电力电子设备测试面临全新挑战
高速
EV电力电子设备的特征在于2kHz至20kHz范围内的快速 切换频率。业界希望使用基于碳化硅和氮化镓的新设计来 进一步提高上述频率。要对切换行为进行准确建模，所需 的仿真时间步长频率要远远高于刚才所说的切换速度，很 多情况下，与使用基于CPU的标准仿真系统相比，所需频率 要高出许多倍。
复杂行为
电机表现出复杂的非线性行为，例如磁饱和与齿槽转矩。 此类行为可能很难建模，而且计算量非常大。线性模型可 用于测试基本的嵌入式控制器功能，但是要进行调整和 优化，则需要准确地表示更复杂的系统行为。 使用基于CPU的系统进行实时仿真具有局限性，因此无法 在产品开发周期的较早阶段采用模型在环(MIL)和硬件在环 (HIL)等基于仿真的方法，也无法避免成本高昂且耗时的电 动发电机(电机测试台)物理测试。
方法
借助FPGA进行高速仿真
能够达到足够的仿真速度，以实现EV电力电子设备的MIL 和HIL测试，这意味着在仿真期间达到小于1秒的范围，即 可执行能够以足够的保真度表示这些复杂系统的模型。要 以上述速度关闭控制回路，需要从基于CPU的系统转变为 使用FPGA来模拟电力电子设备和电机的范例。
但是，基于FPGA的仿真带来了新的难题。在FPGA上开 发复杂的电力电子和电机模型通常需要专门的FPGA编 程知识。此外，整个编译过程需要不断重复编程、编译和 测试的流程，需要等待较长时间才能完成。
EV动力总成设计的重点在于管理动力流并优化动力转换。
解决方案
NI实时测试架构 + OPAL-RT电力电子仿真
NI通过PXI和CompactRIO硬件提供了灵活的测试、测量和 控制功能。两种系统都将实时CPU与用户可编程的FPGA和 模块化I/O结合在一起。它们还通过运行VeriStand软件， 将模型与I/O集成在一起，并配置和运行实时测试。
PXI和CompactRIO都提供了实现基于FPGA的仿真方法所 需的系统架构。借助这些系统，您能够以亚微秒的环路速 率运行复杂的电力电子和电机模型，确保所需的仿真保 真度，从而返回准确的测试结果并在设计过程中尽早完成 更多测试。
VeriStand
VeriStand是一款实时测试软件，可帮助您进行实时目标主 机通信、数据记录、激励生成，以及预警检测和响应。
此外，VeriStand从仿真测试到HIL测试的转换相当快速， 您还可复用测试组件，包括测试配置文件、预警、步骤和分 析程序等。您可以为硬件信道和物理I/O重新匹配模型中的 参数。这种过渡可在执行回归测试时帮助节省时间，并有助 于使用TestStand等测试执行软件来实现测试自动化。
此外，VeriStand还具备开放式的框架，可通过插件创建应 用程序特有的功能。这为测试系统提供了最大的灵活性。
OPAL-RT
适用于VeriStand的电力电子插件
NI与NI合作伙伴OPAL-RT合作，为VeriStand提供基于FPGA 的电力电子附件。该附件可直接与VeriStand集成，并且可通 过LabVIEW软件开发套件进行扩展，是一款基于FPGA且功 能强大的电力电子和电机仿真工具，包括以下内容：
· OPAL-RT的电子硬件求解器(eHS)，这是一种功能 强大的浮点求解器，可用于在FPGA上模拟电路，而 无需编写数学方程式。从各种流行的电路图编辑器 导入模型以进行电力电子仿真，例如MathWorks Simscape™Electrical™专用电源系统库、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim。您可以选择 eHSx64或eHSx128来匹配电力电子拓扑的复杂性和大 小(系统中状态、开关以及测量和控制信号的数量)。
· 机器模型求解器，包括永磁同步电机和感应电机配置以 及位置反馈设备(如分解器和编码器)。
· 多个受支持的2D和3D求解器，可以从有限元分析或实验 数据中以表格形式导入机器特性。
· 信号生成引擎(例如正弦波、脉冲宽度调制(PWM)和正弦 波PWM)，直接内置于FPGA设计中，用于生成用于开环 和/或闭环测试的控制信号。
· 能够使用定制的测试场景和参数集在仿真过程中更改参 数，可以生成故障并自动执行测试，而无需重新加载或 重新编译模型。
结果
借助NI和OPAL-RT解决方案，您可以在FPGA上实现基于亚 微秒模型的电力电子和电机仿真，进行高准确度的MIL设计 研究。您可以将这些模型连接到基于FPGA的高性能I/O，实 施高性能HIL测试系统。
借助模块化硬件和开放软件，您可以针对每个特定的应用 量身定制测试系统，同时在各个系统之间保持一致的测试 架构，还可在之后升级系统，以便于满足不断变化的测试 要求。该解决方案可帮助您在设计过程中尽早转变测试方 法，以便更快地发现问题，尽早优化性能，尽可能扩大测试 范围，同时缩短测试时间并降低测试总成本。
作者
NATE HOLMES
NI动力总成测试主管
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