隨著新能源汽車的蓬勃發展，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，同時也廣泛應用于轉向系統、熱管理系統和車身系統中。電機控制器通過控制算法發出指令驅動電機轉動，進而實現對電機扭矩/轉速的控制。為了在軟/硬件開發前期快速驗證應用層算法功能及基礎軟件質量，同時實現極限工況驗證和復雜場景復現，硬件在環（HIL）測試在整個電機控制器開發過程中扮演著重要的角色，能夠降低各類電機控制器開發成本，加快研發進度，因此備受整車廠和供應商的重視。電機控制器信號級閉環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。

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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電驅動系統當中，逆變器負責將動力電池輸出的直流電壓轉換為定頻定壓或調頻調壓的交流電壓，進而提供給驅動電機。從工作原理上來看，在電源與負載之間至少設置三組開關形成三相橋，通過控制開關的通斷，改變經過負載的電流方向，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關閉。因此上半橋為0或者1的狀態，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種對應組合，其與輸出的線電壓和相電壓對應關系如表1。

表

功率晶體管開關狀態和對應輸出線電壓、

相電壓的關系

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調制技術可以通過一系列寬窄不等的脈沖進行調制，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改變各脈沖的寬度即可。此技術因控制理論成熟，控制效果優良而廣泛應用于MCU控制板和逆變器的驅動鏈路中。

在電機控制器中一般還會有冷卻系統，通過逆變器內的溫度傳感器，監測逆變器內部的溫度變化。當溫度過高時（變頻、升壓、頻繁通斷開關器件均會導致溫度升高），MCU控制板會接收到溫度傳感器發出的信號，并根據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的磁場，這個磁場驅動轉子上的永磁體轉動，電機便會轉動起來。

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，使得電機的運動轉矩平穩，同時具有噪聲小、效率高、具有高速的動態響應等特點。

通過三相全橋的PWM調節三個相線上的電流（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，將三相電流轉換為轉子磁鏈方向（d軸，直軸）和轉子磁鏈垂直方向（q軸，交軸）的電流，其中d軸用于產生與轉子磁場疊加的磁場，q軸用于扭矩大小和方向的控制，實現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系統整體簡介

HIL測試系統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測試系統使用數學模型來表示整個系統的物理狀態并使用IO板卡連接到MCU控制板，從而實現對MCU控制板的代碼和硬件電路測試。在MCU控制板信號級閉環HIL測試中，僅MCU控制板使用真實硬件，其余部件均通過數學模型和硬件IO進行模擬。根據上述介紹，需要進行仿真的數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測試系統架構圖

在建模時需根據實際被控對象選擇電路拓撲模型或數學模型，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；而數學建模主要是通過將物理對象數學化，方便在模型中加入一些自定義元素，如對模型的具體參數做動態修改，同時方便移植到不同平臺中。實際應用時，可根據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，為磁場旋轉轉速。

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。

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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/漏極和發射極/柵極的電壓進行參數化，可以實現對IGBT/MOSFET功率器件的模擬。由于IGBT/MOSFET是非理想開關器件，其開通和關斷時間不是嚴格一致的，因此在進行模型參數化設置時，應注意“死區時間”的設置。

施加到電機上的電壓主要由6個功率器件狀態和它們的集電極/漏極和發射極/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，旋轉變壓器將轉子角度和速度信號轉換為正余弦信號，MCU控制板通過對該旋變信號的解碼得到所需的位置信息。將旋轉變壓器模型進行數學方程簡化，可以得到激勵信號和旋變輸出電壓的數學關系：

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旋轉變壓器模型原理圖

基于VT5838進行信號級電機閉環仿真

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，實現完整的MCU控制板的信號級HIL測試系統。VT5838還可以滿足DC/DC、AC/DC等信號級閉環測試需求，被控對象高速閉環仿真也可通過VT5838實現。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控制板進行數據交互。VT5838各I/O通道詳細技術指標如下表所示。

表

VT5838板卡詳細技術指標

在進行MCU控制板信號級閉環HIL測試時，VT5838接收的PWM信號一般為高于10kHz的調制信號。為了獲取精確的采樣結果，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，模型的步長設置會小于10μs。如果模型在PC或常規實時系統上運行，由于硬件及軟件架構限制，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/溫度傳感器的數學建模，匹配VT5838的硬件I/O接口，編譯生成可執行文件，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器件通斷驅動電機轉動；勵磁激勵信號用于旋變模型的勵磁線圈產生交流基準源磁場；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信號產生3相交流電壓；電機模型根據電機固有參數和3相電壓反饋出3相電流供MCU控制板進行閉環控制運算；模型輸入母線電壓可通過CANoe用戶界面自定義設置，電壓傳感器模型根據用戶設置信息，將母線電壓調理成MCU控制板所需要的電壓，并通過VT5838模擬量輸出通道發送給MCU控制板；旋轉變壓器（位置傳感器）模型根據勵磁激勵信號和電機位置信息計算出正余弦函數的調幅信號供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變量，方便在CANoe監視界面進行數據配置和查看，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的控制監視界面，從而進行MCU控制板信號級閉環HIL測試。

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VT5838 CANoe監視界面

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信號采集示例：

1.

逆變器作為關鍵執行器，對數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數字信號采集和模擬量輸出效果圖

2.

旋轉變壓器模型將控制器輸入的勵磁信號進行調制，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，控制電機轉動，電機反饋三相電流給MCU控制板，用于閉環控制。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、可執行文件部署、上位機界面控制等步驟實現典型的MCU控制板信號級閉環HIL測試。當需要進行其它類型的閉環HIL測試時，可通過仿真建模環節完成與被測控制器的適配。Vector中國的項目服務團隊可根據客戶需求，提供基于VT5838板卡的各類電機及功率器件FPGA模型定制開發服務及機柜集成服務。