电牵引/电推进系统的高速HIL测试平台

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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，在航空航天动力系统、船舶鱼雷电推系统、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，但例如在船舶领域中用到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

            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、船舶等）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、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。

      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FPGA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，此系统能够采集最高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

       &#9830;  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

       &#9830;  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

       &#9830;  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

       &#9830;  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

       &#9830;  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

       &#9830;  采用高速动态的仿真测试平台，能够提高仿真精度

       &#9830;  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

&#8226;  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：

       &#9830;  实现4动4拖的动车组仿真测试

       &#9830;  实现4动2拖的城轨仿真测试

       &#9830;  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

       &#9830;  系统具有10多个机柜、1万余根线，具有高复杂度等特点

       &#9830;  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


        作为国内领先的电子系统供应商，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，为国防事业的发展贡献了自己的一份力量。