燃料電池汽車整車控制器硬件在環(huán)實時仿真測試平臺設(shè)計

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械式控制系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些需要。電子化控制系統(tǒng)以其高精度、高速度、控制靈活、穩(wěn)定可靠等特點逐漸取代了機(jī)械式控制系統(tǒng)，是汽車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

由于對控制性能的要求越來越嚴(yán)格，使得汽車電子控制系統(tǒng)對控制器的要求越來越高?？刂破鞯拈_發(fā)與設(shè)計一般都要經(jīng)過如圖1所示的步驟，即由上層到底層，再由底層到上層的一個V字形過程。首先是控制器的上層功能設(shè)計，詳細(xì)確定控制器將要實現(xiàn)的功能；然后生成目標(biāo)程序代碼；最后是控制器的底層軟、硬件實現(xiàn)。

從控制器實現(xiàn)到實車測試的過程中還需要進(jìn)行硬件在環(huán)實時仿真測試。這是因為在整車控制器的開發(fā)過程中，利用整車控制器硬件在仿真測試平臺構(gòu)建虛擬的整車現(xiàn)場環(huán)境。對控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，不但可以大大加快整車控制器軟、硬件的開發(fā)過程，而且開發(fā)成功的控制器具有較高的可靠性。因為仿真測試平臺可以模擬出在實車試驗中難以實現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險狀態(tài)，從而對整車控制器進(jìn)行全面的測試。控制器硬件在環(huán)仿真測試中，系統(tǒng)用數(shù)學(xué)模型來代替，控制器使用實物，系統(tǒng)模型和控制器之間的接口要與實際保持一致，在仿真調(diào)試完畢后，達(dá)到控制器和系統(tǒng)之間的“垂直安裝”或“垂直集成”?？刂破髟谕瓿捎布诃h(huán)仿真之后，就可以進(jìn)入系統(tǒng)集成和測試環(huán)節(jié)，最后實現(xiàn)初期設(shè)計的各項功能和指標(biāo)。

本文基于Matlab/Simulink RTW 和XPC Real-time Target實時仿真平臺，配合PCI數(shù)據(jù)采集卡底層軟件的開發(fā)和信號調(diào)理裝置硬件設(shè)計，系統(tǒng)地實現(xiàn)了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺。利用該平臺可以對整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺和控制算法等進(jìn)行測試。

硬件在環(huán)實時仿真測試平臺方案設(shè)計

硬件在環(huán)實時仿真平臺構(gòu)建了虛擬的整車環(huán)境，并基于虛擬的人機(jī)交互司機(jī)模型，將人作為硬件在環(huán)的一個元素引入到實際的仿真測試中，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個基于工業(yè)控制計算機(jī)的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺。虛擬整車平臺基于Matlab/Simulink xPC Target實時仿真環(huán)境，作用是模擬真實燃料電池客車的運行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機(jī)平臺基于Matlab/Simulink RTW Target實時仿真環(huán)境，作用是模擬真實燃料電池客車的操控機(jī)構(gòu)，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當(dāng)兩個計算機(jī)虛擬平臺對實際環(huán)境進(jìn)行模擬時，通過數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)真實的復(fù)雜整車環(huán)境，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測試試驗。并配有基于CAN總線的實時監(jiān)控裝置，可以全過程實時地監(jiān)控仿真測試試驗。

硬件在環(huán)實時仿真測試平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺硬件設(shè)計

虛擬平臺的硬件需要完成計算機(jī)模型產(chǎn)生的虛擬信號到真實信號的轉(zhuǎn)換，這些信號包括數(shù)字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發(fā)動機(jī)啟動開關(guān)信號屬于數(shù)字信號，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。

虛擬平臺的數(shù)字信號和模擬信號通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)與真實世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅(qū)動程序，可以直接用于實時仿真。對于部分不支持Matlab實時仿真環(huán)境的數(shù)據(jù)采集卡， 可以采用Matlab/Simulink環(huán)境下的S函數(shù)編寫，并在Matlab環(huán)境下調(diào)用動態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅(qū)動程序，因此采用S函數(shù)進(jìn)行集成。整個虛擬平臺共具備32路數(shù)字量輸入接口、32路數(shù)字量輸出接口、32路數(shù)字量輸入/輸出復(fù)用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。

虛擬平臺產(chǎn)生或接收的CAN信號通過PCI總線與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過CAN總線與待測整車控制器進(jìn)行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴(kuò)展協(xié)議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。

信號調(diào)理器硬件設(shè)計

由于燃料電池客車上的信號比較復(fù)雜，數(shù)字信號有24V、12V和5V等不同的驅(qū)動電平和驅(qū)動方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅(qū)動功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號比較單一，故經(jīng)過信號調(diào)理器對信號進(jìn)行調(diào)理后，才能夠完全再現(xiàn)燃料電池客車上的真實控制接口，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測試。

如圖2所示，虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數(shù)字模擬信號通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡相連。數(shù)據(jù)采集卡與可配置的信號調(diào)理器之間通過專用的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過可配置的信號調(diào)理器對信號進(jìn)行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號完全符合實際整車信號規(guī)范，并采用標(biāo)準(zhǔn)接口與待測整車控制器相連，從而實現(xiàn)對整車控制器的無縫連接。通過調(diào)整可配置信號調(diào)理器的配置方式，可以實現(xiàn)各種車輛的不同信號規(guī)范。信號調(diào)理器為靈活的母板子板設(shè)計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據(jù)用戶的需要隨時更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。

