电力电子设备的SIL与HIL测试及其适用场景

主要收获

• • 当控制器逻辑和被控对象的假设尚未确定时，SIL应主导您的工作流程。

• • 当物理硬件上的时序、扩展性和保护机制成为主要风险时，HIL 便物有所值。

• • 一致的模型、测试和通过标准，正是使SIL和HIL能够作为一条验证路径协同运作的关键。

在电力电子控制工作中，应优先进行SIL测试，当时间精度和输入/输出保真度变得重要时，再进行HIL测试。

在美国，超过80%的电力都由电力电子技术进行处理和控制，这充分说明了稳定的控制行为和合理的验证方案至关重要。 若将“软件在环”（SIL）视为早期对控制逻辑进行压力测试的场所，将“硬件在环”（HIL）视为针对物理接口验证实现细节的场所，您将获得更佳的成果。这种顺序既能确保在模型仍易于编辑时及时发现故障，又能降低代码进入传感器、PWM输出和保护信号环节后出现意外问题的风险。

“从SIL到HIL的最佳过渡方式，是在两个阶段中保持相同的测试意图、通过限值和核心工厂假设。”

SIL 与 HIL 确定了测试边界

SIL 测试与 HIL 测试的主要区别在于测试过程中控制器和被控对象的位置。在软件在环（SIL）测试中，控制器代码和被控对象模型均位于仿真环境中；而在硬件在环（HIL）测试中，控制器硬件是实体的，而被控对象则保持在仿真状态。这一界限决定了该测试设置能够可靠地揭示哪些故障。

升压转换器的数字电流环路清晰地说明了这一区别。SIL测试可验证PI增益、限值和故障状态在不同工作点下的表现。HIL测试则可验证，当控制器板运行代码后，ADC量程、PWM时序和故障引脚接线是否仍能正常工作。这两种方法分别针对不同的测试问题。

SIL在硬件尚未存在时就发现了控制器逻辑故障

在硬件就绪之前，SIL 是验证嵌入式控制逻辑的理想平台，因为它能直观呈现控制状态，且测试成本低廉。您可以将编译后的控制器代码或等效的软件模型应用于被控对象模型进行运行，并在变更成本尚低时及时发现错误。

三相逆变器控制器很好地说明了这一点的重要性。您无需等待控制板，即可测试电流调节、直流母线监控、防饱和保护，以及启动、运行和故障状态之间的转换规则。如果调制器在电压骤降期间发生饱和，您将能看到导致该现象的事件序列。这种清晰度有助于您针对逻辑问题进行修复，而非仅凭失败的台架测试结果进行猜测。

2022年，软件质量低下给美国经济造成的损失至少达2.41万亿美元。这一数字所涵盖的范围远不止电力电子领域，但其中蕴含的教训依然适用。后期故障之所以代价高昂，是因为它们将软件错误与硬件的不确定性混为一谈。SIL能够在早期阶段将这些问题区分开来，因此您无需再浪费时间，通过示波器波形去追查控制程序中的错误。

HIL 通过物理接口验证时序行为

当您需要证明已实现的控制器在实际硬件时序和实际I/O路径下能正确运行时，硬件在环（HIL）测试就显得尤为重要。它能揭示仅靠仿真无法清晰展现的问题，例如采样抖动、中断延迟、ADC量化效应、PWM更新时序以及硬件故障输入处理等。

双向直流/直流转换器是一个典型的例子。控制律在SIL测试中可能看起来完美无缺，但实际控制器在采样电流时，可能恰好选在开关边沿附近，从而将噪声值输入到控制回路中。这个问题会表现为极限振荡、不稳定的占空比指令或误动作。HIL测试将控制器电路板纳入测试范围，因此这些接口细节便无处遁形。

应将HIL视为实现行为的验证手段，而非替代系统建模工作的替代方案。如果系统模型不够完善，仍会误导你；即使控制器设计得再好，只要缩放、时序或保护逻辑存在微小偏差，仍可能导致失效。只有当物理执行细节仍存在风险时，HIL才真正发挥其作用。

当植物风险仍较高时，应优先使用SIL

在确定电路模型、工作模式和控制器结构时，建议优先使用SIL。早期电力电子设计工作通常在寄生参数、工作极限和故障场景方面存在较大不确定性，因此，灵活的仿真边界比直接连接硬件更能为您带来价值。

配备LCL滤波器的并网逆变器便是很好的例子。在将硬件时序作为主要关注点之前，滤波器谐振、电网阻抗变化、PLL调谐以及限流器的行为都需要予以关注。在SIL环境中，您可以快速扫描各种线路工况、直流母线电平以及故障情况。这使您能够判断哪些控制方案具有鲁棒性，而哪些方案仅在狭窄的假设条件下才有效。

