1.引言

　　以电■力为推进动力的电牵引电推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点，因此，在动力系统、鱼雷电推系统、列车牵引系统、混动车辆等领域得到了越来越广泛的应用。这些系统都采用交直交的◤复杂主电路拓扑，同时还存在耦合程度高、负载难以模拟、控制难度【高等特点，因此█对其测试验证方法提出了更高的要求。

　　传统的HIL仿真技术，通常是将被控对象模型直接跑在实时仿真机的处理器中;但受实时操作系统实时性制约，其步长只能够到10us量级，但例如在领域中用到6相或12相电机做半实物HIL仿真时，要求仿真步长不大于1us，这种情况若采用□　传统的HIL仿真技术则无法满足高动态电气被控对象实时仿真的需求，可能会出现仿真发△散畸变、相角解算出错、仿真精度降低等▼问题。因此，恒润科技推出了基于高速FPGA电动力系统HIL动态测试①解决方案，实现100ns仿真步长级别的高速动态HIL测试。并且已经在国内轨道行业得到成功应用，目前国内仅有●的三个列车整车牵引系统测试实验室都均由恒润科技承建。

　　2.系统方案

　　基于FPGA的高速HIL测试平台，系统组成如下图所示：

　　系统主要包括以下子系统：

　　1) 实时仿真系统：实现复杂主电路模型(基于FPGA实▲时仿真技术)、载体(列车、车辆、等)动力学的实时解算，并通过IO接口与被测控制器构成控制闭环。

　　2) 故障注入系统：实现々物理层、电气层、协议层等故障注入。

　　3) 高速信号调理及适配系统：实现信号的调理和适配。

　　4) 三维视景系统∴：以三维视景的形式展示系统运行状态。

　　5) 高速数据采集系统：实现多路高速的信号采集、存储、回放、分¤析等功能◥。

　　6) 实验室管理软件：实现实验室级别的平台管理，包括试验总控ぷ、自动化测试、试验数据管理、测试需求管理等功能。

　　3.关键技术

　　在电牵引电推进的HIL测试平『台中，重点在于如何搭建▓包括高速FPGA仿真、高速数据采集、高速调理的测试】验证环境，以实现高精度、高动态的实时仿真◥，并保证数据∩传输、存储的质量。其关键技术包括：

　　• 基于System Generator的复杂电气主∑　电路建模

　　System Generator是Xilinx公司进行数字信号处理开发的一种设计工具，可直接在simulink的环境下进行FPGA模型的搭建，再通过恒润科≡技提供的HAC技术，可将模型通过自动代＠ 码生成直接编译下载至FPGA中。

　　在电牵引网、电推进系统中，大多数主电路为AC-DC-AC、DC-AC等拓扑结构，中间涉及到变压器模型、预充电模型、整流模型、中间∮电路模型、斩波模型、逆变模型、电机模型、单相全波不可控整流等模型，而如何准确的搭建这些被控对象模型、如何将上述子模型搭》建成完整的主电路模型成为HIL测试平◆台的核心。以某合作项目中的辅助系统模型为例：

　　由上图可见，此类电动◢力系统的主电路拓扑是极其复杂的。一般采用子系统建模方法，再通过整合子系统模︻型，形成完整的主电路拓扑模型，建模时得充分考虑电路的特性、工作原理，并用数学语言对系统进行描述，过程涉及传函分析、离散化、定点化等关键步骤，另外合成主电╳路模型中并不是直接把子系统堆砌而成，可能要考虑是否加入惯性环节、是否加入阻尼因子等，另外还需要考虑ξFPGA时序、流水线设计等。恒润科技在诸多实施项目中均有√实际运用，具有较丰富的建模丰富，能够针对客户具体的应用场ぷ景进行系统建模。