硬件在環(huán)實時仿真測試平臺軟件設(shè)計

虛擬整車平臺軟件設(shè)計

虛擬整車平臺基于Matlab/Simulink平臺構(gòu)建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動機(jī)、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動電機(jī)及車輛負(fù)載。系統(tǒng)各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿足實時性的要求。整個模型在Matlab/Simulink xPC Target實時仿真環(huán)境上運行。整車仿真模型通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機(jī)平臺軟件設(shè)計

虛擬司機(jī)平臺實現(xiàn)了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號由測試人員通過踏板輸入外，其余整車啟停開關(guān)、燃料電池開關(guān)、電機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫報警等控制開關(guān)和儀表均由虛擬司機(jī)平臺實現(xiàn)。整個模型基于Matlab/Simulink RTW Target 實時仿真環(huán)境實現(xiàn)，并利用Matlab Gauges工具箱實現(xiàn)了整車儀表顯示和控制開關(guān)輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)的儀表開發(fā)工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發(fā)出虛擬車用儀表系統(tǒng)。虛擬司機(jī)仿真模型同樣通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。

實時性能分析

Matlab/Simulink為實時仿真提供了很好的軟件環(huán)境。Real-Time Workshop代碼自動生成工具可以將仿真模型編譯生成實時C代碼，并支持多種實時仿真目標(biāo)環(huán)境，包括Matlab工具箱RTW Target、xPC Target以及第三方軟件，如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來構(gòu)建虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺。

整車虛擬平臺承擔(dān)再現(xiàn)真實燃料電池汽車運行的任務(wù)，是整個測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制對象較多，為了真實再現(xiàn)整車運行情況，系統(tǒng)各部件模型除了需要滿足精度要求外，還必須嚴(yán)格滿足實時性的要求。整車虛擬平臺采用的xPC Target實時仿真環(huán)境采用目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)的結(jié)構(gòu)，由Matlab生成的實時內(nèi)核通過軟驅(qū)或者USB閃存獨立運行在目標(biāo)機(jī)上，直接調(diào)用CPU資源。仿真模型通過宿主機(jī)編譯生成實時代碼后下載到目標(biāo)機(jī)上運行，能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的系統(tǒng)實時仿真。

虛擬司機(jī)平臺采用的RTW Target實時內(nèi)核直接運行在Matlab/Simulink環(huán)境中，在同一臺PC機(jī)上就能夠迅速實現(xiàn)系統(tǒng)的實時仿真。其缺點是由于整個系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)下運行，實時內(nèi)核不能完全占有PC機(jī)操作系統(tǒng)資源，實時性受其他運行程序的影響。由于駕駛員模擬操作對實時性要求不高，因此選擇RTW Target實時仿真環(huán)境能夠滿足這一要求。

實時仿真信號定義

虛擬整車平臺、虛擬司機(jī)平臺的信號定義如表1、表2所示，與目標(biāo)燃料電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺定義了燃料電池汽車各部件控制器CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)議以及整車控制器制動信號輸入和整車車速輸出。虛擬司機(jī)平臺系統(tǒng)信號包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入，并定義了一個數(shù)據(jù)采集CAN節(jié)點。虛擬整車平臺與虛擬司機(jī)平臺除了車速信號、CAN網(wǎng)絡(luò)信號的聯(lián)系，其他所有信號均是與整車控制器交互。

實驗分析

利用仿真測試平臺可以對燃料電池整車控制器進(jìn)行軟硬件實時在環(huán)測試。將整車控制器通過信號調(diào)理裝置與仿真測試平臺按照實時仿真信號定義將相應(yīng)接口信號連接起來，再分別運行虛擬整車平臺和虛擬司機(jī)平臺，即可用于測試。

該燃料電池汽車硬件在環(huán)實時仿真平臺已經(jīng)成功地應(yīng)用于“十五”燃料電池城市客車電控單元的開發(fā)。在控制器上車前即可對整車控制器數(shù)字、模擬信號的電氣特性、控制邏輯和算法、故障診斷功能等進(jìn)行檢驗。配合快速原型開發(fā)工具dSPACE可以完整地實現(xiàn)快速原型開發(fā)整車控制器測試流程，如圖3所示。

基于本仿真測試平臺的試驗除了待測整車控制器為實際車用控制器以外，所有的測試環(huán)境均為仿真測試平臺虛擬真實環(huán)境得到，并且從控制器角度上看與整車真實環(huán)境完全一致，從而實現(xiàn)了低成本地、便捷地、快速地對整車控制器進(jìn)行各種測試，不但提高了整車控制器的開發(fā)效率，也完善了整車控制器上車前的必要測試過程，降低了整車控制器進(jìn)行實車試驗的風(fēng)險及成本。該平臺具有通用性，可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的仿真測試，并不局限于整車控制器的開發(fā)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

整車控制器經(jīng)過仿真平臺的反復(fù)測試后將進(jìn)行實際的實車試驗，而從試驗中獲得的各部件數(shù)據(jù)又為仿真模型的進(jìn)一步精確化匹配標(biāo)定提供了條件，從而使仿真平臺更符合實際。