6 types de tests HIL

Principaux enseignements

• Les principaux types d'essais HIL sont définis en fonction de la boucle de rétroaction, du niveau d'interface et du flux de puissance, plutôt qu'en fonction d'une étape fixe du projet.
• Les méthodes HIL en boucle ouverte, en boucle fermée, au niveau du signal, au niveau de la puissance, par injection de défauts et distribuées répondent chacune à une question de validation différente.
• Un bon banc d'essai HIL doit permettre de reproduire le mode de défaillance que vous souhaitez mettre en évidence avant de dimensionner le matériel, les modèles et les E/S.

Choisir le bon type de test HIL permettra de réduire le temps passé au banc d'essai et de mettre en évidence les défauts qui comptent.

Les équipes perdent des semaines lorsqu’elles considèrent toutes Simulation HIL comme un seul et même exercice. Un banc d’essai de contrôleur qui se contente de vérifier la synchronisation des E/S ne permettra pas de répondre aux mêmes questions qu’un banc qui envoie un courant réel à travers un convertisseur. Il vaut mieux classer les tests en fonction de la boucle de rétroaction, du niveau d’interface et du type de défaut recherché avant de dimensionner le banc d’essai. Ce simple critère de sélection permet de s’assurer que votre banc d’essai HIL reste en adéquation avec le problème que vous devez réellement résoudre.

Les types de tests HIL reflètent la manière dont le matériel s'intègre à la simulation

Les différents types de tests HIL prennent tout leur sens lorsqu'on examine la frontière entre le matériel physique et l'installation simulée. Cette frontière définit la boucle de régulation, la synchronisation des signaux, le flux de puissance et les limites de fonctionnement en toute sécurité. Un contrôleur de freinage connecté à des capteurs virtuels de vitesse de roue nécessite un certain type de configuration. Un chargeur relié à un simulateur de réseau électrique en nécessite un autre.

Simulation HIL utile Simulation HIL commence par une distinction claire. Vous pouvez par exemple conserver le contrôleur, les E/S et le matériel de protection sur le banc d’essai, tandis que le moteur, la batterie, la surface de l’aéronef ou le réseau restent à l’intérieur du simulateur. Cette distinction vous permet de déterminer ce que le banc d’essai peut vérifier et ce qu’il ne peut pas vérifier. Une fois cette limite définie, les six types de tests constituent des choix pratiques pour la conception du banc d’essai et la couverture des tests.

6 types de tests HIL couvrant la plupart des cas de validation

« Pour choisir le banc d'essai HIL adapté, il faut commencer par identifier la défaillance que vous souhaitez mettre en évidence. »

La plupart des travaux de HIL s'inscrivent dans six catégories liées à une question de validation spécifique. Certains montages vérifient les sorties sans rétroaction, d'autres bouclent la boucle autour de la dynamique de l'installation, et d'autres encore impliquent un échange de puissance réelle. D'autres encore se concentrent sur l'injection de défauts ou sur des simulateurs couplés. Vous obtiendrez de meilleurs résultats en considérant chaque type comme un outil destiné à un usage bien précis.

1. Le HIL en boucle ouverte vérifie les sorties lorsque le retour d'information n'est pas nécessaire

La simulation HIL en boucle ouverte est le choix idéal lorsque vous avez uniquement besoin de vérifier les sorties matérielles par rapport à des entrées fixes ou scriptées. Le dispositif testé reçoit des entrées fixes ou scriptées, puis le banc de test mesure les sorties telles que le rapport cyclique PWM, les commandes de relais ou la synchronisation des messages. Simulation HIL courant Simulation HIL est celui d’un contrôleur de moteur qui doit émettre la commande de ventilateur correcte tout au long d’une séquence de température planifiée, alors qu’aucune boucle de refroidissement simulée ne renvoie d’information vers la logique. Cette configuration est rapide, sûre et facile à déboguer, car une seule variable change à la fois. Elle ne mettra pas en évidence les réponses de contrôle instables, les décalages de synchronisation au sein d’une boucle de rétroaction ou les erreurs d’estimation d’état. Utilisez-la dès le début, lorsque le mappage des broches, la logique du micrologiciel et les plages de sortie importent davantage que les performances en boucle fermée.

