥臂电压与预设的一阶低通滤波器，生成传递函数为的前馈控制律

其中，V₀为所述桥臂电压，dV₀为前馈量，s表示复数域。

优选地，所述根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，包括：

根据所述反馈控制律f(i^*-i)和所述前馈控制律生成复合控制律

其中，为所述前馈控制律，f(i^*-i)为所述反馈控制律，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流。

优选地，所述根据所述复合控制律控制所述电机模拟器，对所述被测控制器进行HIL仿真测试，包括：

根据所述复合控制律产生第一PWM控制信号；

按照预设频率对所述第一PWM控制信号进行脉冲分配，根据所述第一PWM控制信号的脉冲顺序，将所述第一PWM控制信号的不同脉冲输出到对应的通道中，形成多路第二PWM控制信号；

将多路所述第二PWM控制信号发送给所述电机模拟器，以控制所述电机模拟器模拟电机在所述被测控制器的控制下的运行状态，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

一种HIL仿真测试系统，用于对被测控制器进行测试，所述HIL仿真测试系统包括电机模拟器，所述被测控制器包括电机控制器和电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机模拟器相连接，所述HIL仿真测试系统还包括：

反馈控制模块，用于采集所述电机驱动器与所述电机控制器之间的反馈电流，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；

前馈控制模块，用于采集所述电机驱动器的桥臂电压，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；

复合控制模块，用于根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，并根据所述复合控制律控制所述电机模拟器，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

优选地，所述反馈控制模块，具体用于：

根据所述反馈电流与预设的参考电流，生成传递函数为的反馈控制律f(i^*-i)；

其中，K_p为所述反馈控制律的比例系数，K_i为所述反馈控制律的积分系数，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流，s表示复数域。

优选地，所述前馈控制模块，具体用于：

根据所述桥臂电压与预设的一阶低通滤波器，生成传递函数为的前馈控制律

其中，V₀为所述桥臂电压，dV₀为前馈量，s表示复数域。

优选地，所述复合控制模块，具体用于：

根据所述反馈控制律f(i^*-i)和所述前馈控制律生成复合控制律

其中，为所述前馈控制律，f(i^*-i)为所述反馈控制律，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流。

优选地，所述复合控制模块，包括：

第一控制单元，用于根据所述复合控制律产生第一PWM控制信号；

脉冲分配单元，用于按照预设频率对所述第一PWM控制信号进行脉冲分配，根据所述第一PWM控制信号的脉冲顺序，将所述第一PWM控制信号的不同脉冲输出到对应的通道中，形成多路第二PWM控制信号；

第二控制单元，用于将多路所述第二PWM控制信号发送给所述电机模拟器，以控制所述电机模拟器模拟电机在所述被测控制器的控制下的运行状态，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

应用本申请提供的一种HIL仿真测试方法及系统，采集电机驱动器与电机控制器之间的反馈电流，根据反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；采集电机驱动器的桥臂电压，根据桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；根据反馈控制律和前馈控制律生成复合控制律，并根据复合控制律控制电机模拟器，对被测控制器进行HIL仿真测试。前馈控制律能够提高系统的动态响应速度，反馈控制律能够调节系统误差，由前馈控制律和反馈控制律组成的复合控制律能够使反馈电流更好地跟踪参考电流，从而能够提高电机模拟器电流跟踪精度，提升动态跟踪性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的HIL仿真测试方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种HIL仿真测试系统与被测控制器的组成图；

图3为本申请实施例提供的一种HIL仿真测试系统的仿真桥臂等效电路图；

图4为本申请另一个实施例提供的HIL仿真测试方法的流程图；

图5为传统脉冲分配方法的原理示意图；

图6为本申请实施例提供的脉冲分配方法的原理示意图；

图7为本申请一个实施例提供的HIL仿真测试系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请一个实施例提供的HIL仿真测试方法的流程图。

参照图1所示，本申请提供的一种HIL仿真测试方法，应用于对被测控制器进行测试的HIL仿真测试系统中，如图2所示为本申请实施例提供的一种HIL仿真测试系统与被测控制器的组成图，所述HIL仿真测试系统包括电机模拟器，所述被测控制器可以是各类电机(直流无刷电机、永磁同步电机等)的控制器，包括电机控制器和电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机模拟器相连接，所述方法包括：

S101：采集所述电机驱动器与所述电机控制器之间的反馈电流，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；

在本申请实施例中，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律f(i^*-i)，反馈控制律f(i^*-i)在本申请实施例中可以采用PI控制器来实现，反馈控制律f(i^*-i)的传递函数C(s)可以为：

其中，K_p为所述反馈控制律的比例系数，K_i为所述反馈控制律的积分系数，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流，s表示复数域。

