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動力總成HIL測試的主要考量因素

2018-10-11 18:09:28·  來源：恩艾NI  
　

混合動力和純電動動力系統(tǒng)
 
在許多全電動或混合動力系統(tǒng)中，ECU必須管理多個獨立電源產生的電力。例如，混合動力傳動系統(tǒng)包含一個或多個電動機以及一個內燃發(fā)動機。無論使用的是何種混合動力傳動系統(tǒng)類型，都意味著ECU必須以安全且可重復的方式控制兩個耦合對象，這兩個對象的動態(tài)速度可能截然不同，需要大量測試才能確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。
 
例如，在路面結冰的駕駛條件下，車輪會突然失去牽引力。在加速時，這可能會導致電機速度急劇增加，需要安全地應對。但是，從物理角度考慮，這種安全行為不可能在測功機上再現(xiàn)，即使是在測試跑道上，也是非常耗時和高難度的。由于針對這種特定安全條件開發(fā)的復雜控制算法必須進行驗證，測試需要考慮到極端的駕駛條件，以滿足量產車輛的質量要求。


圖9. 混合動力系統(tǒng)的HIL測試需要考慮更多的因素

混合動力和全電動傳動系統(tǒng)都增加了ECU測試的復雜性。不管是哪種情況，驅動電動機都需要ECU產生高速PWM信號來驅動電力電子硬件。如果要HIL測試系統(tǒng)對來自被測ECU的高速數字信號做出正確的響應，仿真必須以數量級達1μs的超快速循環(huán)速率運行。另一個需要考慮的方面是，電動機表現(xiàn)出復雜的非線性行為，例如磁性飽和和齒槽轉矩，這些行為都很難直接建模。線性模型可用于測試ECU的基本功能，但復雜的行為也需要建模，才能進行更嚴格的測試、調整和優(yōu)化。
 
傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)無法達到1μs的循環(huán)速率，這限制了控制系統(tǒng)設計人員的測試能力，迫使他們嚴重依于賴昂貴的測功機或現(xiàn)場測試。在失去牽引力的情況下，如果要通過現(xiàn)場測試來確保在所有可能運行條件下的安全性，所需的費用非常高昂甚至不可能實現(xiàn)。然而，提高仿真速度和保真度有助于在仿真中進行更多可重復的測試，從而減少物理測試的時間和成本。
 
要達到1μs的模擬周期，需要測試徹底改變電動機和電力電子HIL測試系統(tǒng)的設計。一個關鍵方法是摒棄傳統(tǒng)的基于處理器的HIL系統(tǒng)，采用基于FPGA的仿真器。
 
由于通信總線將處理器和I/O分離開，傳統(tǒng)的基于處理器的HIL系統(tǒng)可提供的最大速度僅為50 kHz左右。在仿真的單個時間步長內，對輸入進行采樣后，采樣數據傳輸到處理器進行處理，處理結果傳輸回I/O節(jié)點，并更新輸出結果。對于PCI或PXI總線，通信的延遲通常可占整個仿真周期的四分之三。將計算任務轉移到FPGA上有助于提高計算速度。然而，提高速度的最快方法是在單個設備上并列配置處理節(jié)點和I/O節(jié)點，這樣可最小化通信延遲。
 
對高級電機驅動器進行實時仿真時，面臨的另一個挑戰(zhàn)是實現(xiàn)仿真保真度和速度的平衡。雖然進行功能級HIL測試時，簡單的常量參數或線性模型就足夠了，但通常需要提高模擬保真度來提高測試的可靠性以及優(yōu)化先進電機驅動器。在不增加計算復雜度的情況下提高模擬保真度的一個有效方法是使用查找表替換模型參數，并在每次仿真迭代時更新這些參數。
 
使用有限元分析結果或通過實驗得出的表格，您可以模擬復雜的非線性行為，例如齒槽轉矩或磁飽和，并設計可正確響應復雜現(xiàn)象的控制器。無論是哪種情況，查找表都可以捕獲復雜的行為，而無需在仿真中直接對其進行建模。

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