清洁能源汽车整车控制器硬件设计及模拟负载硬件在环仿真系统
基于硬件在环仿真的汽车制动控制器测试系统
１ 制 动 控 制 Ｈ Ｌ 测试 系统 简 介 Ｉｓ
Ｈ Ｌ 技 术在 制动控 制仿 真测试 中的应 用 主要 Ｉｓ 包括控 制策 略 开 发 、 速 性 能 评 估 和 故 障模 拟 与 快
用 广泛 并为 消费 者所熟 知 的功 能如动 防 抱 死 系 统 （ Ｂ ） 电子 稳 定 控 Ｅ Ｄ） 制 ＡＳ和
制 器仿 真测 试 系统 。该 系 统 可 快 速 、 确地 进 行 电子 制 动 控 制 器 的 功 能 测 试 和 性 能 评 估 ， 准 以及 故 障 在 线 模 拟 和 诊 断 。有 助 于在 产 品开 发 过 程 中及 时 发 现 设 计 缺 陷 和潜 在 问 题 ， 指 导 实 车 测 试 ， 一 步 提 高 产 品 的安 全 性 和 并 进 可 靠性 ， 短 开 发 周 期 。 缩
的快速 测试 ； 相对 于虚 拟 仿 真 ， 采 用 实 际物理 元 它
件 替代 系统模 型 中对测 试 精 度 和实 时性 影 响较 大
的关键 部件 ， 以及 难 以准 确模 型化 的黑 匣 子部 件 ， 从 而大 大提 高仿 真测试 的准 确性 ¨ 。
车 辆制 动控 制 器 属 于 底 盘 电 子 系 统 ， 目前 应
【 ｓｒｃ】 Ｔ ｅｂａｉｇｃｎｒｌｒｅｔ ｇｓｓ ｍ ｂｓｄｏ ａｄ ａｅｉ ｌｏ ｍ ｌｔｎｉｅｔｂ Ａｂｔａｔ ｈ ｒｋｎ ｏｔ ｌ ｓｎ ｔ ａｅ ｎｈｒｗ ｒ ｎ ｏｐｓ ｕａｉ ｓ ． ｏｅ ｔ ｉ ｙ ｅ ｉ ｏ ｓ ａ
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新能源汽车动力系统控制器硬件在环测试解决方案
新能源汽车动力系统控制器硬件在环测试解决方案相比较传统汽车，新能源电动汽车（包括纯电动汽车与混合动力电动汽车）动力系统增加了电机驱动系统、电池及其管理系统、整车控制器等关键零部件。
如图1所示，为一种常见的插电式混合动力汽车拓扑结构，与传统汽车相比，动力系统复杂程度增加，控制器数量增多，控制器测试的工作量与难度也相应增加。
图1 一种常见的插电式混合动力汽车拓扑结构新能源电动汽车对动力系统的动力性、经济性、制动性、排放性、可靠性等方面都有很高要求，需要对动力系统进行全面的测试，主要包括：动力性测试：最大输出功率最大扭矩加速时间最大爬坡度最高车速经济性测试：燃油消耗率平均燃油消耗量1 / 6电池能量消耗率平均电池能量消耗量制动性测试制动能量回收功能制动加速度制动距离制动时方向稳定性其它测试相关排放物含量安全防护通信故障诊断在传统的电动汽车动力系统测试中，需要使用大功率直流电源、测功机、功率分析仪、电池检测、数据采集等设备，并需要专门的配套实验室。
即使有了测试环境与测试工具，传统的测试方法还存在以下问题：耗费大量电能并产生废旧电池测试过程繁琐，耗费大量人力物力电机、电池等在极端运行环境下有较大的安全风险测试重现性较差，无法进行自动化测试使用硬件在环(HIL)测试方法，结合传统测试方法，将新能源电动汽车动力系统测试分成两个关键步骤：1.各个控制器的HIL测试，包括电池管理系统的HIL测试，电机控制器的HIL测试、整车控制器的HIL测试以及多个控制器的集成HIL测试，经过这个步骤，可以发现各个控制器存在的大部分问题，大幅降低后续大功率测试的风险与成本；2.整车动力系统的联合测试，利用HIL设备与传统测试台架相结合的联合测试台，对整车动力系统进行联合测试，用于验证动力系统的动力性、经济性、制动性、排放性、可靠性等指标，同时，对动力系统的通信、安全防护、故障诊断等进行全面测试。
相比较传统测试方法，联合测试方法可以更早地发现问题，降低风险与成本，使测试更加全面的同时缩短测试周期。
新能源汽车硬件在环测试系统环境搭建及测试流程综述