　　• 高速FPGA仿真产品

　　为了满足高速高动态的电气对象仿真，恒润科技自研两种基于FPGA的解决方案。其中一种♂为HR-cPCI-5125 FPGA仿真板卡，采用Xilinx的K7系统处●理器，具有多路AD、DA、DIO、旋变等接口，可安装于cPCIa或PXI机箱中使用。另一种为 HAC5161 FPGA仿真设备，采用1U标准上柜结构，具有更丰富的FPGA资源，并可通过6个 IO子卡进行接口扩展，能够实现高达384路DIO或96路AD、DA通道。

　　• 高速数据采集技术

　　在HIL测试平台中，对实验数据的管理々也是至关重要的。数据分析是实验的目的。为了能够采集存储实验中的数据，并尽可◤能的保留实验细节数据，因此恒润科技自研了一套Lighting Tracker(简称“LT”)的高速数据采集系统，此系统能↘够采集1M Samples/S的几百路高速信号并存储，能够进行：

　　1) 硬件资源管理

　　2) 实时波形显示

　　3) 历史数据管理

　　4) 数据分析

　　• 高速信号调理技▓术

　　信号调理系统用于将TCU的输入输出信号调「整到仿真机的输入电平。在电牵引、电推进等系统中调理系统涉及到的种类较多，包含◥不同电平的电压信号、多种范围电流信号和光纤信号，同时涉及到高速的信号ㄨ变化，达到微秒级的响应，信号调理系统设计起来难度远高于其他系统。恒润科技在诸多实施项目中高速信号调理系统能够达到的典型←指标如下：隔离，延迟时间<2us，频率>1kHz，驱动能力>10mA。模拟信号准确度<1%，带宽>20kHz，线性度<1%等。

　　4. 采用高速动态测试验证解决方案给客户带来的收益

　　♦ 能够模拟实物试验中难以开展的极限工况故障工况●试验，避免给实际系统造成损坏

　　♦ 能够实现长达数〓小时的长时间仿真，避免仿真软件因内存不足崩溃等现象

　　♦ 仿真效率╲高：离线仿真(例如基于simulink的离线仿真)1分钟可能耗时10分钟乃至1小时;实时仿真则只需要1分钟

　　♦ 能够进行各种●故障注入的模拟(包括电机缺相、传感器故障等)，能够充分测试验证控制系统的各种控制逻辑，保证开发系〒统的正确性

　　♦ 可以作为前期◢控制器开发的调试平台，提供虚拟的被控对象环境，提高控制律设计和调试改进过程的研制效率

　　♦ 采用高速动态的仿真测试平台，能够提高仿真精度

　　♦ 采用高速数据采集系统，能够完整存储试验数据，便于试验后进☆行数据分析和故障排查

　　5. 应用&案例

　　• 某↑轨交单位牵引系统开发测试平台

　　牵引系统开发测试平台为实现牵引控制单』元的调试、功能与性能测试提供支撑，提ζ供包括调试/测试虚拟环境、测试状态与效果的动态展示以及实验♀室级自动化管控的功能。采用牵引系统半实物仿真平台功能如下：

　　♦ 实现4动4拖的动车组仿真测试

　　♦ 实现4动2拖※的城轨仿真测试

　　♦ 利用FPGA实现牵引主电路、辅♂助主电路的高速仿真，仿真步长达到100ns

　　♦ 系统具有10多个机柜、1万余根线，具有高复杂度等特点

　　♦ 具有高速数据采集系统，能够实现32路模拟量、80路DIO的高速采集

　　作为的电子系统☆供应商，恒润科技基于高精度伺服控制技术、大∏功率变流技术、复杂机电液系统建模技术、高性能实时仿◆真技术，提供面向电气、机电、动力系统的研制及测试≡验证环境等先进解决方案。在以上三个系统的仿真测试领域拥有丰富的工程经验，为用户提供高质量的Ψ 产品和服务;其中，功率级HIL、复杂牵引控制系统测试、供配电系统测试等多个↙解决方案在国内具有技术领先性;赢得了客户的一致认可，为事业的发展贡献了自己的一份力量。