隨著節(jié)能減排、綠色生活的概念逐漸深入人心，新能源發(fā)電系統(tǒng)與新能源電動汽車在生活中的應(yīng)用越來越廣泛。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和新能源電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)中，電機控制是熱門而關(guān)鍵的研究課題。不過對于研究人員而言，新能源系統(tǒng)與電動汽車中的電機功率都相對較高，像一些極限工況、環(huán)境因素等研究條件不便于在實物系統(tǒng)上實現(xiàn)；同時，對于電機驅(qū)動與控制系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)，傳統(tǒng)的開發(fā)方式存在周期長、迭代慢、可靠性差的問題。

硬件在環(huán)仿真測試（Hardware-In-the-LoopTesting，HIL）作為高效的研發(fā)工具，能夠幫助科研人員更好地進行原型開發(fā)、算法驗證，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時有效縮短研發(fā)周期，在節(jié)省成本的同時加速成果的產(chǎn)出。

HIL的概念與價值

硬件在環(huán)仿真（也被稱為半實物仿真）是隨著計算機硬件技術(shù)、實時操作系統(tǒng)、電力系統(tǒng)建模等新技術(shù)發(fā)展起來的實驗和研究方式，硬件在環(huán)仿真裝置的基本原理是用運行著數(shù)學(xué)模型的實時系統(tǒng)來模擬物理系統(tǒng)的行為，通過實際的I/O接口與控制器相連，不僅利用了軟件建模的靈活性，也具有替代實物系統(tǒng)的能力。對于電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)與測試來說，通過硬件在環(huán)仿真能夠在很接近真實工況的情況下對控制板整體（板上芯片運行的控制算法，板子的IO通道等）進行測試，具有易于測試故障工況，易于實現(xiàn)測試自動化，易于重現(xiàn)各種工況等優(yōu)點。硬件在環(huán)仿真測試的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

ModelingTech利用自主研發(fā)的StarSimHIL軟件，提供高性能且使用方便的硬件在環(huán)仿真平臺，幫助用戶方便地將電力電子或電力系統(tǒng)拓撲模型下載到實時仿真器上。其基于FPGA的小步長仿真技術(shù)，能夠準確而實時地模擬出被控對象的特性，幫助用戶在研發(fā)與測試階段創(chuàng)造安全與高效的實驗環(huán)境。

StarSimHIL是基于配置型的實時仿真上位機軟件，支持載入Simulink/SimPowerSystems環(huán)境下搭建的拓撲模型到FPGA硬件上運行，無需用戶進行額外的模型轉(zhuǎn)換與底層開發(fā)工作。同時，基于該軟件簡潔明了的操作界面，用戶只需要點擊鼠標即可完成模型輸出與實際物理信號輸出的映射關(guān)系，并實現(xiàn)一鍵式下載運行，省卻了編程編譯等額外的使用負擔(dān)。

電驅(qū)動系統(tǒng)是一個典型的電力電子系統(tǒng)，包含電機、逆變電路兩個部分，對實時化仿真步長的要求非常高。遠寬能源的StarSim小步長仿真技術(shù)，能夠以1μs的步長穩(wěn)定仿真整個電驅(qū)動系統(tǒng)；同時還支持用戶在熟悉的建模環(huán)境中，自定義搭建模型并快速下載驗證。該平臺能夠幫助用戶快速地進行不同功率電機額定、極限工況運行時的控制情況。

下圖為給最終客戶搭建的實時仿真系統(tǒng)，左下方為待測的電機控制板，右上邊白色機箱為電機驅(qū)動系統(tǒng)的實時仿真器，，控制器與實時仿真器通過接線構(gòu)成信號閉環(huán)，電機以及電驅(qū)動系統(tǒng)仿真運行在FPGA板卡上，并通過旋變信號的方式進行電機轉(zhuǎn)子位置信號的輸出。

混合電動汽車的電機驅(qū)動系統(tǒng)是一個典型的電力電子系統(tǒng)，需要基于FPGA的小步長實時仿真。遠寬能源(ModelingTech)通過與日本合作伙伴MacSystems合作，開發(fā)了基于FPGA的永磁同步電機硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。其中，遠寬能源的工程師主要負責(zé)了PMSM電機驅(qū)動系統(tǒng)的建模，以及整個模型在FPGA的實現(xiàn)。

下圖為給最終客戶搭建的實時仿真系統(tǒng)，左邊的PXI系統(tǒng)為電機驅(qū)動系統(tǒng)的實時仿真器，中間的PCB板是待測的電機控制板，右邊是仿真測試系統(tǒng)上位機界面。PXI機箱上插有一塊FPGA板卡，永磁同步電機以及驅(qū)動系統(tǒng)的模型運行于FPGA上。