6种HIL测试类型

核心要点

• HIL测试的主要类型是根据反馈路径、接口级别和功率流来定义的，而不是根据固定的项目阶段来定义的。
• 开环、闭环、信号级、功率级、故障注入和分布式HIL，每种方法都针对不同的验证问题。
• 一个优秀的HIL测试台应能针对您在确定硬件规格、模型和I/O之前需要检测的故障模式进行匹配。

选择合适类型的HIL测试，既能缩短台架测试时间，又能发现关键故障。

当团队将所有硬件在环（HIL）测试平台都视为相同的测试任务时，往往会白白浪费数周时间。一个仅检查I/O时序的控制器测试台，无法解答与通过变流器输送真实电流的测试台所针对的相同问题。在确定测试台规格之前，最好先根据反馈路径、接口级别和故障意图对测试进行分类。这一简单的筛选标准，能确保您的HIL测试台始终与您实际需要解决的问题保持一致。

HIL 测试类型反映了硬件如何满足仿真要求

当你考察物理硬件与仿真被控对象之间的边界时，HIL测试类型就显得合情合理了。这一边界决定了回路闭合、信号时序、功率流以及安全运行极限。连接到虚拟车速传感器的制动控制器需要一种设置方式，而连接到电网仿真器的充电器则需要另一种设置方式。

一个有用的硬件在环（HIL）示例应从明确的划分开始。您可以将控制器、I/O 设备和保护硬件保留在试验台上，而将电机、电池、飞机机体或电网留在仿真器中。这种划分能帮助您明确试验台能够验证什么、无法验证什么。一旦界定了这一边界，这六种测试类型便成为试验台设计和测试覆盖范围的切实可行的选择。

涵盖大多数验证场景的6种HIL测试类型

“合适的HIL测试台，首先要从需要检测的故障入手。”

大多数HIL工作可归入六大类，这些类别均与特定的验证问题相关。有些设置在无反馈的情况下验证输出，有些则围绕被控对象的动态特性闭环，还有些涉及实际功率交换。其他类型则侧重于注入故障或连接仿真器。若将每种类型视为一种针对特定目的的工具，您将获得更好的结果。

1. 开环 HIL 在无需反馈时检查输出

当您只需根据固定或脚本化的输入来验证硬件输出时，开环 HIL 是理想的选择。被测设备接收固定或脚本化的输入，随后测试台测量输出，例如 PWM 占空比、继电器命令或消息定时。 一个常见的硬件在环示例是发动机控制器：在预设的温度序列过程中，该控制器必须发出正确的风扇控制指令，而此时没有模拟的冷却液回路向逻辑模块提供反馈。这种设置速度快、安全且易于调试，因为每次只改变一个变量。它不会暴露不稳定的控制响应、反馈回路内的时序偏差或错误的状态估计。应在项目早期采用这种方法，此时引脚映射、固件逻辑和输出范围比闭环性能更为重要。

2. 闭环 HIL 可在实时反馈条件下验证控制器的响应

当硬件必须实时响应模拟被控对象时，闭环HIL就显得尤为重要。仿真器将传感器值发送至控制器，控制器作出响应，而该响应又会改变被控对象的下一个状态。与电机和逆变器模型相连的电动驱动控制器便是明显的例子，因为在每个时间步长中，转矩指令、转速、电流和母线电压都会相互影响。 这种测试方式能揭示开环测试中无法察觉的振荡、饱和、积分器饱和以及时序敏感性等问题。同时，它对模型质量和延迟的要求也更高，因为求解器步长不佳或I/O延迟都会导致响应失真。一旦代码足够稳定，可以进行动态验证，闭环测试通常是默认的选择。