在此阶段，您还将获得更精确的被控对象模型。死区时间、传感器延迟、饱和度以及开关纹波可以分阶段添加，而非一次性全部加入。这种分阶段的方法能清晰展现因果关系。一旦被控对象的风险降低且控制器逻辑不再每周调整，HIL测试便是下一步的合理选择。

当输入输出时序变得至关重要时，请切换至HIL

当剩余的问题主要涉及实际控制器硬件上的执行时序、I/O 保真度以及故障响应时，便可转入HIL 阶段。这一阶段通常出现在控制逻辑已足够稳定之后，此时新的故障更可能源于实现细节，而非方程缺失或状态逻辑缺陷。

通常有几个迹象表明你已经准备好搬家了：

• • 控制律不再每隔几天就发生变化。

• • 现在能否通过，取决于中断的时机。

• • 必须通过物理插销检查保护跳闸装置。

• • 传感器标定误差可能会影响回路的稳定性。

• • 启动和关闭的顺序需要通过硬件验证。

在SIL测试中，当基本的速度和电流环路稳定后，电机驱动控制器通常会进入这一阶段。此时，启动接触器序列控制、去饱和输入处理以及编码器捕获时序便成为难点。HIL测试为您提供了一种安全的方式，可在不危及全功率阶段的情况下测试这些路径。此时，这一举措便会带来回报。

分阶段的工作流程将SIL测试结果与HIL测试结果关联起来

从SIL向HIL的最佳过渡方式，是在两个阶段中保持相同的测试意图、通过标准以及核心设备假设。不应将HIL视为全新的开始。最佳做法是继承已在SIL阶段证明有效的场景，并在其基础上增加实现层面的检查。

充电器控制器的实用工作流程始于SIL环境下的系统验证和控制调谐。随后，该测试方案将根据预定义的超调、建立时间、故障恢复和模式转换限值继续推进。HIL阶段则增加了对ADC映射、离散输入时序、PWM缩放以及看门狗处理的检查。这种连续性使得结果比较变得更加容易。

当不同阶段之间名称、信号或测试阈值发生变化时，团队会因此浪费时间。您需要确保相同的操作点、相同的故障场景以及相同的预期响应贯穿整个工作流。如果某项测试在SIL阶段通过，但在HIL阶段却失败，那么不一致的根源就更容易被定位。这就是分阶段工作流如何节省精力，而非增加繁文缛节。

基于模型的设计因假设一致而赢得信任

只有当被控对象、控制器和测试逻辑之间的假设保持一致时，SIL 和 HIL 才适合基于模型的设计。如果模型精度、信号缩放或接口定义在各个阶段之间发生偏差，则可信度会迅速下降，因为每次迭代的结果所对应的是不同的系统状态。

在此情况下，透明的建模方案大有裨益。当您需要工程师能够查看、编辑并将其连接到控制器验证流程的被控对象模型，且无需隐藏相关方程时，SPS SOFTWARE正是理想之选。无论是学术实验室还是研发团队，其转换器研究均可采用相同的被控对象结构，既适用于早期的 SIL 测试，也可用于后续的 HIL 准备工作。这种连续性确保了工程讨论能够聚焦于系统行为，而非工具的封闭性。

一致的假设并不意味着模型一成不变。随着证据的完善，您应不断优化损失函数、传感器限制条件以及切换细节。关键在于，每次优化都应保持可追溯性，并确保团队能够清晰了解这些变更。当模型溯源清晰且测试边界经过深思熟虑时，基于模型的设计才能赢得信任。

 “软件在环（Software-in-the-loop）将控制器代码和被控对象模型保留在仿真环境中，而硬件在环（Hardware-in-the-loop）测试则意味着控制器硬件是实体的，而被控对象仍处于仿真状态。”

测试边界不明确会导致误导性的通过结果

当所选的测试边界掩盖了您实际上需要揭示的失效机制时，通过结果就会产生误导。SIL测试可能看似正常，但物理时序却已失效；HIL测试可能看似稳定，但被控对象模型过于简单，无法对控制器施加适当的压力。有效的验证在于将测试边界与实际风险相匹配。

即使通过了所有SIL测试用例的转换器，如果过流信号的到达时间比逻辑预期的晚了几微秒，仍可能因硬件故障而跳闸。即使通过了HIL测试的控制器，如果模拟的被控对象忽略了主导运行的饱和或谐振现象，仍可能在功率级上出现故障。这些绝非小问题。它们源于用错误的测试方案去解答错误的问题。

当每个阶段都有明确的职责和清晰的交接流程时，您的工程判断力将得到提升。SIL测试应在早期阶段验证逻辑，而HIL测试应在系统全面投入使用前验证执行细节。这种严谨的工作方式比一味追求单一测试台架更为有效，这也是SPS SOFTWARE所倡导的理念——当团队需要基于物理的模型时，这种方法能确保模型从最初的概念设计到最终的验证始终保持可理解性。