使用​NI PXI Express​和​CompactRIO​来​开发​机车​电力​驱动​ECU​的​硬件​在​环​测试​装置

Jan Švanda, ŠKODA ELECTRIC a.s.

"我们​开发​了​两​个​版本​的​HIL​系统,​一个​使用​CompactRIO,​另​一个​使用​NI PXI Express​硬件。 CompactRIO​版本​的​优点​包括​便​携、​尺寸​小​以及​硬件​成本​低,​而​PXI​系统​则​提供​了​更多​的​功能。 两​个​模拟​器​的​主要​架构​相似,​且​系统​之间​几乎​可​无缝​转换。" ​

- Jan Švanda, ŠKODA ELECTRIC a.s.

挑战:

开发​机车​主​驱动​的​硬件​在​环​(HIL)​模拟​器,​以​测试​新​开发​的​控制​算法。 ​

解决​方案:

分别​在​NI CompactRIO​硬件​和​配有​FPGA​板​卡​的​NI PXI Express​平台​创建​了​两​个​版本​的​模拟​器。 模拟​器​的​一个​核心​元素​是​受​控​系统​的​模型,​该​模型​可​使用​NI LabVIEW​系统​设计​软件​和​LabVIEW FPGA​模​块​进行​编​程。 所​编​程​模型​的​准确​性​通过​同​一个​系统​中的​LabVIEW​控制​设计​和​仿真​模​块​得到​验证。 ​

ŠKODA ELECTRIC​是​一个​世界​领先​的​电力​驱动​装置​和​牵引​电动机​制造​商,​其​产品​适用​于​无轨​电车、​有轨电车、​机车、​市郊​列车​和​矿​车​等。

 

测试​电力​驱动​装置

电力​驱动​装置​包含​有​一个​电子​控制​单元​(ECU),​其​内​置​软件​必须​经过​测试。 测试​ECU​有​几​种​方法。 其中​一种​测试​方法​是​直接​将​ECU​连接​到​受​控​系统​来​逐​个​进行​测试。 这种​做法​可能​会​导致​一些​问题。 例如,​如果​受​控​系统​是​功率​为​数百​千瓦​的​马达,​则​需要​有​合适​的​电源​和​空间​来​放置​试验​台,​这样​的​测试​金钱​与​时间​成本​都很​高,​这​促使​我们​采用​了​一种​新的​测试​方法,​新​方法​采用​模型​来​替代​真实​的​受​控​系统。

 

 

 

受​控​系统​描述

电力​驱动​装置​由​一个​马达​[在​本​例​中​是​感应​电机​(IM)]、​一个​逆​变​器​以及​通过​PWM​控制​转换​器​输出​电压​的​ECU​组成。 图​1​所​示​的​示意​图​简单​介绍​了​电力​驱动​装置​的​工作​原理。​ECU​的​输入​信号​是​来自​IM​的​相位​电流​和​直流​环节​电压​信号。 所有​这些​信号​都​需要​经过​ECU​控制​软件​的​处理。 ECU​的​输出​是​用于​控制​逆​变​器​(PWM)​晶体​管​的​信号。 ECU​能够​创建​逻辑​I/​O​信号,​并​通过​控制器​区域​网络​(CAN)​和​RS232​与​其它​ECU​和​PC​通信。

 

 

 


​模拟​器​架构​描述

如​前​所述,​我们​开发​了​两​个​版本​的​模拟​器​——​一个​版本​基于CompactRIO,​另​一个​版本​基于​NI PXI Express​平台。 PXI Express​模拟​器​具有​更多​功能,​但​两​个​模拟​器​的​主​架构​(图​2)​非常​相似。 受​控​系统​的​数学​模型​在​FPGA​上​运行。 FPGA​负责​实现​输入​和​输出​功能,​提供​了​ECU​和​模拟​器​之间​的​连接。 实​时​终端​提供​上位​机​和​模拟​器​(设置​模型​和​常量)​之间​的​通信。 通信​通过​网络​流​和​共享​变量​实现。

 

基于​PXI Express​的​模拟器

我们​的​目标​是在​不需要​对​测试​进行​任何​条件​编译​的​情况​下,​使用​与​火车​头​相同​版本​的​软件​测试​ECU。 为了​满足​这​一​要求,​我们​需要​将​ECU​连接​到​完整​的​控制​系统。 这个​任务​增加​对​模拟​器​的​要求。 我们​必须​创建​ŠKODA Control System (ŠCS)​和​NI​硬件​之间​的​接口。 我们​使用​这个​接口​来​调节​信号,​因为​ŠCS​使用​的是​牵引​技术​中​常用​的​特殊​信号,​比如​电流、​较​高​电压​的​逻辑​电​平​以及​光​信号。

 


​我们​选择​PXI Express​硬件​是​因为​系统​仿真​包括​所有​这些​接口。 其​计算​内​核​与​CompactRIO​模拟​器​所​使用​的​内​核​相同,​而且​采用​相同​的​软件​模​块,​这些​模​块​是​使用LabVIEW FPGA编写​的。 图​3​展示​了​PXI Express​模拟​器​的​整体​示意​图。 该​系统​的​计算​核心​组​件是NI PXI-7854R R​系列​多功能​可​重​配置 I/​O (RIO)​模​块。 机​箱​包含​其他​模​块,​包括​CAN、​快速​数字​I/​O (DIO)、​电源​和​其他​模拟​输出。 电源​模​块​用于​为​ŠCS​设置​适当的​逻辑​电​平​输入。 CAN​模​块​用于​与​ŠCS​通信。 模拟​输出​模​块​和​快速​DIO​模​块​用于​特殊​测试​场景。