信 息 技 术DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.35.007新能源汽车硬件在环测试系统环境搭建及测试流程综述①陈瑛(江西生物科技职业技术学院机电工程系 江西南昌 330200)摘 要：硬件在环测试系统在新能源汽车电控系统的开发、测试、验证过程中具有重要的地位，基于硬件在环(HIL)测试设备的环境搭建和测试流程是电控系统开发过程中的关键技术环节，通过建立完善的环境搭建和测试流程技术体系，并结合HIL测试的完整实施方案，实现HIL测试的完整测试平台体系建设，对于汽车电控系统的测试具有重要的意义。
关键词：硬件在环 环境搭建 测试流程中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)12(b)-0007-02在新能源汽车的电控系统设计过程中，HIL测试关键技术，它建立了虚拟的试验环境，对控制器进行功能测试、通讯测试、诊断测试。
HIL测试的目的是验证控制器与功能需求匹配性，HIL测试把被控对象的模型生成C 代码并编译成可执行的程序下载至RTPC中计算，模拟真实的被控对象，实现闭环的控制系统。
HIL测试常常被用于：(1)被控对象成本高，控制器开发阶段性能不够完善；(2)被控对象失效会危及人身安全；(3)为控制器提供同时测试的模型对象。
1 HIL测试环境搭建流程HIL测试环境的搭建直接影响测试的结果，以及测试过程的顺利实施。
因此，在搭建测试环境的过程中，需要清晰的思路、完善的搭建方法、明确的实施方案。
1.1 完善DUT及HIL台架的文件明确测试的控制功能，测试依据包括控制器的软硬件需求文件，控制器设计标准及设计规范，用户需求问卷表等；确定控制器的管脚定义、信号类型、信号的有效性，基于信号需求表建立出信号指标列表，依据I/O测试的文件和测试信号的清单建立I/O测试列表，并建立正确的电气连接；确定HIL台架的通道的负载配置；确定被测件的针脚在整车中的连接关系等，同时确定HIL台架板卡中通道的配置及硬件资源是否符合设计需求。
电动的汽车整车控制器设计要求规范2018-10-15
目录1 整车控制器控制功能和原理 (1)2 纯电动客车总成分布式网络架构 (1)3 整车控制器开发流程 (3)3.1 整车及控制策略仿真 (4)3.2 整车软硬件开发 (5)3.2.1 整车控制器的硬件开发 (6)3.2.2 整车控制器的软件开发 (10)3.3 整车控制器的硬件在环测试 (12)3.4 整车控制器标定 (15)3.4.1 整车控制器的标定系统 (15)1整车控制器控制功能和原理纯电动客车是由多个子系统构成的系统，主要包括储能、驱动等动力系统，以及其它附件如空调等。
各子系统几乎都通过自己的控制单元（ECU）来完成各自功能和目标。
为了满足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的目标，一方面必须具有智能化的人车交互接口，另一方面，各系统还必须彼此协作，优化匹配。
因此，纯电动必须需要一个整车控制器来管理系统中的各个部件。
纯电动车辆以整车控制器为主节点的、基于高速CAN总线的分布式动力系统控制网络，通过该网络，整车控制器可以对纯电动车辆动力链的各个环节进行管理、协调和监控，提高整车能量利用效率，确保车辆安全性和可靠性。
整车控制器的功能如下：1)车辆驾驶：采集司机的驾驶需求，管理车辆动力。
2)网络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，网关。
3)仪表的辅助驱动。
4)故障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障处理，实时显示故障。
5)在线配置和维护：通过车载标准CAN端口，进行控制参数修改，匹配标定，功能配置，监控，基于标准接口的调试能力等。
6)能量管理：通过对纯电动客车载耗能系统（如空调、电动泵等）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。
7)功率分配：通过综合车辆信息、电池的SOC、温度、电压、电流和电机的温度等信息计算电机功率分配，进行有效的能量管理，以保证车辆能量效率达到最优。
