硬件在环仿真系统概述
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摘要：与传统的ECU仿真方法相比，硬件在环仿真具有高实时性、低成本、灵活性高、可重构性强、仿真精度高等优点。本文介绍了硬件在环仿真基本原理及dSPACE、RT-LAB、NI硬件在环仿真平台，并阐述了硬件在环仿真模型的开发步骤，对硬件在环仿真当前的发展情况进行了简单概述。
Abstract： In contrast with traditional simulation method of ECU， Hardware-in-Loop simulation has advantages of high real-time， lowcost， high flexibility， high accuracy of simulation. This paper introduces basic principle of HIL simulation and HIL simulation platform of dSPACE， RT-LAB and NI. This paper illustrates developing procedure of HIL simulation model and overview of HIL developing condition.
关键词： 数据挖掘；模型与算法；应用发展方向
Key words： DSP；PMSM；MATLAB
中图分类号：TJ811 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0097-02
0 引言
硬件在环仿真是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与被测对象相连接。硬件在环仿真在电子控制单元的研发过程中占据着越来越重要的地位，它提供了一种成本低、可重构性高、安全性高、灵活高效的仿真方法，能减少实车试验的次数，缩短开发时间。
1 硬件在环仿真基本原理
硬件在环仿真系统是由处理器模板与I/O板通过ISA总线构成的多处理器系统。处理器之间的数据传输速率达到1Gb/s以上。光纤或共享内存实现处理器之间的数据交换功能，用户根据自己的测试需求对硬件在环仿真系统结构进行自定义，构建合适的仿真系统实现相应的功能。
硬件在环仿真系统一共有以下两种形式：
①虚拟控制器+实际对象=快速控制原型仿真。
②实际控制器+虚拟对象=硬件在回路仿真系统。
硬件在环仿真系统主要由三部分组成：实时软件模型，硬件平台，实验管理系统。原理图如图1。
2 硬件在环仿真平台
2.1 dSPACE实时仿真系统
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。
dSPACE中的处理器运算性能强大，并且I/O接口十分丰富，用户可根据需要自行组合；软件环境功能强大而又灵活，提供自动生成代码及调试和下载等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方面，dSPACE允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，可在设计之初就将错误修正，节省设计费用。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷。通过将快速原型硬件系统和所要控制的实际设备相连接，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路技术将原型控制单元或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。
在硬件在回路仿真方面，dSPACE平台可以实现对控制器的极限测试，失效测试。
2.2 RT-LAB实时仿真系统
RT-LAB是加拿大名为Opal-RT公司推出的一款工业级的系统实时仿真平台软件包。
该平台能在短时间内以较低的成本建立实时系统动态模型，简化工程系统的设计过程，具有灵活、高效、可测量等优势。
RT-LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的动态系RT-LAB所用；采用分布式处理的专业化块设计；且该平台使用户能方便地将目标模型分割为几个子系统，便于并行处理，集成丰富的第三方代码库；提供丰富的应用程序编程接口，便于用户开发自定义应用；使用LabVIEW等工具可以创建定制的功能和测试界面；支持1000余种I/O设备，提供高度优化的硬件实时调度程序。
2.3 NI硬件在环仿真平台
NI开发的硬件在环仿真平台帮助用户节省了在汽车研发到生产各个阶段耗费的时间和成本。凭借业内领先的I/O、灵活现成的硬件、强大高效的LabVIEW开发环境，用户可以创建各种应用的解决方案。
NI开发了基于PXI实时控制器的硬件在环仿真方案。PXI全称为面向仪器系统的PCI扩展，结合了PCI的电气总线特性和通用计算机强大的功能和高性价比，提供了一种高性能、低成本的虚拟仪器测试方案。
仿真模型建立在PXI实时控制器之中，NI提供FPGA模块以适应更高动态性能和更高精度的模型应用需求。NI硬件在环仿真平台具有开放的软硬件技术架构，可以减少工程师的开发时间、成本和风险。在支持第三方硬件和软件建模工具的同时，NI还提供一系列高性能模拟和数字I/O设备，CAN、LIN和FlexRay总线接口，故障注入硬件等，便于用户高效实现应用。基于开放的工业标准，用户总能将最新的PC技术用在自己的HIL测试系统中。同时，HIL测试系统的可扩展性满足了多种快速变化的需求，以适应新技术发展所带来的测试挑战。
3 硬件在环仿真开发步骤
硬件在环仿真的开发步骤如下：
①统计被测对象的I/O特性；
②理解HIL的工作方式：供应商开发的板卡主要是数模信号的进一步处理、故障注入和电源管理。在理解供应商板卡的工作方式和跳线设置的基础上做故障注入和信号采集、发送。例如做执行器的故障注入，执行器电源由ECU提供，因此ECU执行器电源需要连接到故障注入板卡的参考端，故障注入板卡的电源跳线设置为参考端，故障注入板卡的电源跳线设置为参考端，用电阻模拟执行器负载；
③在理解工作方式的基础上根据信号流动和ECU的IO进行匹配。由一个比较复杂的表来维护映射关系和板卡跳线设置；
④模型开发及硬件I/O连接。
HIL的应用包括以下几个方面：
①HIL测试，测试用例的编写、管理、复用；
②基于HIL的控制器的开发；
③基于HIL的车联网应用开发。
图2为根据步骤建立的永磁同步电机控制系统硬件在环仿真结构图。
4 结语
硬件在环仿真有试验环境可控性强、仿真可重复、可进行极限状态下的测试、试验成本低等优点，在控制系统的开发过程中占据着越来越重要的地位，应用前景十分广阔。
参考文献：
[1]顾卫钢.手把手教你学DSP――基于TMS320X281X[M].北京航空大学出版社，2011.
[2]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].机械工业出版社，2009.
[3]赵辉，鲁超，冯金钊.基于SVPWM的永磁同步电机控制策略研究[J].电测与仪表，2009，46（7）：13-16.