 

 

 

基于​CompactRIO​的​模拟器

基于​CompactRIO​的​模拟​器​是​一个​更​轻​量化​的​版本。 它​采用​与​PXI Express​版本​相同​的​FPGA​计算​模型。 但是​模拟​器​可​直接​连接​到​ECU(图​4),​这​一点​与​PXI Express​版本​不同。 它是​ŠKODA​开发​的​驱动​装置​模拟​器​的​早期​原型。 我们​使用​此​版本​对​模型​创建​程序​进行​了​验证,​并​转移​到​PXI Express​平台​进行​下一步​开发。 这个​版本​的​优点​是​便​携、​尺寸​小、​所需​的​硬件​成本​低。

 

 

 

使用​LabVIEW FPGA​创建​模型

这个​部分​是​整个​项目​的​最大​难点​所在。 在​FPGA​上​开发​实​时​模型​的​过程​对​开发​人员​提出​了​更高​的​要求。 在​FPGA​平台​上​使用​仿真​工具​来​创建​模型​是​不可能​的。 开发​过程​的​输入​是​经过​适当​数值​处理​的​微分方程。 然后​将​数值​方程​系统​转移​到​FPGA​平台。 需要​记住​的是,​所有​的​运算​都是​定点​算术​(FXP)​计算。 它​可以​与​优势​函数​一起​应用​于​各种​高​吞吐量​数学​函数​来​进行​计算​操作。

 

FXP​计算​的​数学​建​模​首先​需要​仿真​系统​的​协同​仿真。 协同​仿真​用于​验证​FPGA​上​的​FXP​模型。 如​前​所述,​FPGA​模型​采用​FXP​运算。 计算​结果​主要​取决​于​二元​运算​的​位​精度。 这​就是​为什么​验证​结果​非常​重要。

 

我们​使用LabVIEW​控制​设计​和​仿真​模块作为​协同​仿真​工具。 协同​仿真​的​执行​步骤​如下: FXP​模型​和​仿真​循环​在​同​一个​VI​中​调​用。 在​FPGA​上,​同一​系统​的​模型​在​仿真​循环​中​创建,​而​该​仿真​循环​则​是​使用​LabVIEW​控制​设计​与​仿真​模​块​开发​的。 调​用​FPGA VI​与​仿真​循环​的​功能​对于​开发​人员​非常​有用。 模型​之间​的​偏差​可以​立即​看出,​而且​还​可以​在​LabVIEW​代码​中​进行​任何​必要​的​调整。 代表​FPGA​模型​的​VI​通过​循环​仿真​在​同​一个​VI​中​进行​调​用。 LabVIEW的​这​一​功能​对​开发​人员​非常​有​帮助,​因为​模型​之间​的​任何​数值​差​都可以​立刻​看出,​而且​也​能够​调整​必要​的​参数。

 

 

FPGA​中的​模型 v.s. 使用​LabVIEW​控制​设计​和​仿真​模​块​以及​实​时​终端​创建​的​模型

FPGA​模型​的​一个​显著​优点​是​仿真​能够​实现​短​的​时间​步​长。 但是​短时间​步​的​一个​缺点​是​会​导致​模型​开发​过程​更​复杂。

 

使用​LabVIEW​控制​设计​与​仿真​模​块​创建​并​在​实​时​终端​运行​的​模型​也有​其​优点。 虽然​无法​实现​与​FPGA​模型​同样​短​的​时间​步​长,​但​开发​过程​耗​时​却​显著​缩短。 该​模型​通过​连接​数学​块​来​创建,​而且​无​需​手​动​编写​数值​方法。 这种​模型​的​另​一个​优势​是​所有​运算​都​采用​双​精度​处理​(64​位​浮点)。

 

基于​LabVIEW FPGA​平台​的​模拟​器​的​优势

LabVIEW​控制​设计​与​仿真​模​块​和​LabVIEW FPGA​模​块​函数​之间​的​连接​帮助​我们​创建​并​验证​了​一个​精确​的​机车​主​驱动​装置​模型。 模拟​器​可​帮助​我们​评估​控制​大型​驱动​装置​的​新​算法,​并​让​我们​的​开发​人员​有​更多​的​时间​来​测试​软件。 我们​目前​正​处于​早期​阶段,​对于​如何​进一步​改善​模拟​器​还有​许多​想法。 模拟​器​项目​最先​在​单​个​电​动​RegioPanther​单元​(图​5)​的​测试​和​验证​控制​软件​上​使用。

 

作者​信息:

Jan Švanda
ŠKODA ELECTRIC a.s.
​Czech Republic
jan.svanda@skoda.cz

​ ​图​1. ECU​与​受​控​系统​的​连接​原理​图。 蓝色​框​表示​仿真​的​部分。 ​
​ ​图​2. 模拟​器​架构 - 上位​机​和​其他​终端​之间​的​数据​流​框​图。 ​
​ ​图​3. PXIe​模拟​器 - 接口 – SKODA​控制​系统​连接​整体​示意​图 ​
​ ​图​4. CompactRIO​模拟​器​直接​连接​至​ECU,​右侧​的​方框​是​一个​接​线​盒,​仅​用于​路​由​信号。 ​
​ ​图​5. 测试​过程​中的​RegioPanther​单元 ​