电力电子实时仿真新突破：HIL环境下电机多物理场建模前沿综述

《IEEE Access》：Real-Time Modeling of Electric Machines for Hardware-in-the-Loop Environment: A State-of-the-Art Review

本刊推荐：为解决电力电子驱动系统实时测试难题，研究人员对硬件在环(HIL)环境中的电机实时建模方法进行了系统综述。研究深入分析了磁饱和、齿槽转矩等非线性因素，评估了FPGA等硬件平台的性能，指出开关磁阻电机(SRM)多物理场建模存在明显不足，为高保真实时仿真技术发展指明了方向。

　　

随着电动汽车、航空航天等领域的快速发展，电力电子驱动系统的复杂程度呈指数级增长，传统实物测试方法不仅耗时耗力，在测试高风险故障场景时更是面临巨大挑战。在这一背景下，硬件在环(HIL)仿真技术应运而生，通过将真实的控制器与虚拟的电机模型相结合，为工程师提供了一个安全、经济且高效的测试平台。特别是在电机驱动系统开发中，HIL仿真能够在产品投产前全面验证控制算法、故障响应策略等关键性能，显著缩短研发周期并降低开发成本。

然而，实现高精度的实时电机建模并非易事。电机运行过程中表现出的磁饱和、空间谐波、齿槽转矩等非线性特性，以及温度变化对性能的影响，都给实时建模带来了巨大挑战。不同的电机类型，如感应电机(IM)、永磁同步电机(PMSM)和开关磁阻电机(SRM)，其电磁特性和建模难度也各不相同。如何在有限的计算资源和严格的实时性要求下，构建既能反映复杂物理现象又满足实时运算的电机模型，成为该领域的研究热点。

为了系统梳理这一领域的发展现状，McMaster University的Amrutha K. Haridas和BerkER Bilgin在《IEEE Access》上发表了题为“Real-Time Modeling of Electric Machines for Hardware-in-the-Loop Environment: A State-of-the-Art Review”的综述文章。该研究旨在全面回顾适用于HIL环境的电机实时建模方法，深入分析各种建模技术的优缺点，并指出现有研究的不足与未来发展方向。

研究人员首先对HIL仿真进行了分类，明确了控制级硬件在环(CHIL)、功率级硬件在环(PHIL)和机械级硬件在环三种不同层级的仿真配置及其适用场景。文章随后详细介绍了用于实时仿真的硬件平台，特别是场可编程门阵列(FPGA)在实现微秒级甚至纳秒级仿真步长中的关键作用。FPGA凭借其并行处理能力和确定性执行特性，成为高性能HIL系统的核心计算单元。

文章对商用HIL平台进行了全面比较，包括Plexim的RT Box、Typhoon HIL、dSPACE、OPAL-RT、National Instruments、SpeedGoat和Impedyme等主流产品。这些平台在处理器配置、FPGA型号、模拟/数字I/O能力以及最小仿真步长等方面各有特点，为不同应用需求提供了多样化选择。

在建模方法方面，研究人员系统分析了方程模型、有限元分析(FEA)模型、查表法(LUT)模型、磁等效电路(MEC)和磁导网络模型(PNM)等不同技术路径。每种方法在计算复杂度、模型精度和资源需求方面存在明显差异，适用于不同的应用场景。

针对感应电机的实时建模，文章介绍了基于同步参考坐标系和静止参考坐标系的方程模型，以及考虑磁饱和和槽谐波的高阶模型。这些模型在FPGA平台上实现了微秒级的实时仿真，为电机控制算法的验证提供了可靠环境。

永磁同步电机的建模研究更为深入，涵盖了从基础方程模型到高精度FEA模型的多种方法。特别是考虑空间谐波、铁损和热效应的多物理场模型，能够更真实地反映电机在实际运行中的动态特性。研究人员通过HIL平台成功验证了各种控制策略，包括最大转矩电流比(MTPA)控制和弱磁控制等高级算法。

开关磁阻电机的建模则面临更大挑战，因其双凸极结构和高度非线性特性难以用传统同步参考坐标系描述。研究人员主要采用相域模型，通过二维查表法存储磁链和转矩随转子位置和相电流变化的特性。尽管已有一些实时仿真平台成功实现了SRM驱动系统的HIL测试，但模型的精度和计算效率之间仍需进一步权衡。