同时，本申请实施例还可以采用抗积分饱和的方法，当参考电流与反馈电流的误差小于设定值时，PI控制器中的积分环节起作用，否则积分环节不加入控制，这样能起到抗积分饱和的作用，避免积分发散，控制效果更好。

S102：采集所述电机驱动器的桥臂电压，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；

在本申请实施例中，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律前馈控制通道中的滤波器可以为一阶低通滤波器，其传递函数如下：

上式中，V₀为采集回来的桥臂电压，dV₀为前馈量，s表示复数域。采集回来的桥臂电压V₀经过上述一阶低通滤波器后，形成前馈量dV₀，加入到控制系统中，滤波后的桥臂电压波形为马蹄波。

S103：根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，并根据所述复合控制律控制所述电机模拟器，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

在本申请实施例中，根据所述反馈控制律f(i^*-i)和所述前馈控制律生成复合控制律

其中，为所述前馈控制律(即电机驱动器的桥臂电压的补偿量，是电机驱动器的桥臂电压V₀经过滤波器后的电压值)，f(i^*-i)为所述反馈控制律，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流。

为了解决现有方案中存在的问题，提高电流的动态跟踪精度，本申请实施例可以将电机模拟器的控制算法运行于高速FPGA电机仿真卡中，控制方法采用前馈控制律与反馈控制律相结合的方法。电机驱动器与电机模拟器之间由电抗器(电感及电阻)连接，由于电阻的加入，能够起到保护电路的作用。其等效电路图可以如图3所示，L和R分别表示电感值和线路上的线阻，V₀表示电机驱动器的桥臂电压，V表示电机模拟器的桥臂电压，电流i的正方向如图3中标示。由电路图可知描述电流i的电路方程为：

根据此电路方程可知，为控制电流i，本申请实施例采用的复合控制律可以与此电路方程相对应。

本申请实施例中，电机模拟器的三相桥臂均采用反馈控制律和前馈控制律构成复合控制律。由实时仿真机控制的电机模拟器运行于高速FPGA卡中，运算速率为10MHz，但功率级HIL期望的控制速率可能为40KHz，鉴于此，还可以在复合控制律中设计均值滤波器来降低计算速率，具体过程可以如下：在复合控制律中加入计数器，由于运行周期为100ns，而控制算法周期为25us，因此设定计数器最大值为250，当计数器小于250时，把控制器的输出进行累加，当计数器等于250时，把累加的结果除以250，就可得到这段时间内的均值。

进行功率级HIL仿真时，由于功率等级较高，若直接采用真实设备的被测控制器，当电机模拟器工作不正常或者失控的情况下，很有可能造成被测控制器的损坏，严重的可能导致整个被测控制器烧毁。

本申请实施例提供的技术方案，可以采用真实的被测控制器，也可以采用一套实时仿真机充当被测控制器，同时将该实时仿真机可以作为电机模拟器的控制器，能够有效的避免调试过程中带来的硬件烧毁问题，大大提高调试效率。

在采用实时仿真机来代替真实的被测控制器时，可以采用开环的控制方法，模型运行于高速FPGA板卡中，通过给定的三相电压，与设定频率的三角波进行比较，产生相应的多路PWM信号来控制电机驱动器。由于被测控制器的开环控制，当出现控制效果不好的问题时，能够快速定位到问题，避免两套控制系统交联在一起，可以进一步提高调试效率。

实时仿真机接收电机驱动器与电机模拟器之间的三相电流，并与设定的参考电流形成反馈控制律，再加上输出到电机驱动器的三相电压，形成前馈控制和反馈控制相结合的控制方法，将前馈量加入到控制量中，能够抵消掉大部分的电压，反馈通道的PID参数就可以很容易地调节，因此能够大大提高系统的响应速度，提高系统的响应时间，反馈控制能够调节系统误差，由前馈控制律和反馈控制律组成的复合控制律能够使反馈电流更好地跟踪参考电流，从而能够提高电机模拟器电流跟踪精度，提升动态跟踪性能。

图4为本申请另一个实施例提供的HIL仿真测试方法的流程图。

参照图4所示，在上述实施例的基础上，本申请实施例提供的一种HIL仿真测试方法，包括：

S201：采集所述电机驱动器与所述电机控制器之间的反馈电流，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；

S202：采集所述电机驱动器的桥臂电压，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；

S203：根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，根据所述复合控制律产生第一PWM控制信号；

S204：按照预设频率对所述第一PWM控制信号进行脉冲分配，根据所述第一PWM控制信号的脉冲顺序，将所述第一PWM控制信号的不同脉冲输出到对应的通道中，形成多路第二PWM控制信号；