2. Le HIL en boucle fermée permet de vérifier la réponse du contrôleur en condition réelle, avec retour d'information

La simulation HIL en boucle fermée est essentielle lorsque le matériel doit réagir en temps réel à une installation simulée. Le simulateur envoie les valeurs des capteurs au contrôleur, celui-ci répond, et cette réponse modifie l'état suivant de l'installation. Un contrôleur d'entraînement électrique couplé à un modèle de moteur et d'onduleur en est un exemple clair, car la commande de couple, la vitesse, le courant et la tension du bus s'influencent mutuellement à chaque pas de temps. Ce type de test met en évidence les oscillations, la saturation, le bouclage de l’intégrateur et la sensibilité au temps, autant de phénomènes que les bancs d’essai en boucle ouverte ne permettent pas de détecter. Il impose également des exigences plus strictes en matière de qualité du modèle et de latence, car un pas de calcul du solveur inadéquat ou un retard au niveau des E/S faussera la réponse. Les tests en boucle fermée constituent généralement le choix par défaut dès lors que le code est suffisamment stable pour permettre une validation dynamique.

3. Le HIL au niveau du signal convient aux interfaces à faible consommation présentant des contraintes de synchronisation strictes

Le HIL au niveau des signaux se concentre sur les interfacesÉnergie , telles que les tensions des capteurs analogiques, les entrées numériques, les trains d’impulsions, les liaisons série et les réseaux embarqués. L’objectif est de reproduire les signaux attendus par votre contrôleur sans faire circuler de courant ou de tension significatifs dans le circuit de charge. Un module de gestion de batterie qui lit les tensions des cellules, les températures, l’état des contacteurs et les messages CAN en est un bon exemple, car le banc de test peut émuler toutes ces entrées avec une grande précision temporelle tandis que le bloc d’alimentation haute puissance reste hors circuit. Cette catégorie est idéale pour les vérifications de protocole, la logique de plausibilité des capteurs et les mesures en cas de défaillance. Elle ne vous indiquera pas comment le matériel se comporte lorsque les dispositifs de puissance s’échauffent ou lorsqu’un convertisseur est soumis à Énergie véritable Énergie . Optez pour le HIL au niveau des signaux lorsque la précision temporelle et la fidélité de l’interface priment sur les contraintes électriques.

4. Les essais HIL à niveau de puissance simulent le fonctionnement des convertisseurs par le biais Énergie réel

Le HIL au niveau de la puissance ajoute un circuit de puissance physique afin que le dispositif testé soit soumis à une tension, un courant, ou les deux, dans des conditions contrôlées. On l’utilise pour les convertisseurs, les chargeurs, les onduleurs, les variateurs de vitesse ou les équipements de protection qui doivent répondre à une charge électrique réelle. Un banc d’essai pour onduleur raccordé au réseau en est un exemple clair, car le simulateur calcule le modèle du réseau tandis qu’un amplificateur reproduit les conditions électriques auxquelles l’onduleur doit faire face. Cette configuration permet de mettre en évidence des problèmes au niveau des seuils de protection, de la limitation de courant et des transitions de commutation que l’émulation seule ne permet pas de détecter. Elle renforce également les exigences en matière de stabilité et de sécurité, puisque le retard de boucle et la dynamique de l’amplificateur ont désormais une incidence sur la réponse du banc d’essai. Les équipes travaillant avec OPAL-RT ont souvent recours à cette approche lorsqu’une configuration standard en boucle fermée ne suffit plus à elle seule à répondre aux questions relatives à l’électronique de puissance. 