文章还简要讨论了其他类型电机的实时建模进展，如无刷直流电机(BLDC)、永磁直流直线电机(PMDCLM)和永磁辅助同步磁阻电机(PMa-SynRM)等，展示了HIL仿真技术在多种电机应用中的广泛适用性。

本研究主要采用了文献综述和比较分析法，系统梳理了电力电子驱动系统实时仿真的技术路径。研究人员对商用HIL硬件平台的关键参数进行了详细对比，包括处理器类型、FPGA配置、I/O接口性能和最小仿真步长等核心指标。同时，文章对不同建模方法（方程模型、FEA模型、查表法等）在计算效率、模型精度和资源需求方面的表现进行了深入分析，为技术选型提供了参考依据。

实时建模的技术挑战与性能权衡

研究指出，实现电机实时建模面临多重技术挑战，其中最为关键的是模型精度与计算效率之间的平衡。高精度模型如基于有限元分析(FEA)的方法能够准确捕捉磁饱和、齿槽转矩和空间谐波等非线性效应，但计算复杂度高，对硬件资源要求严格。相比之下，方程模型计算效率高，但难以准确描述实际电机的复杂物理行为。为解决这一矛盾，研究人员开发了多种折中方案，如采用预计算的查找表(LUT)结合实时插值算法，在保证一定精度的前提下大幅提升计算速度。

FPGA在实时仿真中的核心作用

现场可编程门阵列(FPGA)凭借其并行处理能力和可定制硬件逻辑，成为实现微秒级实时仿真的关键技术。研究表明，FPGA支持固定点和浮点两种算法实现方式，其中固定点算法资源占用少、执行速度快，适用于精度要求不高的场景；而浮点算法通过深度流水线设计，能够提供更高的数值精度和动态范围，更适合处理非线性电机模型中的复杂动态特性。现代FPGA还集成了嵌入式处理器核和高速通信接口，可作为完整的片上系统(SoC)解决方案，进一步降低HIL测试的延迟和外部依赖。

不同电机类型的建模进展差异

综述显示，感应电机(IM)和永磁同步电机(PMSM)的实时建模研究相对成熟，已有大量文献报道了考虑多种非线性因素的高精度模型。特别是PMSM的建模，已从基本的同步参考坐标系模型发展到包含空间谐波、铁损和热效应的多物理场模型。然而，开关磁阻电机(SRM)的实时建模研究明显滞后，现有模型大多局限于电磁行为描述，缺乏对热、机械等多物理场耦合效应的综合考虑。这一差距限制了SRM在高端应用中的推广使用。

商用HIL平台的性能比较

文章对主流商用HIL平台进行了详细比较，包括Plexim RT Box、Typhoon HIL、dSPACE、OPAL-RT等。这些平台在处理器架构、I/O能力、仿真步长和软件集成方面各有特色。例如，Typhoon HIL支持250ns的仿真步长，专为电力电子和微电网系统优化；dSPACE则提供完整的工具链，广泛应用于汽车和电力电子领域。不同平台的选择需根据具体应用需求、控制算法复杂度和接口要求等因素综合决定。

未来研究方向与挑战

文章最后指出了实时电机建模领域的几个重要研究方向。首先是开发统一的基准测试协议，使不同电机类型和建模方法之间的性能比较成为可能。其次是探索自适应建模技术，使模型能够实时响应参数变化，如温度波动和磁饱和程度变化。此外，随着人工智能技术的发展，将神经网络等数据驱动方法与传统物理模型相结合，有望在保持物理可解释性的同时提升模型精度和适应性。对于SRM而言，开发综合电磁、热和机械行为的全参数多物理场模型是未来的重点挑战。

该综述通过系统分析电力电子驱动系统实时建模的技术现状，明确了不同电机类型和建模方法的优缺点，为后续研究指明了方向。特别是对SRM建模不足的指出，以及多物理场集成需求的强调，对推动高性能电机驱动系统的发展具有重要意义。随着计算硬件的不断进步和建模理论的持续创新，HIL仿真必将在电力电子系统设计和验证中发挥越来越重要的作用。