電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道、兵器、船舶、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，隨著電機(jī)控制系統(tǒng)交流化、數(shù)字化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，利用半實(shí)物仿真提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率越來(lái)越受到重視。在針對(duì)伺服控制器成品的測(cè)試驗(yàn)證階段，HIL 半實(shí)物仿真可以根據(jù)測(cè)試對(duì)象、測(cè)試方法的不同，分為信號(hào)級(jí)、功率級(jí)和機(jī)械級(jí)三種形式。

電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真簡(jiǎn)介
        信號(hào)級(jí)HIL：測(cè)試系統(tǒng)利用基于FPGA 的高速實(shí)時(shí)仿真技術(shù)來(lái)模擬逆變器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械負(fù)載。測(cè)試對(duì)象為伺服控制器。信號(hào)級(jí)HIL 已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，具有造價(jià)低、組建靈活等特點(diǎn)。但是，由于控制器成品往往將控制器與驅(qū)動(dòng)器做成一體，信號(hào)級(jí)HIL 必須由待測(cè)控制器提供電流反饋接口，否則無(wú)法完成電流閉環(huán)，同時(shí)，信號(hào)級(jí)HIL 也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器（驅(qū)動(dòng)放大部分電路）的測(cè)試，所以其測(cè)試對(duì)象覆蓋面窄，可在單獨(dú)測(cè)試電機(jī)控制器控制邏輯時(shí)選用信號(hào)級(jí)HIL。
        機(jī)械級(jí)HIL：利用仿真設(shè)備通過(guò)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)架子系統(tǒng)與待測(cè)電機(jī)及控制器進(jìn)行機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械負(fù)載的模擬。測(cè)試對(duì)象為包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、傳動(dòng)的完整伺服控制系統(tǒng)。該方法是針對(duì)伺服系統(tǒng)的完整測(cè)試方法，也常常作為出廠檢測(cè)的手段，但是也有造價(jià)高、周期長(zhǎng)、占地大等局限，并且難以模擬多自由度負(fù)載。在測(cè)試整套電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的響應(yīng)特性時(shí)可選用機(jī)械級(jí)HIL。
        功率級(jí)HIL：測(cè)試系統(tǒng)利用FPGA 高速實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、變頻器對(duì)拖技術(shù)模擬電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載。測(cè)試對(duì)象為控制器和驅(qū)動(dòng)器。該方法可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)控制系統(tǒng)更全面測(cè)試，但由于其技術(shù)難度很高，長(zhǎng)期被國(guó)外廠商壟斷，價(jià)格居高不下。功率級(jí)HIL 不需要待測(cè)控制器成品提供電流反饋接口，可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)改變電機(jī)負(fù)載大小，在測(cè)試電機(jī)控制器邏輯及驅(qū)動(dòng)器在真實(shí)電流條件下的性能時(shí)可選用功率級(jí)HIL。

● 功率級(jí)HIL 的優(yōu)點(diǎn)：

◆  不需對(duì)控制器成品進(jìn)行接口改造即可測(cè)試控制器成品的控制算法+ 驅(qū)動(dòng)器

◆  可測(cè)試控制器成品的全部傳感器在高頻大電流環(huán)境下的性能

◆  一個(gè)功率級(jí) HIL 平臺(tái)可覆蓋多種電機(jī)控制器的測(cè)試，通過(guò)修改模型參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電機(jī)、負(fù)載的模

◆  不存在機(jī)械級(jí) HIL 的安全隱患，也可模擬多自由度負(fù)載

◆  不存在機(jī)械級(jí) HIL 中的同軸度問(wèn)題

◆  占地面積小，實(shí)施周期短

◆  可實(shí)現(xiàn)故障注入

潤(rùn)科通用功率級(jí)HIL：PowerHIL

● 基本原理及組成
        PowerHIL 主要由HiGale 實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)和電機(jī)電力模擬子系統(tǒng)兩部分組成。HiGale 實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)電機(jī)模型與電流復(fù)合控制模型的實(shí)時(shí)解算；電機(jī)電力模擬負(fù)載子系統(tǒng)通過(guò)變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相負(fù)載電流的模擬。電機(jī)功率級(jí)HIL 原理如下圖：

電機(jī)電力模擬子系統(tǒng)又包括創(chuàng)新型主電路、對(duì)拖電抗器、信號(hào)采集單元、電流傳感器、電壓傳感器。應(yīng)用脈沖分配技術(shù)、多橋臂并聯(lián)技術(shù)、復(fù)合控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬、高精度的三相電流控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電氣特性的高動(dòng)態(tài)模擬。
        除HiGale 實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)和電機(jī)電力模擬子系統(tǒng)外，PowerHIL 包括信號(hào)適配單元和斷線測(cè)試單元。信號(hào)適配單元用于理線，對(duì)接控制器成品接口；斷線測(cè)試單元用于實(shí)時(shí)仿真機(jī)輸出信號(hào)測(cè)量和斷線測(cè)試。其機(jī)柜布局如下圖:

下圖為國(guó)產(chǎn)某小功率控制器功率級(jí)HIL 的效果圖和實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面，效果圖中，黑色曲線代表電機(jī)轉(zhuǎn)速，紅、綠、藍(lán)色曲線分別代表U、V、W 相電流。

