作者 |W
小編 |不吃豬頭肉

引言

在新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展的背景下，電機控制器（MCU）作為核心部件，其開發(fā)和測試的重要性日益增加。為了在開發(fā)早期階段快速驗證應(yīng)用層算法功能及基礎(chǔ)軟件質(zhì)量，硬件在環(huán)（HIL）測試技術(shù)應(yīng)運而生。本文分析了基于VT系統(tǒng)的MCU HIL建模與仿真應(yīng)用，探討其技術(shù)優(yōu)勢、實現(xiàn)路徑及實踐價值。采用Vector的VT5838板卡，結(jié)合MATLAB/Simulink和DSP Builder工具，實現(xiàn)了從Simulink到FPGA的零代碼開發(fā)。該方法不僅降低了開發(fā)門檻，還通過仿真模型實現(xiàn)了對電機控制器的實時響應(yīng)。

MCU HIL測試平臺的重要性

MCU不僅需要精確控制電機的扭矩和轉(zhuǎn)速，還必須在各種復雜工況下保持穩(wěn)定性和可靠性。例如，在車輛加速、制動、爬坡等情況下，MCU需快速響應(yīng)并精確調(diào)節(jié)電機輸出功率，以確保車輛性能和安全。HIL測試平臺通過軟硬件仿真，為被測控制器提供必要的供電、總線通訊、傳感器輸入及輸出測量等資源，使其在實驗室環(huán)境中無需依賴真實部件即可運行和驗證。這種方法不僅降低了開發(fā)成本，還加速了研發(fā)進程。通過HIL測試平臺，工程師可以在實驗室中模擬各種極端工況，提前識別并優(yōu)化潛在問題，避免實車測試中的安全風險和高昂成本。

VT系統(tǒng)建模核心技術(shù)

3.1 硬件平臺：VT5838的多域擴展能力

硬件平臺是HIL測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由真實控制器、VT硬件板卡、外圍電路、通信線束、上位機及CANoe軟件等組成。在車用電機MCU HIL測試平臺中，Vector的VT5838多I/O高速板卡是關(guān)鍵組件。VT5838提供16路數(shù)字I/O、8路模擬輸入、6路單端模擬輸出，并搭載用戶可編程的FPGA芯片，支持電機、逆變器和傳感器模型的仿真。

圖1 VT5838板卡介紹VT5838板卡的高性能特性使其能夠滿足電機控制器的高速信號采集和處理需求。MCU控制板輸出的PWM信號通常高于10kHz，VT5838能夠精確采集并實時處理這些信號。其可編程的FPGA芯片為用戶提供了高度的靈活性，使硬件平臺能夠輕松適配不同的測試需求。

3.2 軟件工具鏈：從Simulink到FPGA的零代碼開發(fā)

軟件平臺是HIL測試系統(tǒng)的核心，主要由試驗管理軟件CANoe和FPGA管理軟件FPGA Manager組成。在該平臺中，仿真模型的搭建是實現(xiàn)HIL測試的基礎(chǔ)。通過MATLAB/Simulink和DSP Builder工具，用戶可以在直觀的圖形化界面中輕松搭建電機、逆變器、傳感器模型及其IO接口。模型編譯后，可一鍵燒錄到VT5838的FPGA芯片中運行。FPGA芯片的高速處理能力和并行計算特性，使仿真模型以較高頻率運行，從而實現(xiàn)對電機控制器的實時響應(yīng)。FPGA Manager軟件為用戶提供了便捷的管理界面，使FPGA芯片的編程和模型部署變得簡單易行。用戶無需深入了解復雜的硬件描述語言（如VHDL或Verilog），即可完成復雜的仿真任務(wù)，大大降低了開發(fā)門檻和工作量。

圖2 FPGA Manager軟件

FPGA電機模型搭建與仿真

在MCU信號級閉環(huán)HIL測試中，只有MCU使用實際硬件，其余組件均通過數(shù)學模型和硬件IO進行模擬。根據(jù)上述說明，仿真所需的數(shù)學模型主要包括電機模型、逆變器模型和傳感器模型。

圖3 基于VT5838閉環(huán)HIL邏輯圖

圖4 Simulink中搭建“逆變器+電機+傳感器”模型

逆變器模型

作為電力電子變換系統(tǒng)的核心，該模型通過接收MCU產(chǎn)生的6路脈寬調(diào)制（PWM）控制信號，驅(qū)動由IGBT或MOSFET構(gòu)成的三相全橋功率開關(guān)電路。其工作原理是根據(jù)PWM信號的占空比和時序關(guān)系，采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）或正弦脈寬調(diào)制（SPWM）算法，將母線電壓轉(zhuǎn)換為幅值和頻率可調(diào)的三相交流電壓。該過程實現(xiàn)了電機模型的轉(zhuǎn)矩控制，確保系統(tǒng)在動態(tài)工況下的穩(wěn)定運行。

圖5 三相逆變器結(jié)構(gòu)

