基于VT系統(tǒng)的MCU硬件在環(huán)建模與仿真應(yīng)用分析

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(jī)控制器（MCU）作為核心部件，其開(kāi)發(fā)和測(cè)試的重要性日益增加。為了在開(kāi)發(fā)早期階段快速驗(yàn)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(cè)試技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(shì)、實(shí)現(xiàn)路徑及實(shí)踐價(jià)值。采用Vector的VT5838板卡，結(jié)合MATLAB/Simulink和DSP Builder工具，實(shí)現(xiàn)了從Simulink到FPGA的零代碼開(kāi)發(fā)。該方法不僅降低了開(kāi)發(fā)門檻，還通過(guò)仿真模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)控制器的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

MCU HIL測(cè)試平臺(tái)的重要性

MCU不僅需要精確控制電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，還必須在各種復(fù)雜工況下保持穩(wěn)定性和可靠性。例如，在車輛加速、制動(dòng)、爬坡等情況下，MCU需快速響應(yīng)并精確調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率，以確保車輛性能和安全。HIL測(cè)試平臺(tái)通過(guò)軟硬件仿真，為被測(cè)控制器提供必要的供電、總線通訊、傳感器輸入及輸出測(cè)量等資源，使其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中無(wú)需依賴真實(shí)部件即可運(yùn)行和驗(yàn)證。這種方法不僅降低了開(kāi)發(fā)成本，還加速了研發(fā)進(jìn)程。通過(guò)HIL測(cè)試平臺(tái)，工程師可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬各種極端工況，提前識(shí)別并優(yōu)化潛在問(wèn)題，避免實(shí)車測(cè)試中的安全風(fēng)險(xiǎn)和高昂成本。

VT系統(tǒng)建模核心技術(shù)

3.1 硬件平臺(tái)：VT5838的多域擴(kuò)展能力

硬件平臺(tái)是HIL測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由真實(shí)控制器、VT硬件板卡、外圍電路、通信線束、上位機(jī)及CANoe軟件等組成。在車用電機(jī)MCU HIL測(cè)試平臺(tái)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(jī)、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(jī)控制器的高速信號(hào)采集和處理需求。MCU控制板輸出的PWM信號(hào)通常高于10kHz，VT5838能夠精確采集并實(shí)時(shí)處理這些信號(hào)。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(tái)能夠輕松適配不同的測(cè)試需求。

3.2 軟件工具鏈：從Simulink到FPGA的零代碼開(kāi)發(fā)

軟件平臺(tái)是HIL測(cè)試系統(tǒng)的核心，主要由試驗(yàn)管理軟件CANoe和FPGA管理軟件FPGA Manager組成。在該平臺(tái)中，仿真模型的搭建是實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試的基礎(chǔ)。通過(guò)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(jī)、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(yùn)行。FPGA芯片的高速處理能力和并行計(jì)算特性，使仿真模型以較高頻率運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制器的實(shí)時(shí)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(jiǎn)單易行。用戶無(wú)需深入了解復(fù)雜的硬件描述語(yǔ)言（如VHDL或Verilog），即可完成復(fù)雜的仿真任務(wù)，大大降低了開(kāi)發(fā)門檻和工作量。

圖2 FPGA Manager軟件

FPGA電機(jī)模型搭建與仿真

在MCU信號(hào)級(jí)閉環(huán)HIL測(cè)試中，只有MCU使用實(shí)際硬件，其余組件均通過(guò)數(shù)學(xué)模型和硬件IO進(jìn)行模擬。根據(jù)上述說(shuō)明，仿真所需的數(shù)學(xué)模型主要包括電機(jī)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(jī)+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(guò)接收MCU產(chǎn)生的6路脈寬調(diào)制（PWM）控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)由IGBT或MOSFET構(gòu)成的三相全橋功率開(kāi)關(guān)電路。其工作原理是根據(jù)PWM信號(hào)的占空比和時(shí)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(guò)程實(shí)現(xiàn)了電機(jī)模型的轉(zhuǎn)矩控制，確保系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 三相逆變器結(jié)構(gòu)