3. 信号级 HIL 适用于具有严格时序要求的低功耗接口

信号级HIL主要针对低功耗电气接口，例如模拟传感器电压、数字输入、脉冲序列、串行链路和车载网络。其目标是在不向负载路径施加显著电流或电压的情况下，重现控制器所预期的信号。 一个读取电芯电压、温度、接触器状态和 CAN 消息的电池管理单元便是很好的例子，因为测试台可以在高功率电池组处于断开状态时，以精确的时序模拟所有这些输入。这一类别非常适合协议检查、传感器合理性逻辑验证以及故障测量。但它无法揭示当功率器件发热或转换器检测到真实能量流动时，硬件的行为表现。 当时序和接口保真度比电气应力更重要时，请选择信号级HIL。

4.换流器 实际能量交换换流器 进行大功率HIL测试

功率级HIL通过添加物理功率路径，使被测设备在受控条件下感受到电压、电流或两者兼有。该技术适用于必须响应真实电气负载的换流器、充电器、逆变器、电机驱动器或保护设备。并网逆变器测试台便是典型的应用案例，因为模拟器负责计算电网模型，而放大器则重现逆变器必须应对的电气工况。 该设置能够揭示仅靠信号仿真无法发现的保护阈值、限流及开关过渡方面的问题。此外，由于环路延迟和放大器动态特性现在影响测试台的响应，该设置还提高了稳定性和安全性要求。当标准的闭环设置无法单独解答电力电子问题时，使用 OPAL-RT 的团队通常会采用这种方法。 

5. 故障注入式HIL可在试验台受损之前揭示保护措施中的漏洞

故障注入式HIL（硬件在环）旨在回答一个问题：当输入出现异常或条件超出正常范围时，硬件会如何反应。该测试台可模拟传感器失效、位卡死、总线错误、短脉冲、过期时间戳、过流市场活动 或状态估计错误等情况。 一个典型的示例是：在快速减速过程中，制动控制器接收到了缺失的车轮速度信号。通过这种方式，您可以在不危及车辆安全或损坏测试台的情况下，观察备用逻辑的运行情况。此类测试对于保护系统、监督逻辑和安全论证尤为重要。它还适用于开环、闭环、信号级和功率级测试台，因此与其说是一种独立的生命周期阶段，不如说是一种更具针对性的测试模式。

6. 分布式HIL将多个仿真器 连接起来仿真器 系统级验证

当一个测试台无法以足够高的保真度容纳整个系统时，分布式HIL可将多个仿真器、机架或控制器连接起来。在车辆平台、微电网、飞机系统和充电网络等场景中，不同团队负责不同的子系统，您会看到这种应用。 一个实际案例是：充电控制器运行在一台测试台上，而电池组仿真器、电网模型和现场能源控制器则在具有共享时间步长的关联节点上运行。这种设置使您能够验证接口时序和跨系统行为，而无需将每个模型都强行部署到单一目标上。其取舍在于复杂性，因为时钟同步、网络延迟和分区策略都会影响结果。当系统交互比单个控制器的本地环路更为重要时，分布式HIL便是正确的选择。

“一旦界定了这一边界，这六种测试类型就成为工作台设计和覆盖率方面的切实可行的选择。”

如何选择合适的HIL测试台

选择合适的HIL测试台，首先要明确需要检测的故障类型。在确定仿真器规格之前，应确保测试台在回路闭合、接口级别、功率处理能力和故障覆盖率等方面与需求相匹配。这种方法能使测试范围保持精确定位，同时在测试时间有限的情况下，也能让测试结果更值得信赖。

• 当输出逻辑是唯一目标时，请选择开环模式。
• 当被控对象的反馈会影响控制器响应时，应选择闭环控制。
• 当传感器和总线需要精确仿真时，请选择信号级。
• 当电气应力必须保持在物理范围内时，请选择功率等级。
• 当一个测试台无法模拟整个系统时，应选择分布式HIL。

如果能清晰地解答问题，那么小型测试台往往是更好的选择。在协议时序测试方面，信号级测试台的表现会优于功率级测试台；而在控制调优方面，闭环测试台的表现会优于开环测试。使用OPAL-RT 的团队通常会在确定平台规格之前，先定义延迟限制、I/O 需求和故障场景，这样才能获得最大价值。如果跳过这一步，你花在硬件上的钱只会带来噪声，而非有价值的洞察。