一、MCU技术介绍与发展趋势

在常见的汽车电机控制系统架构中，电机控制器（Motor Control Unit，简称MCU）通过FOC算法实现永磁同步电机矢量控制，集成CAN或CAN FD等通信协议实现与VCU的毫秒级交互。

在电机能效方面，现代电机已接近其物理极限，多数电机的能效在90%以上，部分高效电机甚至达到了96%的惊人水平。面对这样的能效瓶颈，业界开始将目光转向电机控制单元中的主逆变器，希望通过技术创新来提升整个电驱系统的能效。

此外，新能源汽车三电系统（电池、电机、电控）的深度集成，推动MCU从单一驱动控制向域控制器架构演进。作为驱动电机的核心控制单元，MCU需同时面对高精度动态响应、功能安全冗余和多域协同兼容性三大技术挑战。

以比亚迪八合一电驱系统（图片来自网络）为例，其采用碳化硅（SiC）功率器件与三电平拓扑结构，成功将驱动系统的能耗降低了5%。

二、硬件在环测试（HIL）的迫切需求

如前文所言，随着技术不断突破，新能源汽车电驱系统需同时面对高精度动态响应、功能安全冗余和多域协同兼容性三大技术挑战，MCU系统的测试与验证需求也随之呈现爆发式增长。

这要求测试体系需覆盖从电机动态响应特性验证，到复杂功能安全场景重建的全维度检测，同时还要解决多控制器网络化协同工作的兼容性问题。传统物理台架测试已难以满足这些需求。安全风险与设备损耗；高昂的测试成本与资源消耗；测试效率与可重复性受限；极端工况覆盖不足等等，这一系列问题都是其必须面对的瓶颈。

硬件在环（HIL）测试系统通过构建虚拟验证环境，整合高精度电机模型、实时功率器件仿真模型及传感器信号模拟模型及接口，形成覆盖80%以上工况的数字化试验场。

该系统支持无物理损耗的短路/开路等故障模拟，配合自动化测试脚本，可并行执行数万组参数的组合验证，将传统需要数月的测试周期压缩至72小时内完成。此外，借助HIL系统，可以很轻松地集成整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）等系统，实现多控制系统网络化协同测试。

三、MCU HIL测试系统分级

如图所示，MCU控制系统的仿真架构按功能层级划分为四部分：通讯级、信号级、功率级和机械级。

其中，通讯级仿真采用硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）的残余总线（RestBus）仿真测试方法，主要用于完成控制器网络通讯功能的测试验证。

其余三个层级，信号级HIL系统用于控制器主控算法的正确性和稳定性测试；功率级HIL系统除了验证控制器主控算法外，还需要测试功率模块的开关特性、效率和可靠性；

最后的机械级HIL系统最为复杂，不仅要完成控制器主控+功率模块+电机（完整电控）控制策略以及功率器件功能特性的测试，还需要完成对被测系统的机电耦合性能进行验证。

鉴于机械级和功率级HIL系统在硬件复杂度、测试安全以及开发成本方面的限制，绝大部分的企业和高校，都选择了信号HIL系统，故本文也将重点围绕信号级MCU HIL系统展开讨论。

四、MCU HIL测试系统结构

信号级MCU HIL测试系统包括以下三部分：

• 上位机：开发和编译MCU被控对象实时仿真模型，包括：逆变器、电机、位置传感器、负载等；搭建和运行组态式上位机界面：在线调参，波形显示，数据记录；
• 实时仿真机：运行MCU被控对象实时仿真模型；
• 待测控制器：被测试的MCU控制器。

五、实时仿真机

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。为满足这些需求，系统采用FPGA+CPU的异构计算架构。

FPGA负责运行高速电机模型、逆变器模型和位置传感器模型等高速运算任务，同时集成DIO和AIO通道，用于实现超低延迟的IO传输。一般而言，从DIO通道采集到PWM信号，经过FPGA的逆变器和电机模型运算，得到三相电流信号并通过AO通道输出给控制器，整个过程的延迟在1us以内。

CPU则用于处理车辆动力学模型、参数标定算法和状态观测器等毫秒级仿真任务，提供灵活的算法实现和数据记录能力。

六、基于HDL Coder的高效数学建模

采用传统方式在FPGA芯片上部署各种复杂模型，不仅要面临较高的技术门槛，并且调试繁琐，开发周期很长。

为此，熠速为用户提供了基于MATLAB HDL Coder工具箱的FPGA建模解决方案，用户无需掌握VHDL或Verilog等硬件描述语言的专业知识，仅在Simulink可视化开发环境下，即可轻松完成FPGA的图形化编程与部署。

仿真测试的效果很大程度上取决于模型的精度，熠速自成立以来，在电力电子仿真领域深耕多年，搭建了纳秒级电力电子和电机模型库，包含种类丰富的电力电子、电机、传感器模型。

同时，针对用户的特殊需求，熠速组件了一支经验丰富的专业模型开发团队，为客户提供高效、精准的定制化开发服务。

所有模型完全使用Simulink基本模块搭建，不需要第三方环境，模型完全白盒交付，无任何license限制，高度灵活，用户可以在此基础上做二次修改。如需在模型中加入自定义功能，如错误信号的模拟等，会非常方便。

七、MCU HIL测试系统仿真结果

HIL测试的主要操作包括：连接相关信号的线束，将模型下载至实时仿真机中并运行，通过上位机发送相关指令，实时模拟测试工况，进行实时仿真测试，并实时记录相关测试数据和波形。

MCU HIL主要的测试项目如下：

三相电流与直流电流实时测试波形如下：