使用NI PXI Express和CompactRIO来开发火车头电力驱动ECU的硬件在环测试系统

ŠKODA ELECTRIC是一家世界知名的电力驱动装置和牵引电机制造商，其产品适用于无轨电车、有轨电车、火车头、大都市市郊列车单元和矿车。

测试电力驱动装置

电力驱动装置内包含一个电子控制单元(ECU)，其内置软件必须经过测试。测试ECU可采用几种方法。其中一种测试方法要直接将ECU连接到受控系统来逐个进行测试。这种方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电机，需要有合适的电源，以及放置测试台的合适空间。所有这些前期准备既昂贵又费时。鉴于上述问题，我们实现了一种新的测试方法。新方法要用模型来替代受控系统。

受控系统说明

电力驱动装置由一个电机（本例中为感应电机，以下简称IM）、一个逆变器和一个通过PWM控制转换器输出电压的ECU组成。图1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的相位电流和来自旋转速度传感器的DC链路电压信号。所有这些信号都需要经过ECU控制软件的处理。ECU输出的是逆变器晶体管的信号(PWM)。ECU能够创建逻辑I/O信号，并通过控制器区域网络(CAN)和RS232与其他ECU和PC通信。

仿真器架构说明

如上所述，我们创建了2个不同版本的仿真器：一个基于CompactRIO，另一个基于NI PXI Express平台。PXI Express仿真器的功能更多，但两个仿真器的主架构（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，在ECU和仿真器之间提供了连接。实时终端提供主机PC和仿真器之间的通信（设置模型和常量）。通信通过网络流和共享变量实现。

基于PXI Express的仿真器

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，使用与火车头所用版本相同的软件测试ECU。为了满足这一需求，我们需要将ECU与整个控制系统相连接。这项任务增加了对仿真器的需求量。我们必须创建用于连接ŠKODA Control System (ŠCS)和NI硬件的接口，然后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、较高的逻辑电平电压以及光信号。

之所以选择PXI Express硬件是因为系统的整个仿真涉及到了所有这些接口。其计算核心与CompactRIO仿真器所使用的相同，而且采用使用LabVIEW FPGA编写的相同软件模块。图3展示了PXI Express仿真器的整体示意图。该系统的计算核心是NI PXI-7854R R系列多功能可重配置I/O (RIO)模块。其机箱包含其他模块，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进行通信。模拟输出模块和快速DIO模块用于特殊测试场景。

基于CompactRIO的仿真器

基于CompactRIO的仿真器是一个简化的版本。它采用与PXI Express版本相同的FPGA计算模型。但是仿真器可直接连接到ECU（图4），这一点与PXI Express版本不同。它是ŠKODA开发的驱动装置仿真器的早期原型。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。开发过程输入是微分方程，使用解微分方程的适当数值方法进行处理。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。它可以与高吞吐量数学函数中的优势函数一起应用于计算操作。

FXP算术的数值数学模型实现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。如前面提到的，FPGA模型采用FXP运算。计算结果主要取决于偏导数运算的位精确度。因此，验证结果非常重要。

LabVIEW专业版中将LabVIEW Control Design and Simulation模块作为协同仿真工具。 协同仿真的执行方式如下：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 Control Design and Simulation模块开发的。调用FPGA VI与仿真循环的功能对于开发人员来说非常有用。模型之间的偏差可以立即看出，而且还可以对LabVIEW代码进行必要的调整。代表FPGA模型的VI通过仿真循环在同一个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。

使用FPGA创建的模型与使用LabVIEW Control Design and Simulation模块以及实时终端创建的模型

FPGA模型的一个显著优点是能够实现短仿真时间步长。但是短时间步长的一个缺点是会导致模型开发过程更加复杂。

使用LabVIEW Control Design and Simulation模块创建并在实时终端运行的模型也有其优点。虽然很难实现与FPGA模型相同的短时间步长，但开发过程却显著缩短了。该模型用于连接数学块，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制式处理（64位浮点）。

基于LabVIEW FPGA平台的仿真器的优势 

LabVIEW Control Design and Simulation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火车头主驱动装置模型。仿真器可帮助我们评估控制大型驱动装置的新算法，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，对于如何进一步改进仿真器还有许多想法。仿真器项目最先在单个RegioPanther电动单元（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.
捷克共和国
jan.svanda@skoda.cz