双向dcdc变换器simulink仿真_硬件在环仿真工具及其实现

在本系列的第一部分中，我们了解了什么是硬件在环(HIL)仿真，以及它如何提供一个平台来完成复杂系统的实时验证。它本质上是一种使用模拟实际外部刺激的信号来帮助测试对象系统的技术。

一般来说，一个大型复杂系统需要用几个物理设备进行模拟仿真，以便在保持仿真规模的同时，使实际设备的高保真响应成为可能，如图1所示。

图1. HIL仿真设置的示例。(图片来源：Speedgoat)

与传统验证技术相比，HIL方法在降低流程成本和缩短上市时间方面被证明是非常有效的。在本系列的第二部分中，将了解更多可用的HIL解决方案及其在电力电子和电力系统领域的应用。

可用的HIL系统

目前有几家公司正在提供具有竞争力的硬件在环仿真作为端到端解决方案。其中一些(没有特别的顺序)是Typhoon，OPAL-RT，dSPACE，Plexim的RT-Box，Speedgoat和NI。这些解决方案中的绝大多数都与使用MATLAB/Simulink软件平台创建的仿真模型一起工作，从而使集成和HIL验证过程更加方便、直观和用户友好。

一些行业、大学和研发中心已经从HIL解决方案中获益。它们大多具有可扩展性和灵活性，使HIL成为学术和创新努力的最佳选择。

Typhoon HIL模拟器

Typhoon为电力电子、微电网、电机驱动、配电网和机车牵引等领域的多个应用提供了超高保真控制器硬件在环仿真能力。它提供必要的库的方便安装，仿真模型的快速编译，低精度的时间步长和分辨率。

Typhoon所提供的解决方案是一个无缝集成的技术集，从应用程序专用处理器和鲁棒数值求解器到原理图编辑器。

OPAL-RT HIL模拟器              

OPAL-RT提供了最先进的HIL模拟器，具有快速控制原型(RCP)系统和真实功率硬件。它在单个测试台上提供离线仿真、实时仿真和真实硬件测试功能。它承诺开放的架构，速度，准确性，整体高性能，以及各种演示模型。

图3. OPAL-RT提供的HIL设备样品。

   OPAL-RT所提供的实时模拟器基于PC/FPGA，主要用于设计、测试和优化电力系统、汽车、电力电子和航空航天等领域的各种系统。             

dSPACE SCALEXIO系统

dSPACE为SCALEXIO系统提供先进的硬件和软件架构，以及具有高动态性能的交钥匙测试台。它的产品涵盖所有的测试阶段，包括功能测试、ECU测试和网络测试。      

图4. dSPACE的HIL设备示例。

SCALEXIO支持电驱动技术和数据驱动软件开发领域的验证，同时为总线仿真提供了一个全面的工具包和各种软件工具。

Plexim RT Box模拟器

Plexim为电力电子提供了一个新的HIL平台，称为RT-Box。它通过FPGA嵌入式CPU核，方便快速控制原型设置和实时HIL测试。

图5. Plexim的HIL设备示例。

RT-Box的关键应用领域包括电力电子系统，如简单的变换器、交流驱动或多电平逆变器，特别是功率级的仿真。它声称具有低时间分辨率和低输入/输出延迟。

Speedgoat模拟器

Speedgoat提供实时目标机器，具有专门的输入/输出模块、多核CPU和FPGA，以及大量的通信协议选项。一些最常见的应用包括电池组仿真、汽车部件和电力电子。

NI HIL测试平台          

NI提供了硬件和软件相结合的工具，以满足高保真电机仿真的需要。            

    他们的HIL解决方案提供了一个平台，可以安全地进行潜在的破坏性测试，比如瞬态和故障情况。它提供了一个开放的、可扩展的平台，具有高逼真度仿真和执行速度。该解决方案实现了电机控制系统的三级测试，包括信号级、功率级和机械级测试。

HIL在电力电子与电力系统中的实现             

电力电子设备在从充电器到移动电话，从消费电子产品到可再生能源系统中都得到广泛应用，电力电子是确保系统可靠性和性能的重要组成部分。HIL系统可用于验证其控制算法，这些算法涉及多个应用，如可再生能源集成、汽车行业的电机驱动、模块化多电平转换器(MMC)、智能电网应用等。

传统电网集成了电力的生成、传输和分配。大型电力系统需要详细的故障分析、暂态稳定性研究、子系统是否符合电网集成标准以及其它电磁分析。这些要求可以通过HIL设置来实现。一般来说，HIL系统的应用范围从电力系统控制到系统组件，如并网变流器、保护系统、网络安全方面、微电网和广域监控保护等等。