在本申请实施例中，复合控制律通常会产生6路第一PWM控制信号，6路PWM波经过分频后，产生24路PWM来控制电机模拟器。

在进行脉冲分配时，传统的脉冲分配分配方法是采用脉冲上升沿检测的方法来进行脉冲的分配工作，其工作原理如图5所示：这种脉冲分配方法有一个明显的缺点，当输入的原脉冲有占空比为0的情况时，程序会自动跳过该脉冲，可能会造成系统工作不正常的情况。

为了解决该问题，本申请实施例采用了定频率脉冲分配的方法，定频率就是在FPGA中设定好预设频率，把接收到的第一PWM控制信号分别输出到四个通道上，比如将第一PWM控制信号的第一个脉冲送到第一个通道，第二个脉冲分配到第二个通道……第五个脉冲又分配到第一个通道上。由于是按频率来分配的，这样即使原来的第一PWM控制信号存在占空比为0的情况，也能正常分配到通道中。采用该方法，如图6所示，即使输入的原脉冲信号有占空比为0的信号，依然能够输出所需要的控制波形，能够更好的等效成单逆变器控制的情况，不会因为丢失一个占空比为0的脉冲而造成不利的情况，有利于减少对系统的冲击，提供系统的稳定性。

S205：将多路所述第二PWM控制信号发送给所述电机模拟器，以控制所述电机模拟器模拟电机在所述被测控制器的控制下的运行状态，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

另外，本申请实施例还可以在复合控制律上加入以下逻辑：当反馈电流大于某一阀值时，将所有的PWM控制信号(包括第一PWM控制信号和第二PWM控制信号)都置0，这样能够有效地抑制电流的波动程度，大大提高电流的动态跟踪性能。

图7为本申请一个实施例提供的HIL仿真测试系统的结构图。

参照图7所示，本申请提供的一种HIL仿真测试系统，用于对被测控制器进行测试，所述HIL仿真测试系统包括电机模拟器，所述被测控制器包括电机控制器和电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机模拟器相连接，所述HIL仿真测试系统还包括：

反馈控制模块1，用于采集所述电机驱动器与所述电机控制器之间的反馈电流，根据所述反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；

前馈控制模块2，用于采集所述电机驱动器的桥臂电压，根据所述桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；

复合控制模块3，用于根据所述反馈控制律和所述前馈控制律生成复合控制律，并根据所述复合控制律控制所述电机模拟器，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

优选地，所述反馈控制模块1，具体用于：

根据所述反馈电流与预设的参考电流，生成传递函数为的反馈控制律f(i^*-i)；

其中，K_p为所述反馈控制律的比例系数，K_i为所述反馈控制律的积分系数，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流，s表示复数域。

优选地，所述前馈控制模块2，具体用于：

根据所述桥臂电压与预设的一阶低通滤波器，生成传递函数为的前馈控制律

其中，V₀为所述桥臂电压，dV₀为前馈量，s表示复数域。

优选地，所述复合控制模块3，具体用于：

根据所述反馈控制律f(i^*-i)和所述前馈控制律生成复合控制律

其中，为所述前馈控制律，f(i^*-i)为所述反馈控制律，i^*为所述参考电流，i为所述反馈电流。

优选地，所述复合控制模块3，可以包括：

第一控制单元，用于根据所述复合控制律产生第一PWM控制信号；

脉冲分配单元，用于按照预设频率对所述第一PWM控制信号进行脉冲分配，根据所述第一PWM控制信号的脉冲顺序，将所述第一PWM控制信号的不同脉冲输出到对应的通道中，形成多路第二PWM控制信号；

第二控制单元，用于将多路所述第二PWM控制信号发送给所述电机模拟器，以控制所述电机模拟器模拟电机在所述被测控制器的控制下的运行状态，对所述被测控制器进行HIL仿真测试。

本申请实施例提供的HIL仿真测试系统，可以采用上述方法实施例中的HIL仿真测试方法，具体功能可以参照上述任一方法实施例中的步骤描述，此处不再赘述。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

应用本申请提供的一种HIL仿真测试方法及系统，采集电机驱动器与电机控制器之间的反馈电流，根据反馈电流与预设的参考电流生成反馈控制律；采集电机驱动器的桥臂电压，根据桥臂电压与预设的滤波器生成前馈控制律；根据反馈控制律和前馈控制律生成复合控制律，并根据复合控制律控制电机模拟器，对被测控制器进行HIL仿真测试。前馈控制律能够提高系统的动态响应速度，反馈控制律能够调节系统误差，由前馈控制律和反馈控制律组成的复合控制律能够使反馈电流更好地跟踪参考电流，从而能够提高电机模拟器电流跟踪精度，提升动态跟踪性能。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。