硬件入环可降低成本和风险的 5 个行业

硬件在环（HIL）可避免代价高昂的意外情况，帮助您更快地推出更安全的系统。它将实际控制器与实时运行设备的高保真模拟器连接起来。通过这种设置，您可以在原型准备就绪之前很长时间就推送边缘情况、插入故障并自动进行可重复的测试。其结果是加快了设计周期，减少了返工，并增强了整个团队的信心。

如果您要制造电动汽车 (EV)动力系统、飞行控制逻辑或微电网控制器，HIL 适合您的工作台、时间表和预算。您可以连接被测控制器，在严格的实时限制条件下运行工厂模型，并通过清晰的反馈进行迭代。HIL 还能很好地与环路软件 (SIL) 和环路模型 (MIL) 配合使用，从而减少项目从桌面到机架的过程中出现的意外。同样的方法适用于从早期建模到系统验证的整个过程，在成本、安全性和进度信心方面都有可观的收益。

硬件在环测试对工程师的意义

硬件在环将真实控制器与数字模拟器连接起来，模拟器的行为与工厂类似。模拟器实时运行，交换电气和通信信号，并像物理系统一样对固件做出响应。典型的 HIL 测试包括传感器仿真、执行器反馈、协议总线和电源接口，并根据设备大小进行调整。工程师可以根据设计变更交换模型，调整输入/输出范围，并在不同的冲刺阶段保持测试用例的一致性。

强大的 HIL 设置可支持故障插入，而不会对人员或设备造成风险。您可以虚拟地短路相位、断开电源、欺骗传感器，并在严格的计时条件下观察恢复逻辑。闭环行为很快就会显现出来，因此调整和校准速度更快，实验室时间更短。该方法可从单个电路板扩展到整个机架，并可在整个项目中重复使用相同的模型和测试脚本。

如果您是新手，请先建立一个清晰的心理模型。将模拟器视为工厂，将输入/输出视为布线，将控制器视为被测设备。许多工程团队将硬件在环描述为仿真 实践与实际验证的结合阶段，是连接早期建模与试运行的桥梁。在业界对 HIL 技术的讨论中，我们可以看到这种观点的体现，HIL 技术是一种将设计意图与安全、可重复的测试相结合的方法。

硬件入环可降低成本和风险的 5 个行业

在测试危险、昂贵或难以重复的情况下，HIL 能带来最大价值。这种模式在与功率级、执行器和现场网络交互的控制硬件上是一致的。团队可以减少往返工作台的次数，锁定回归，并防止现场问题影响生产。在这些领域中，回报体现在更短的调试周期和更高的验证信心上。

1.利用硬件在环测试汽车和电动汽车

汽车控制堆栈适合 HIL 汽车测试，因为定时、安全性和故障覆盖率很难在工作台上实现。使用 HIL 进行电动汽车测试，可以在可重复的条件下锻炼牵引逆变器控制、电池管理逻辑和充电器通信。您可以在软件中改变负载、温度和供电限制，同时控制板通过 I/O 进行全速交互。瞬态模型、电机映射和传感器信号合成使控制回路的反应与车辆中的反应一样。

这样可以减少原型数量，保护稀缺的测功时间，并在接线织机到达之前发现集成错误。针对传感器开路和短路、接触器焊接和组件不平衡的故障注入已成为例行工作，而这在物理组件上很难安全完成。您还可以对供应商的验收测试进行标准化，自动记录结果，并跨团队共享可追溯报告。最终效果是降低了设计验证过程中的风险，减少了现场事故，并使项目预测更加严密。

2.航空航天系统验证和飞行控制测试

当硬件限制和安全情况限制测试时，飞行控制计算机和执行系统就会从 HIL 中受益。在控制器实时闭环时，模拟器可以再现机身动态、执行器反向间隙和传感器噪声。您可以为传感器、电源和通信链路注入故障模式，然后确认检测和优美恢复逻辑。航空电子总线、冗余通道和定时监控都可在受控的时间和负载下进行。

这种方法减少了飞行测试的风险，缩短了集成天数，降低了对昂贵钻机的磨损。每次软件更改后，回归套件都会在一夜之间运行，这样可以压缩反馈回路，而不需要额外的机组人员时间。工程师将控制器版本与相同的场景进行比较，然后在有明确证据的情况下做出决定，然后再转到完整的驱动装置上。最终结果是更好的覆盖范围、更高的安全系数和可预测的时间表。

