基于fpga的舰载电力电子系统硬件在环测试

由于李奥纳多DRS电力电子系统的大规模，工程师以前依赖于小型原型机和硬件测试台，这些都不是功能完整的。这种方法使得测试与硬件的完整软件交互范围变得困难。当完整的硬件确实可用时，测试时间很有限，因为多个内部和客户团队需要访问它。此外，必须设计和安排硬件测试，以避免损坏设备或危及人员。

HIL测试将使Leonardo DRS工程师能够安全地进行全面的软件测试。但是，运行C代码的基于CPU的HIL设置无法在所需的逼真度水平下进行微秒采样时间的模拟。该团队评估的一个基于FPGA的商用HIL解决方案需要大量的HDL编程，即使对于相对简单的电力电子设计也是如此。莱昂纳多的工程师需要对电力电子设计进行高保真、微秒级的半实物仿真测试，而无需手动编码HDL。

Leonardo DRS建立了基于Simulink、Simscape Electrical、Simulink Real-Time、HDL Coder和Speedgo金宝appat Real-Time目标硬件的电力电子HIL仿真工作流。

在这个工作流中，工程团队在Simulink中开发一个高级工厂模型，其中包括来自Simscape Electrical的源、负载、igbt和其他组件块。金宝app

他们使用该电厂模型进行开环仿真，以验证高层设计是否满足系统要求。他们还使用电厂模型与控制器的Simulink模型进行闭环仿真，以验证控制器功能。金宝app

随着硬件设计的进展，团队将对工厂模型进行细化并添加细节。例如，它们用为设计选择的特定IGBT组件参数化的块替换通用IGBT块。

接下来，团队准备将模型部署到实时HIL目标机器上的FPGA上。这个过程包括识别和替换模型的非线性元素与切换的线性等效。“因为我们的采样速率是1微秒，而且死区时间非常小，所以我们并不真正关心系统中的非线性——我们从切换的线性组件中获得所需的所有精度，”李奥纳多DRS的软件工程师Henry Brengel说。

在运行模拟,确保更新后的植物模型展览之前相同的动态行为模型,研究小组使用了Simscape HDL工作流Advisor仿真软件实时和高密度脂蛋白编码器从模型中生成HDL代码并将其部署到FPGA模块的Speedgoat实时目标硬件。金宝app

如果有必要降低FPGA资源利用率，团队将用平均值块替换交换线性块。以这种方式降低模型保真度可以使HIL测试以50纳秒的采样时间运行。

Leonardo DRS工程师正在生产项目上使用新的HIL工作流程，并将其扩展到包括故障测试和已部署电力系统上识别问题的复制。

• 设计迭代从几天减少到几个小时。布伦格尔说:“调试和解决实际设备上的问题很容易需要一周的时间，因为我们对这些设备的访问非常有限。”“现在，工程师可以在几个小时内解决这些问题，因为他们可以立即访问基于Simulink的HIL设置，而且没有损坏昂贵的系统组件的风险。”金宝app
• 节省了成本、时间和实验室空间。Harper说:“我们使用Simulink、Simscape Elec金宝apptrical和HDL Coder创建的HIL测试台取代了那些将花费数百万美元、需要6个月或一年才能购买的设备，并占用我们实验室的很大一块区域。”“我们可以实时测试一个价值数百万美元的工厂的软件和控制硬件，而不需要工厂，成本只是成本的一小部分。”
• 仿真模型可重复用于HIL测试。“我们的工程师擅长电力电子设计，但不是HDL编程专家，”哈珀说有了Simulink，他们不必如此。他们可以使用他们信任的相同模型，每天运行模拟，在FPGA上运行HIL测试，而无需手动将其转换为另一种语言。”金宝app