富士重工業株式會社使用 NI FlexRIO，透過硬體迴路模擬執行 Subaru 混合動力車的進階測試

Author(s):
Mr. Tomohiro Morita - FUJI Heavy Industries, Ltd.

現代汽車配備大量的 ECU，以便管理車輛的豐富功能和進階控制。 就混合動力車而言，馬達 ECU 的角色更是複雜，因為除了自身的動力系統之外，還要管理傳統引擎和電子馬達之間的互動狀況。

富士重工業株式會社 (Fuji Heavy Industries) 是 Subaru 的母公司，開發出首款混合動力車：Subaru XV Crosstrek Hybrid。 我們最初的想法是打造量產的混合動力車款，目標市場包含了日本國內和北美。 我們的工程師開發出早期混合模型適用的馬達 ECU，不過這個元件無法滿足嚴苛的車輛上市需求。 量產車款適用的 ECU 必須具備豐富的控制功能，才能夠在各種操控情況下避免車體損壞、保障駕駛與乘客安全，就算是測試實體硬體不可能出現的情況或不切實際的情況也一樣。

舉例來說，在冰面上駕駛時，車輪可能會忽然失去抓地力。 加速期間可能會造成馬達速度急遽增加，需要小心操控車輛。 然而，動力計無法確實複製這種安全行為，而且在測試道上執行的話會非常耗時，難度也很高。 這類特定安全條件所需的複雜控制演算法必須經過開發與檢測，而且外圍操控條件所需的測試作業也必須滿足量產車款的品質等級。

全新的方式

我們的工程師把 ECU 連接至即時電子馬達模擬，以便測試並檢測各種條件，其中包含最極端的嚴苛條件，執行傳統的機械測試時，這類條件可能會損壞系統。 他們開發出一種機制，確保這種軟體模擬方式可達成三項成功測試的主要目標：

● 在各種條件下檢測 ECU 的功能，包含難以建立或複製的極端環境

● 針對需求規劃測試案例，確保完整的測試範圍

● 輕鬆執行迴歸測試，以便快速反覆檢測設計

為了達成上述目標，我們的工程團隊使用 V 字形方式，著手設計與檢測程序 (圖 1)。 如圖所示，這種分段式方法適用於嵌入式軟體設計與佈署檢測，包含每個階段的測試點。 在很多設計程序階段中，該團隊會需要硬體迴路 (HIL) 系統，以便檢測馬達 ECU，並且比對可精準呈現實際車輛馬達的即時馬達模擬結果。 此外，我們的工程師可透過 HIL 系統自動記錄測試結果，ECU 修改過後還可以自動執行迴歸測試，藉此滿足抓地力需求。

圖 1. 馬達 ECU 的開發程序 (V 字形程序)

成功的系統

我們打造出全新的檢測系統，其中包含一個實際馬達 ECU，還有一個可模擬馬達運作的 HIL 系統，如圖 2 所示。 HIL 系統可設定物理參數，例如電感和阻力，藉此呈現馬達各種運作條件。 此外還可以設定電力電子的參數，像是故障條件或測試情境，比如說結合負載力矩和所需的轉速。 只要在測試期間修改一個參數，HIL 系統就可以輕鬆模擬複雜的測試情境，例如上述失去抓地力的情況，甚至是可能會損壞實體硬體的逆變器電力電子故障。 如果操作人員需要某種測試模式，HIL 系統就會比照實際馬達加以回應，而且還可以交叉參考整體的系統回應，以便確認控制人員可安全操控測試案例。

圖 2. 使用 HIL 系統的檢測環境

此程序所需的運算效能非常高，我想 NI 是唯一能夠滿足這些需求的供應商。 我們的核心系統硬體採用 NI FlexRIO FPGA 模組，這是一種搭載 FPGA 晶片的 PXI 架構控制器。 這些模組會執行一個模型，此模型代表馬達的模擬運作情況，同時我們使用 NI LabVIEW 系統設計軟體來佈署程式。

我們建置出測試情境，可以把每個測試模式當成 Excel 試算表並依序執行。 我們把執行階段的時間設為 1 ms，並且按照先後順序在 Excel 試算表中說明測試條件，包含扭力和轉速。 馬達 ECU 會根據這些條件運作，並且把訊號發送至 HIL 系統，例如脈寬調變訊號。 HIL 系統收到這些訊號之後，就會模擬實際馬達的運作狀況。 具體來說，系統會執行運算程序，結果的輸出速度和實際馬達一樣。 代表扭力和三相電流的訊號結果會返回馬達 ECU。

我們透過 LabVIEW 自動執行檢測程序，藉此讀取並執行測試情境的 Excel 試算表，並且把擷取到的結果自動寫入 Excel 試算表，以便製作測試報告。 針對此程序，我們的工程團隊在 Excel 內使用 Visual Basic for Applications。

選擇 NI 平台的優勢

就 HIL 系統而言，模擬迴路速率 (等同於模擬作業的時間解析度) 是其中一個關鍵要素。 至於馬達 ECU，迴路速率必須是 1.2 µs 以下，模擬器才能夠運作。 其他廠商大多數的模擬平台都會把 CPU 用於運算，所以迴路速率會介於 5 µs ~ 50 µs。

NI FlexRIO 把 FPGA 用於控制和運算，可滿足處理需求，可以為運算處理效能帶來極大的優勢。 我們之所以決定把 NI FlexRIO 平台用於此系統，關鍵考量就是可達到 1.2 µs 的模擬速率。 此外，因為 NI FlexRIO 具有高容量的內建動態隨機存取記憶體，我們可以使用 JSOL Corp. JMAG 軟體工具鏈所提供的 JMAG-RT 模型。 這樣一來，就能夠以更接近實際馬達的方式，呈現高度非線性化的特性。

此外，我們的工程師可使用 NI LabVIEW FPGA Module，設定 NI FlexRIO 裝置上的 FPGA 程式，這樣一來即可在短時間內運用 FPGA 技術來開發系統，不必使用文字式語言，例如硬體描述語言。

只要 118 個小時，就能自動執行所有開發出來的測試模式。 如果要手動執行測試，大約需要 2,300 個小時。 自動化測試還可以降低風險，縮短手動測試出錯而花費的時間。 HIL 系統也可以節省時間，大幅減少設定程序，例如馬達台和測試汽車的準備部分，而且不需要合格的測試人員，就可以測試高電壓設備。

工程團隊會針對每個測試情境準備一個 Excel 試算表，事先報告測試結果，儲存每 1 ms 時間階段的模擬扭力和三相電流數值。 透過 HIL 測試所取得的數值會陸續寫入 Excel 試算表，並且比較對應的預期數值，以便判斷測試結果。

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Mr. Tomohiro Morita
FUJI Heavy Industries, Ltd.
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