3.电力电子和可再生能源仿真

硬件在环电力电子设备侧重于换流器、逆变器以及位于电源和负载之间的保护逻辑。开关级、平均和电磁瞬态模型的运行速度足以在电网故障、负载阶跃和热限制条件下对控制代码施加压力。这支持电力电子建模和仿真 ，也符合团队在规划测试流程时对电力电子建模和仿真 的共同需求。这种方法增加了输入/输出、延迟和量化，因此控制器看到的是真实的行为，而不是理想化的信号。

工程师可验证 PWM 门控、电流限制和保护跳闸，而无需冒硅片、变压器或堆栈的风险。宽带隙设计得益于快速模型和精细时间步长，在保证硬件安全的同时暴露出边缘情况。固件团队可以尝试新的控制结构、更改参数，并使用相同的测试包将轨迹与以前的基线进行比较。这样做的结果是，损坏的部件更少，网格和负载市场活动覆盖范围更清晰，发布周期更快。

4.电网系统和微电网稳定性测试

当 HIL 重现故障、开关市场活动和孤岛时，电网控制器、保护继电器和微电网能源管理人员将从中受益。控制器可以看到频率偏移、电压骤降和谐波，就像它们连接到馈线上一样，不会对人员或资产造成风险。工程师可通过稍后在实验室中使用的相同脚本进行负载斜坡、可再生能源斜坡、储能调度和馈线重新配置。保护设置、穿越逻辑和电网形成策略都经过一致案例的验证。

这样可以减少卡车碾压，改进调试计划，降低升级期间的停电风险。团队可在变电站和微电网中重复使用模型，然后将公用事业验收测试与开发人员测试结合起来，避免后期返工。同一平台支持逆变器控制、继电器逻辑和微电网控制流，从而减少了培训和维护工作。这就是 HIL 如何减少具有复杂保护和控制功能的能源和电力系统项目的意外情况。

5.加速原型开发的学术和研究实验室

学术实验室通常需要灵活的设置，以便在教学、原型设计和论文工作之间切换，而无需长时间重新配置。HIL 支持从电机驱动器到换流器供电级的安全工作，同时控制设备预算。学生和研究人员进行可重复的实验，保存数据集以进行分级，并对不同年份的算法进行比较。由于可以在不损坏硬件的情况下模拟故障、短路和热应力，因此监管人员可以实施更严格的安全政策。

研究小组共享模型、夹具引脚和脚本，因此在人员轮换时，项目进展更快。小型实验室通过专注于强大的 I/O、可重复使用的底盘和良好的模型库，而不是多个定制工作台，来节省预算。团队在早期通过SIL和 MIL 建立动力，然后在控制逻辑稳定后转向 HIL。可重复性有助于学生、主要研究人员和实验室经理通过明确的指标来显示进展。

在这五个领域中，HIL 在降低风险的同时不会减缓开发速度。同样的测试资产从早期检查转移到生产前验证，从而避免了痛苦的上下文切换。更少的原型、更安全的故障测试以及对共享设备的可预测使用，都能节省成本。最重要的是，当系统变得越来越复杂时，工程师还能保持对范围、覆盖率和时间的控制。

硬件在环如何降低项目成本和风险

成本控制和降低风险来自于具体的习惯，而不是口号。这里的项目侧重于与预算、进度表和安全规则相对应的可重复实践。每一项都可以通过简单的指标进行跟踪，然后随着设置的成熟进行调整。利用它们来缩短循环时间、减少实验室时间，并在实地工作前增强信心。

• 利用闭环应力和故障注入及早发现缺陷：HIL 可让您在硬件准备就绪之前就能处理边缘情况，从而在修复成本较低时发现问题。仅这一点就能降低成本、提高覆盖率并减少后期返工。
• 通过虚拟调试减少原型数量和材料成本：许多测试都转移到模拟器上进行，因此订购数量减少，废品率降低。您仍然可以为高价值的检查保留实体构建，从而使开支保持在目标范围内。
• 为每次变更自动生成回归、覆盖和报告：每次提交后，脚本都会运行相同的案例，从而保持稳定的质量。提交的报告具有可追溯性，因此领导者可以利用当前数据做出明确的选择。
• 供应商验收测试和接口标准化：共享脚本和 I/O 映射无需额外会议即可提高供应商质量。当部件到达时，它们会被纳入已知的测试，从而缩短集成天数。
• 跨程序重复使用模型、I/O 映射和脚本：重复使用将一个项目的努力转化为跨团队的倍增效应。这种方法可以缩短日历时间、提高一致性并简化培训。
• 在严酷的测试环境中保护人员和设备：模拟电弧、短路和超速，使危险情况远离实验室。您可以在不危及人员或资产的情况下证明保护逻辑。
• 改善仿真、控制和测试团队之间的协调：共同的工作台可创建共享的工件、共享的语言和共享的目标。这种一致性缩短了交接时间，明确了角色，并加快了根本原因工作。

