熠速海陆空RCP&HIL连载方案之eVTOL推进系统篇

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熠速海陆空RCP&HIL连载方案之eVTOL能源篇

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熠速海陆空RCP&HIL连载方案之eVTOL飞行控制系统篇

eVTOL的核心系统

飞行控制系统：

飞控计算机、传感器、执行器

能源系统：

动力电池/燃料电池、电池管理系统、高压配电系统

推进系统：

电机及控制器、齿轮机构、螺旋桨

航电系统：

GPS、数据链、传感器

可提供飞控系统控制器的快速控制原型（RCP）开发和硬件在环(HIL)仿真测试平台，可满足飞控系统的数字化实时仿真测试、半物理仿真测试以及多系统的联合仿真测试。

可提供能源管理系统（如电池管理系统、燃料电池控制系统）的快速控制原型开发和硬件在环仿真测试平台，可满足能源管理系统的数字化实时仿真测试、半物理仿真测试以及多系统的联合仿真测试。

可提供推进控制系统（如电机控制器）的快速控制原型开发和硬件在环仿真测试平台，可满足推进控制系统的数字化实时仿真测试、半物理仿真测试以及多系统的联合仿真测试。

可提供航电接口或协议仿真测试平台，可满足航电系统的数字化仿真测试、半物理仿真测试以及多系统的联合仿真测试。

纯电eVTOL的推进系统采用电机驱动变速箱带动螺旋桨，主要控制器为电机控制器MCU，对此控制器可提供如下开发和测试系统解决方案。

推进系统RCP解决方案系统结构图

由实时仿真机和信号调理和逆变器组成。

安装建模仿真软件、IO驱动库和试验管理软件。

控制对象，可以是永磁同步电机、感应式异步电机、直流无刷电机等。

电机控制器的HIL测试方式分为：

机械级（控制器+逆变器+电机均为实物）

功率级（控制器+逆变器为实物）

信号级（仅控制器主控板为实物）

HIL仿真行业最常用的测试方法为信号级：电机、传感器和逆变器均为模型实时模拟，因此通过调整模型和参数可满足各种类型的电机，各种功率的电机仿真，非常灵活。此外因为只测试控制器主控板，不存在真实功率信号，对测试人员非常安全，实验室也无高压要求，性比较最高。本文也以信号级电机控制器的HIL测试为例说明HIL解决方案。

由实时仿真机、程控直流电源、电池模拟器、信号调理和故障注入组成。

作为HIL台架的硬件核心，实时仿真机采用x86架构，CPU中加载实时操作系统，可实时计算eVTOL动力学、齿轮箱和螺旋桨模型。通过PCIe总线拓展各种类型的IO和总线板卡，可用于模拟传感器和执行器信号，连接电机控制板。板卡的种类和数量选择取决于待测控制器实际所需的接口。

Note：电机控制器信号级HIL测试中，PWM信号的采集，电流和位置传感器信号的模拟需要使用基于FPGA的模拟量和数字量通道，此外为了保证对电机微观动态的精确模拟如电流的PWM谐波，死区效应（时间尺度为亚us级），需要将电机模型运行在更高的速率（MHz），因此也需要将电机、逆变器、传感器模型部署到FPGA中以ns级速率高速运行。

模拟控制器的低压直流供电。

传接到连接线束中，可实现控制器线束的开路、短路电气故障的模拟，测试控制器的诊断功能。

对于和待测控制器连接不匹配的信号，可采用信号调理模块进行调理转换实现，比如旋转变压器信号。

安装建模仿真软件、IO驱动库、试验管理软件和自动化测试软件。

Simulink，支持使用FMU的形式导入第三方建模软件模型。

熠速提供的FPGA板卡可直接基于Simulink的HDL Coder工具箱建模编辑，用户无需熟悉VHDL或Verilog等硬件描述语言，仅在Simulink环境下，即可轻松实现对FPGA的接口调用和算法编程:

基于HDL Coder的FPGA建模

仿真测试的效果很大程度上取决于模型的精度。熠速根据多年的MCU HIL经验，搭建了MCU HIL仿真的高精度开源模型库，包含种类丰富的电力电子、电机、位置传感器模型。同时，针对用户的特殊需求，提供定制化的模型开发服务。

MCU HIL的FPGA模型库

此HIL模型库具有如下特点：

1. 支持在线实时修改模型参数；

2. 支持在CPU和FPGA中实时运行；

3. 基于HDL Coder的高效数学建模：计算周期(积分步长)：5~10ns；计算延时最低可达50ns；

4. 基于HDL Coder的高效数学建模：FPGA模型和普通模型无异，可读性极高，掌握难度低；

5. 100%白盒FPGA模型，无license绑定，方便用户二次修改；

6. 采用半定制化模式，可根据用户需求灵活开展模型开发。

7. 丰富的电力电子、电机、和速度/位置传感器模型开发经验，可提供各种电力电子、电机和速度/位置传感器的FPGA模型。

实时仿真机的所有接口和硬件配置通过IO驱动库在Simulink模型中图形化实现，模型搭建完成之后，可通过Simulink进行自动代码生成并编译为实时机可用的可执行文件。上位机电脑通过以太网和实时仿真机连接。

用于对实时机、测试工程进行配置和管理，提供图形化的GUI界面，无代码实现信号数据观测、记录以及参数在线调整。

图形化创建测试用例，批量化执行测试用例并生成测试报告。

需要测试的真实电机控制器。