電機模型

在該模型中，電機接收來自逆變器模型生成的三相交流電壓?；陔姍C的參數(shù)（如電感、電阻、磁鏈等）和輸入電壓，電機模型實時計算三相繞組的電流。這些電流信號通過VT5838反饋至MCU控制板，用于閉環(huán)控制。電機模型的核心任務(wù)是實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。通過調(diào)節(jié)逆變器輸出的三相交流電壓的幅值和頻率，電機模型能夠精確控制電機的運行狀態(tài)，確保在不同負載和動態(tài)工況下的穩(wěn)定運行。

圖6 電機模型框圖

旋轉(zhuǎn)變壓器模型

旋轉(zhuǎn)變壓器將轉(zhuǎn)子角度和速度信息轉(zhuǎn)換為正余弦信號。實際工作中的旋轉(zhuǎn)式編碼器本質(zhì)上是一種變壓器，勵磁信號通過變壓器轉(zhuǎn)化為帶有位置信息的旋變信號。通過對旋變信號的解碼，可以獲取所需的位置信息。經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計中，初級繞組安裝在轉(zhuǎn)子上，而正弦和余弦兩個次級繞組則安裝在定子上。

圖7 旋變信號示意圖使用Simulink和DSP Builder 工具進行數(shù)學建模，用戶可以在Simulink的可視化環(huán)境中快速搭建“逆變器+電機+傳感器”模型，無需編寫復雜的代碼，即可實現(xiàn)模型開發(fā)，電機模型編譯燒錄如下：1. 在FPGA Manager導入電機模型工程。

圖8 模型導入

2. 導入VT5838模型后，查看模型中匹配的CANoe系統(tǒng)變量，點擊步驟2對模型進行編譯。

圖9-1 模型編譯

3. 模型編譯完成。

圖9-2 模型編譯完成界面

4. 燒錄電機模型到VT5838板卡，點擊Persist，選擇與板卡機箱連接的網(wǎng)口，選擇VT5838板卡，點擊步驟4對模型進行燒錄。

圖10 模型燒錄板卡

5. 激活電機模型所使用的板卡輸出通道，并進行保存，即可使用。

圖11 板卡通道激活

6. 通過示波器測得MCU輸出的PWM以及旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的旋變信號。

圖12 MCU控制器輸出PWM

圖13 模型輸出的旋變信號

VT系統(tǒng)的MCU HIL應(yīng)用分析

基于VT系統(tǒng)的MCU HIL測試平臺憑借其模塊化設(shè)計、高靈活度及低成本特性，可覆蓋MCU開發(fā)全周期中的多種關(guān)鍵測試場景，具體包括以下典型應(yīng)用：

5.1 極限工況與復雜場景模擬

超速/過載測試：模擬電機轉(zhuǎn)速超過安全閾值時MCU的降速保護邏輯，驗證控制器動態(tài)響應(yīng)能力。溫度極限測試：通過傳感器模型模擬逆變器或電機溫度異常（如過熱或低溫），測試MCU的熱管理策略及故障保護機制。

5.2控制算法閉環(huán)驗證

扭矩/轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制：結(jié)合電機模型與逆變器模型，驗證MCU在驅(qū)動控制算法中PWM信號生成的準確性，以及扭矩響應(yīng)與VCU指令的一致性。主動放電功能測試：模擬BMS斷開主接觸器后，驗證MCU執(zhí)行主動放電邏輯的時效性。

5.3故障注入與診斷測試

硬件電路故障模擬：如IGBT開路/短路、傳感器信號丟失、CAN通信中斷等，驗證MCU的故障檢測與容錯控制能力。軟件邏輯故障測試：通過vTESTstudio編輯基于狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的測試用例，模擬電機堵轉(zhuǎn)、旋變信號異常等復雜故障場景。

5.4多控制器聯(lián)合測試

三電系統(tǒng)聯(lián)合測試：與VCU、BMS HiL系統(tǒng)聯(lián)動，驗證動力域控制器的協(xié)調(diào)控制策略（如能量回收、扭矩分配）。域控制器集成測試：與底盤域或熱管理域控制器交互，驗證整車級功能邏輯與通信協(xié)議兼容性。

5.5快速迭代與標準化測試

參數(shù)化模型復用：快速切換不同電機參數(shù)（如永磁同步電機/感應(yīng)電機），適配多車型開發(fā)需求。自動化測試流程：基于vTESTstudio編寫自動化測試腳本，實現(xiàn)高壓上電、充放電循環(huán)等高頻測試用例的批量執(zhí)行與結(jié)果分析。

總結(jié)

基于VT系統(tǒng)的MCU硬件在環(huán)建模，為電機控制器的開發(fā)和測試提供了一種高效、安全且低成本的解決方案。隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，HIL測試平臺將在電機控制器的開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。通過精確的模型搭建和仿真，HIL測試平臺可以幫助工程師在開發(fā)早期快速驗證算法功能和軟件質(zhì)量。其高安全性、高靈活度和低成本的特點，使其成為新能源汽車開發(fā)中不可或缺的工具。注：文中部分圖片來源于Vector。