当团队就模型、命名和交接规则达成一致时，这些做法才能发挥最佳效果。从小处着手，检测结果，并随着数据的到来调整计划。选择两个，跟踪冲刺阶段的结果，并与利益相关者一起回顾结果。积小胜为大胜，可以降低成本，减少意外，增强发布信心。

OPAL-RT 如何支持工程师进行硬件在环测试

OPAL-RT提供实时数字仿真器 ，它融合了 CPU 和 FPGA 执行，具有低延迟和高保真的特点。我们的平台与您已经使用的基于模型的工具链配对，并支持用于模型交换的 FMI 和 FMU。您可以连接高密度 I/O、电源接口和通信总线，然后调整时序以匹配您的控制器。eHS.ARTEMiS等工具箱 ARTEMiS和 HYPERSIM等工具箱可用于电机驱动、换流器和电网研究，而无需强制使用单一的工作流程。开放式接口和模块化机箱（如 OP4000 和 OP7000）可让您随着项目规模的扩大而增加容量。

我们帮助您规划从 SIL 和 MIL 到 HIL 的路径，选择合适的 I/O，并构建可重复使用的测试资产。RT-LAB 可协调实时执行、脚本编写和数据处理，因此您可以在不同地点保持测试台 一致性。我们的应用 工程师可共享经过验证的电动汽车测试、电网控制器和电力电子设备模板，这样您的团队就能在最重要的地方赢得时间。我们提供本地化、快速响应和实用的支持，重点关注可衡量的成果。能源、航空航天、汽车和学术研究 领域的团队信赖OPAL-RT提供的精确、可重复的 HIL。

关于硬件在环和测试的常见问题

在投资新工作台之前，工程师往往希望得到快速、直接的答案。常见的规划需求包括控制、仿真和测试。这里的重点是成本、风险和取得成果的时间。利用简要指南启动内部讨论和预算申请。

哪些行业利用硬件在环来降低成本？

汽车、航空航天、电力电子、电网系统和学术研究 占据了 HIL 的大部分价值。每种系统都依赖于复杂的控制器，这些控制器与功率级、执行器或现场网络相互作用，很难在工作台上进行安全测试。HIL 将高风险、高成本的检查转移到实时仿真 中，在这里，条件是可重复和可控的。这种转变减少了构建次数，缩短了实验室时间，并在修复成本最低时发现问题。

HIL 测试如何降低汽车项目的风险？

HIL 汽车测试可让团队证明对故障的检测和响应，从而降低风险，而不会让员工或硬件暴露于危险之中。HIL 下的电动汽车测试使用一致的脚本，涵盖接触器故障、传感器故障、充电器误动作和逆变器瞬态。在控制器实时闭环的同时，同一工作台还能验证定时预算和通信链路。开发工作的重点始终放在调试和覆盖面上，而不是从损坏的部件或匆忙的返工中恢复。

HIL 测试如何降低能源和电力系统的成本？

HIL 将昂贵的调试任务转移到现场工作之前的实验室中，从而降低了能源和电力系统的成本。环路中的硬件电力电子设备可让您推动保护、门控和热逻辑，而无需冒险换流器 变流器或变压器。团队将流程与电力电子产品中的建模和仿真 结合起来，许多团队还使用查询建模和仿真 电力电子产品来标记需求，以保持范围清晰。这样做的结果是减少了原型、减少了实地考察，并为停电窗口制定了更严格的计划。

SIL 和 HIL 测试有什么区别？

SIL 与 HIL 测试的主要区别在于是否存在物理控制硬件。SIL 在软件模拟器中运行代码，速度快、成本低，非常适合早期逻辑检查。HIL 将实际控制器连接到模拟工厂的实时模拟器上，从而暴露出 SIL 无法显示的时序效应、量化和 I/O 细微差别。有实力的团队会使用 SIL 来塑造功能，然后在接触原型之前使用 HIL 来验证行为。

实验室管理者应该跟踪什么来证明 HIL 的价值？

跟踪发现缺陷的位置、每次回归运行的时间、建立的原型数量以及设备损坏率。添加覆盖率指标、合格率、平均检测时间和平均修复时间。比较 HIL 推出前后的这些值，然后每季度重复一次。这样的证据可以支持预算、明确人员配置并保持目标一致。

明确的答案有助于团队从兴趣转化为行动，减少摩擦。记录目标，选择试点，并根据简单的指标来衡量结果。随着信心的增强，将范围扩大到更多的控制器，并在最节省成本的地方增加自动化。这样做的好处是测试更安全、花费更少，并缩短了生产周期。