我們將重點介紹硬件在環中，這是一個新的應用程序，隨著車輛電氣化的增加，它找到了機會。

閉環應用在當今許多新興技術中得到廣泛傳播。基本上，傳感器確定執行器必須如何操作才能達到預期結果，不斷適應環境的變化。一個很好的例子是汽車的巡航控制，其中傳感器測量速度和其他參數，駕駛員按照眾多電子控制單元（ECU）之一中的算法對油門進行操作。

現在想想巡航控制如何適應傾斜、風切變和重新武裝的變化。許多熟悉的概念在這里發揮作用：反應時間、延遲、階躍響應、壓擺率、過沖、負載調節。是的，我們都希望巡航控制系統在坡度變化時保持穩定的速度，并在重新武裝時輕輕地達到巡航速度。它最終取決于閉環延遲，即自測量變化并采取行動進行補償以來所經過的時間。閉環延遲涉及傳播速度、轉換時間和處理時間。高延遲（如低相位裕量）會使速度振蕩。

圖 1 描述了巡航控制的潛在駕駛場景。如速度圖所示，巡航控制系統對重新布防（階躍響應）和坡度變化（負載調節）反應良好，但對風切變的反應為時已晚。功率圖顯示了巡航控制系統為適應不斷變化的條件所做的工作。

圖1.巡航速度控制場景中的速度和功率與時間的關系

讓我們考慮制造商的一面。假設您必須在 7 種不同的發動機上測試電子控制單元和巡航控制軟件，其中包含數百個測試用例。讓真正的汽車全天候巡視賽道是不切實際的。那么，為什么不將ECU連接到模擬汽車行為的設備呢？該模擬器可以 24/7 全天候運行，無需人工干預即可驗證軟件中的每個微小更改。

這就是我們所說的硬件在環（HiL）。該技術包括用能夠連接用于傳感和控制的信號的仿真器替換系統的一部分，目的是在多種條件下驗證另一部分。

汽車許多部件的電氣化促進了這一過程的自動化，因為ECU和仿真器之間的許多交互可以在電氣層面進行。

圖2.使用 HiL 用自動化實驗室測試取代現場測試

從傳感器捕獲的信號和驅動執行器的信號可以是數字或模擬的，因此仿真器必須包括快速精確的A/D和D/A轉換器。從捕獲點到驅動點的延遲必須盡可能小，以最大限度地擴大可以使用仿真器的應用程序范圍。需要高分辨率和高精度來模擬某些傳感器和執行器的大動態范圍。

仿真器還可以包括DSP或FPGA，用于處理輸入并在連續流上生成輸出。該器件的延遲會增加總數，并且可能很大，尤其是在使用FIR濾波器的情況下。

圖3.硬件在環系統測試ECU的概念圖

總延遲包括ADC和DAC的轉換時間、與FPGA之間的數字傳輸時間、FPGA中的處理時間和DAC輸出的建立時間。讓我們看一個使用真實設備的示例：

圖4.使用ADAQ23876和AD3552R實現硬件在環系統

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表 1.硬件在環系統各元件的數據速率和延遲

某些操作可以重疊以提高信號鏈的更新速率，從而提供更高的信號帶寬。但是，閉環帶寬仍受總延遲的限制。換言之，器件無法補償持續時間小于信號鏈延遲的變化。例如，采集、數據傳輸和數據處理在DAC的建立時間內進行，從而實現10 MSPS的采樣速率。

硬件在環仿真器用于多個技術領域：

ECU 驗證和測試。硬件在環系統模擬汽車的行為，產生ECU讀取的信號并檢查其產生的響應。接口可以是全電氣的，也可以通過執行器（DAC驅動產生信號的傳感器）。

燃燒/電動/混合動力總成仿真。仿真可以在兩個級別進行：

功率級別。電動機使用電子負載進行仿真，HiL系統合成轉速和位置信號。

機械水平。硬件在環系統控制電制動器并合成轉速、扭矩和位置信號。

電池管理系統 （BMS） 測試或電池組仿真。硬件在環系統模擬每個電池單元的電壓，并提供預期的電流。它還可以提供健康信號，例如溫度。

電動汽車/光伏逆變器驗證和測試。硬件在環系統控制電子負載并綜合負載處的電流和電壓測量值。

在測試響應時間短的設備時，硬件在環系統是強制性的。除此之外，HiL平臺的使用允許在多種場景中自動驗證這些設備，并提供廣泛的測試計劃，并確保在所有條件下都滿足嚴格的要求。這種覆蓋水平在現場測試中是不切實際的。

HiL的一個關鍵部分是信號接口，特別是模擬I/O，它必須快速和準確，需要新的精密ADC和DAC寬度。

審核編輯：郭婷