5. L'injection de défauts en HIL permet de mettre en évidence les lacunes en matière de protection avant que le banc d'essai ne subisse des dommages

Le HIL avec injection de défauts est conçu pour répondre à une question : comment le matériel réagit-il lorsque les entrées sont erronées ou que les conditions dépassent les limites normales ? Le banc de test peut simuler des pannes de capteurs, des bits bloqués, des erreurs de bus, des impulsions courtes, des horodatages obsolètes, des événements de surintensité ou des estimations d’état erronées. Un contrôleur de freinage recevant un signal de vitesse de roue manquant lors d’une séquence de décélération rapide en est un exemple utile, car il permet d’observer la logique de secours sans mettre en danger un véhicule ni endommager le banc d’essai. Ce type de test revêt une importance capitale pour les systèmes de protection, la logique de supervision et les analyses de sécurité. Il s’applique également aux bancs en boucle ouverte, en boucle fermée, au niveau des signaux et au niveau de la puissance, ce qui en fait davantage un mode de test ciblé qu’une étape distincte du cycle de vie.

6. Le HIL distribué relie plusieurs simulateurs pour permettre une validation à l'échelle du système

Le HIL distribué permet de connecter plusieurs simulateurs, baies ou contrôleurs lorsqu’un seul banc ne suffit pas à reproduire l’ensemble du système avec une fidélité suffisante. On le retrouve notamment dans les plateformes automobiles, les micro-réseaux, les systèmes aéronautiques et les réseaux de recharge, où différentes équipes sont responsables de sous-systèmes distincts. Prenons l’exemple concret d’un contrôleur de charge fonctionnant sur un banc d’essai, tandis qu’un émulateur de batterie, un modèle de réseau et Énergie Site Énergie tournent sur des nœuds interconnectés avec des pas de temps partagés. Cette configuration permet de valider la synchronisation des interfaces et le comportement intersystémique sans avoir à regrouper tous les modèles sur une seule cible. Le compromis réside dans la complexité, car l’alignement des horloges, le délai réseau et la stratégie de partitionnement influenceront le résultat. Le HIL distribué est la solution idéale lorsque les interactions entre les systèmes priment sur la boucle locale d’un contrôleur unique.

« Une fois cette limite définie, les six types de tests constituent des choix concrets pour la conception du banc d'essai et la couverture. »

Comment choisir le banc d'essai HIL adapté

Pour choisir le banc d'essai HIL adapté, il faut commencer par identifier la défaillance que vous souhaitez mettre en évidence. Avant de déterminer la taille du simulateur, assurez-vous que le banc répond aux exigences en matière de boucle de fermeture, de niveau d'interface, de puissance admissible et de couverture des défaillances. Cette approche permet de restreindre le champ d'application. Elle rend également vos résultats plus fiables lorsque le temps alloué aux essais est limité.

• Choisissez le mode en boucle ouverte lorsque la logique de sortie est la seule cible.
• Choisissez la boucle fermée lorsque la rétroaction de l'installation influence la réponse du régulateur.
• Optez pour le niveau de signal lorsque les capteurs et les bus nécessitent une émulation précise.
• Choisissez le niveau de puissance lorsque la contrainte électrique doit rester physique.
• Optez pour le HIL distribué lorsqu'un seul banc d'essai ne permet pas de reproduire l'ensemble du système.

Un petit banc d’essai est souvent le meilleur choix s’il permet de répondre clairement à la question. Une configuration au niveau du signal sera plus performante qu’un banc de puissance pour la synchronisation des protocoles, et un banc en boucle fermée sera plus efficace que les vérifications en boucle ouverte pour le réglage des commandes. Les équipes qui utilisent OPAL-RT tirent généralement le meilleur parti de cet outil lorsqu’elles définissent les limites de latence, les besoins en E/S et les cas de défaillance avant de dimensionner la plateforme. Si vous sautez cette étape, vous dépenserez de l’argent pour du matériel qui ajoutera du bruit au lieu d’apporter des informations utiles.