如何实现电控系统、逆变器与电机模型间的交互验证？

🔷  高精度电机动态建模

传统D-Q轴等效模型在模拟电机非线性特性时存在局限，需融合有限元分析（FEA）数据构建实时动态模型，精确复现电磁特性、磁饱和效应及谐波失真等复杂工况，这对模型计算效率和精度平衡提出更高要求。

🔷    数百kHz级逆变器实时仿真

基于SiC/GaN器件的逆变器开关频率已突破数百kHz量级，传统微秒级仿真步长难以捕捉高频开关动态。亟待通过FPGA硬件加速与新型算法（如ns级PWM信号捕捉技术、逆变器平均值建模）实现实时性与精度的双重保障。

🔷    器件级故障注入验证

需建立逆变器功率器件级故障模型（如IGBT开路/短路、驱动信号异常等），支持对极端工况下系统容错机制的全方位验证，这对故障建模深度和测试场景覆盖率提出严苛要求。

🔷    电池系统深度耦合仿真

电池模型需实现电化学极化、浓差极化及老化效应的多尺度模拟，同时构建与BMS控制器的精细化闭环测试环境，这要求仿真平台同时具备高精度电化学模型和灵活的可扩展接口。

针对电驱系统研发中存在的技术难点，行业通常采用差异化技术路线实现关键模块仿真：

一方面基于ANSYS有限元分析（FEA）开展电机本体的电磁场、热场及结构力学多物理场耦合仿真；

另一方面依托FPGA硬件实现高频逆变器建模仿真及故障工况模拟。然而传统FEA技术虽能有效解析电机材料的非线性特性，却难以实现控制器算法、电机模型与逆变器之间的动态耦合仿真验证。

为此，硬件在环（HIL）实时仿真技术成为实现电驱系统闭环测试的必然选择——远宽能源创新研发的电驱测试平台，凭借其高精度实时仿真能力与多物理场耦合建模分析功能，成功攻克了电控系统、逆变器与电机模型间的交互验证难题，为电驱系统研发提供全链路闭环测试解决方案。

🔷   ANSYS Maxwell 有限元电机建模

在ANSYS中通过有限元法（FEA）对其电磁场、热场及结构特性进行高精度仿真，适用于优化设计、故障分析及多物理场耦合研究。在ANSYS Maxwel中进行电流扫描，如在DQ坐标系或坐标系中，设定电流范围，生成电流数据，并以机械角度步长覆盖完整周期，重建360°角度数据，生成包含电流、转子位置、磁链和转矩的原始数据文件。针对生成的数据进行预处理，利用FPGA特有的流水线、并行机制，在FPGA上对有限元电机进行插值建模，us级步长仿真有限元电机模型。

🔷   高频-故障型逆变器建模

通过利用FPGA的高速处理能力(5ns)去测量占空比，快速的测量PWM信号在一个短周期中的占空比。在FPGA上实现PWM占空比测量和逆变器平均值模型计算，实现超高PWM频率电力电子系统高精度实时仿真。

🔷   电控系统、逆变器与电机模型HIL闭环验证

通过StarSim RealTime软件的电机插件（可配置模型界面），只需选择电机、编码器和逆变器模型，即可完成各种电驱模型配置。配置完成后即可将模型下载到远宽能源提供的实时硬件平台MT 7020上，与实际电驱控制器直接连接，实现电驱系统电机、逆变器、编码器、通信四大部分核心组件闭环测试。研发人员也可使用远宽能源AutoTest API实现电驱系统自动化测试。

远宽能源新一代HIL测试平台通过三大技术革新实现突破：

这些技术进步使得电驱系统HIL测试在动态响应速度和故障覆盖率方面达到行业领先水平，为复杂电驱系统的可靠性验证提供了关键技术支撑。结合远宽能源开发的系列自动化测试Python API,电驱系统研发测试人员可高效完成电驱系统HIL测试与开发，大幅降低人工成本。

🔷    HIL仿真测试软件平台

-StarSim Motor FPGA IP Library

🔷   HIL仿真测试硬件平台-MT7020 

 🔷   高频应用测试——100kHz开关频率精准仿真

如下为对含SiC逆变器的电驱系统进行硬件在环测试分析，控制器PWM信号为100kHz。此时，永磁同步电机转矩10N.m，转速给定5000rpm，极对数为3对，可以看出控制器发出的PWM信号为100kHz，电机电流频率为250Hz，与理论基本一致，且比较稳定，验证开发的模型原型结果准确性。

图（a）100KHz永磁同步电机电流波形

图（b）100KHz PWM信号与A相电流

 🔷   逆变器故障注入功能——逆变器IGBT&Diode开路故障仿真

如下为电驱系统硬件在环测试中故障注入测试结果，永磁同步电机转矩给定10N.m，开关频率5kHz。10s时注入逆变器A相上管IGBT和Diode开路故障，故障持续时间2ms。通过电机输出电流和逆变器直流侧电流可以看出，能够精确模拟真实故障场景，为电驱控制器的可靠性测试提供全场景、高灵活、零风险的解决方案。

🔷   ANSYS Maxwell有限元电机模型——高精度非线性电机特性仿真

如下为电驱控制器硬件在环测试的结果，开关频率为10kHz，输入转矩为200N.m，转速设定为400rpm，通过电机输出电流和输出转矩可以看出有限元的电机电流的谐波性和齿槽转矩特性，能够高精度完成对电驱控制器硬件在环测试。