電機(jī)模型

在該模型中，電機(jī)接收來(lái)自逆變器模型生成的三相交流電壓?；陔姍C(jī)的參數(shù)（如電感、電阻、磁鏈等）和輸入電壓，電機(jī)模型實(shí)時(shí)計(jì)算三相繞組的電流。這些電流信號(hào)通過(guò)VT5838反饋至MCU控制板，用于閉環(huán)控制。電機(jī)模型的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出的三相交流電壓的幅值和頻率，電機(jī)模型能夠精確控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保在不同負(fù)載和動(dòng)態(tài)工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 電機(jī)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(hào)。實(shí)際工作中的旋轉(zhuǎn)式編碼器本質(zhì)上是一種變壓器，勵(lì)磁信號(hào)通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化為帶有位置信息的旋變信號(hào)。通過(guò)對(duì)旋變信號(hào)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(jì)中，初級(jí)繞組安裝在轉(zhuǎn)子上，而正弦和余弦兩個(gè)次級(jí)繞組則安裝在定子上。

圖7 旋變信號(hào)示意圖使用Simulink和DSP Builder 工具進(jìn)行數(shù)學(xué)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(jī)+傳感器”模型，無(wú)需編寫復(fù)雜的代碼，即可實(shí)現(xiàn)模型開(kāi)發(fā)，電機(jī)模型編譯燒錄如下：1. 在FPGA Manager導(dǎo)入電機(jī)模型工程。

圖8 模型導(dǎo)入

2. 導(dǎo)入VT5838模型后，查看模型中匹配的CANoe系統(tǒng)變量，點(diǎn)擊步驟2對(duì)模型進(jìn)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(jī)模型到VT5838板卡，點(diǎn)擊Persist，選擇與板卡機(jī)箱連接的網(wǎng)口，選擇VT5838板卡，點(diǎn)擊步驟4對(duì)模型進(jìn)行燒錄。

圖10 模型燒錄板卡

5. 激活電機(jī)模型所使用的板卡輸出通道，并進(jìn)行保存，即可使用。

圖11 板卡通道激活

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

圖12 MCU控制器輸出PWM

圖13 模型輸出的旋變信號(hào)

VT系統(tǒng)的MCU HIL應(yīng)用分析

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

5.1 極限工況與復(fù)雜場(chǎng)景模擬

超速/過(guò)載測(cè)試：模擬電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)安全閾值時(shí)MCU的降速保護(hù)邏輯，驗(yàn)證控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。溫度極限測(cè)試：通過(guò)傳感器模型模擬逆變器或電機(jī)溫度異常（如過(guò)熱或低溫），測(cè)試MCU的熱管理策略及故障保護(hù)機(jī)制。

5.2控制算法閉環(huán)驗(yàn)證

扭矩/轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制：結(jié)合電機(jī)模型與逆變器模型，驗(yàn)證MCU在驅(qū)動(dòng)控制算法中PWM信號(hào)生成的準(zhǔn)確性，以及扭矩響應(yīng)與VCU指令的一致性。主動(dòng)放電功能測(cè)試：模擬BMS斷開(kāi)主接觸器后，驗(yàn)證MCU執(zhí)行主動(dòng)放電邏輯的時(shí)效性。

5.3故障注入與診斷測(cè)試

硬件電路故障模擬：如IGBT開(kāi)路/短路、傳感器信號(hào)丟失、CAN通信中斷等，驗(yàn)證MCU的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制能力。軟件邏輯故障測(cè)試：通過(guò)vTESTstudio編輯基于狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的測(cè)試用例，模擬電機(jī)堵轉(zhuǎn)、旋變信號(hào)異常等復(fù)雜故障場(chǎng)景。

5.4多控制器聯(lián)合測(cè)試

三電系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試：與VCU、BMS HiL系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，驗(yàn)證動(dòng)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(cè)試：與底盤域或熱管理域控制器交互，驗(yàn)證整車級(jí)功能邏輯與通信協(xié)議兼容性。

5.5快速迭代與標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試

參數(shù)化模型復(fù)用：快速切換不同電機(jī)參數(shù)（如永磁同步電機(jī)/感應(yīng)電機(jī)），適配多車型開(kāi)發(fā)需求。自動(dòng)化測(cè)試流程：基于vTESTstudio編寫自動(dòng)化測(cè)試腳本，實(shí)現(xiàn)高壓上電、充放電循環(huán)等高頻測(cè)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(jī)控制器的開(kāi)發(fā)和測(cè)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(cè)試平臺(tái)將在電機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)精確的模型搭建和仿真，HIL測(cè)試平臺(tái)可以幫助工程師在開(kāi)發(fā)早期快速驗(yàn)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(diǎn)，使其成為新能源汽車開(kāi)發(fā)中不可或缺的工具。注：文中部分圖片來(lái)源于Vector。