● 主要特點(diǎn)：

 ◆   基于 FPGA的 100ns級(jí)電機(jī) +逆變器高速動(dòng)態(tài)仿真

◆   可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)控制器 +驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)控制器成品的整體測(cè)試

◆   高動(dòng)態(tài)測(cè)試控制器的控制算法和所有傳感器性能

◆   可考核驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器在真實(shí)電流環(huán)境下的性能

◆   無(wú)需額外開(kāi)發(fā)信號(hào)級(jí)電流反饋接口

◆   創(chuàng)新型主電路 + 脈沖分配技術(shù)，基于 FGPA 電機(jī)仿真板卡的對(duì)拖逆變器單相PWM 頻率可達(dá)20KHz

◆   自帶能量回饋技術(shù)，電源母線電流小，耗能低

◆   定制化實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面

◆   可實(shí)現(xiàn)多種故障注入

◆   多種保護(hù)邏輯防止設(shè)備發(fā)生損壞 

 ● 客戶收益：

 ◆ 不需要任何接口改造即可測(cè)試控制器成品的控制器+ 驅(qū)動(dòng)器+ 全部傳感器，快速暴露產(chǎn)品問(wèn)題，提升效率僅通過(guò)調(diào)參即可完成電機(jī)參數(shù)、 負(fù)載力矩的改變

 ◆ 具有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、霍爾信號(hào)模擬，同一平臺(tái)可模擬多種類型、多種參數(shù)的電機(jī)，使得同一平臺(tái)可以完成多種控制器成品的測(cè)試任務(wù)借助豐富的故障注入功能，可充分測(cè)試控制器成品的故障保護(hù)功能

◆ 占地面積小，不存在機(jī)械安全隱患

應(yīng)用案例

● 某環(huán)控高/ 低溫泵電機(jī)功率級(jí)仿真測(cè)試系統(tǒng)
        某型號(hào)飛機(jī)工作環(huán)境動(dòng)態(tài)特性大，主機(jī)廠為了保證其供應(yīng)商設(shè)計(jì)提供的環(huán)控高/ 低溫泵電機(jī)控制器滿足快速性、穩(wěn)定性、可靠性的指標(biāo)要求，需要對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行功率級(jí)仿真測(cè)試。
        由潤(rùn)科通用負(fù)責(zé)研制開(kāi)發(fā)的電機(jī)功率級(jí)HIL 項(xiàng)目也是首例由國(guó)內(nèi)供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)的功率級(jí)HIL 仿真。

系統(tǒng)特點(diǎn)：

◆  國(guó)內(nèi)首套 6KW 級(jí)電機(jī)功率級(jí)仿真系統(tǒng)
       ▼多并聯(lián)橋臂+脈沖分配技術(shù)實(shí)現(xiàn)20KHz高開(kāi)關(guān)頻率
       ▼針對(duì)性濾波電路+保護(hù)邏輯
       ▼復(fù)合高動(dòng)態(tài)控制算法
       ▼ 270V高母線電壓

◆  高性能的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

◆  考核驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器在 20A，350Hz電流環(huán)境下的性能

◆  定制化實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面

◆  提供基于反射內(nèi)存的自動(dòng)化測(cè)試功能

◆  多種保護(hù)邏輯防止設(shè)備發(fā)生損壞

● 某關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與驗(yàn)證平臺(tái)
        潤(rùn)科通用與航天某所合作，展開(kāi)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)。該平臺(tái)可以完成對(duì)直流28V 供電，300W 的直流無(wú)刷電機(jī)控制器的功率級(jí)測(cè)試，
        并且仿真模型中可以模擬負(fù)載的實(shí)時(shí)變化。此平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)故障注入功能，其中，軟故障包括電阻電感熱性能變化、傳感器精度降低、電機(jī)卡死等；硬故障包括電機(jī)繞組斷路、位置傳感器信號(hào)斷路故障、硬故障通過(guò)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的DO 接口控制繼電器實(shí)現(xiàn)。
電機(jī)功率級(jí)HIL 特點(diǎn)：

◆  脈沖分配技術(shù)實(shí)現(xiàn) 20KHz高開(kāi)關(guān)頻率

◆  創(chuàng)新型諧波吸收主電路減少諧波

◆  定制化實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面

◆  軟故障：電機(jī)參數(shù)熱性能變化、電機(jī)卡死、傳感器精度降低等

◆  硬故障：電機(jī)繞組短路，傳感器信號(hào)斷路

◆  多種保護(hù)邏輯防止設(shè)備發(fā)生損壞

 ● 某數(shù)字化智能供配電技術(shù)研究系統(tǒng)
        潤(rùn)科通用與兵器某所合作，開(kāi)展數(shù)字化智能供配電技術(shù)研究系統(tǒng)的建設(shè)，其中包括伺服系統(tǒng)的功率級(jí)半實(shí)物仿真平臺(tái)。此平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)270V、56V、28V 直流供電、最大功率為10KW 的的待測(cè)控制器的功率級(jí)仿真。支持多種傳感器類型，包括旋轉(zhuǎn)變壓器、增量式編碼器、霍爾傳感器等。