8)坡道驻车辅助控制9)坡道起步时防溜车控制2纯电动客车动力总成分布式网络架构纯电动客车是由多个子系统构成的复杂系统。
基于硬件在环的纯电动客车整车控制系统功能测试
客 车 技 术 与 研 究第4期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.4 2020作者简介:余莹莹(1990 ),女,硕士,工程师;主要从事新能源客车整车控制开发和软件测试工作㊂基于硬件在环的纯电动客车整车控制系统功能测试余莹莹,李 韧,王法龙,常 圣,吴 浩(安徽安凯汽车股份有限公司,合肥 230051)摘 要:以纯电动客车的VCU 为测试对象,采用硬件在环仿真技术,基于dSPACE 建立整车控制系统仿真测试平台,对整车控制系统进行功能测试,为后续实车调试提供理论依据㊂关键词:硬件在环仿真;dSPACE ;整车控制系统;功能测试中图分类号:U469.72 文献标志码:B文章编号:1006-3331(2020)04-0005-05Function Test of Vehicle Control System for Pure Electric BusesBased on Hardware in the LoopYU Yingying,LI Ren,WANG Falong,CHANG Sheng,WU Hao(Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230051,China)Abstract :Taking the VCU of the pure electric bus as the test object,the authors use the technology of hard⁃ware in the loop simulation based on dSPACE to establish the vehicle control system simulation test plat⁃form,and do the function test of the vehicle control system,which provides the theoretical basis for the sub⁃sequent real vehicle debugging.Key words :hardware in the loop simulation;dSPACE;vehicle control system;function test 在整车控制系统研发过程中,基于安全性㊁可行性以及成本的考虑,硬件在环(HIL)仿真测试贯穿于研发的各个阶段,已成为研发过程中不可缺少的部分㊂HIL 仿真又称为半实物仿真,将部分实物硬件接入仿真系统,使仿真系统更逼近真实系统[1]㊂主要以dSPACE 实时处理器运行ASM(Automotive Simulation Models)软件来模拟受控对象的运行状态,通过I /O接口与被测的VCU 连接,对VCU 实现全面㊁系统的测试,从而减少实车路试的次数,大大缩短开发时间,节省开发成本[2-3]㊂本文利用Matlab /Simulink 建立整车模型,以某纯电动客车VCU 为测试对象,基于dSPACE 建立其硬件在环仿真测试环境,对整车控制系统进行功能测试验证㊂1 硬件在环仿真测试系统总体设计德国dSPACE 系统作为半实物仿真与控制器开发的软硬件平台,能够实现和Matlab /Simulink 的无缝连接[4]㊂在软件方面,采用Matlab /Simulink 进行算法开发㊁系统建模及离线仿真,利用自动代码生成技术生成实时C 代码,并通过实时接口RTI 实现从Simulink 模型到dSPACE 实时运行硬件代码的无缝自动下载[5]㊂dSPACE 硬件主要由DS1006核心主控板㊁DS2211I /O 板㊁DS814通讯接口板㊁CAN 通讯接口板㊁故障注入板卡㊁负载板卡㊁电源等构成㊂通过PHS 总线连接各种dSPACE 的I /O 板卡,总线速度为20Mb /s;完全支持Simulink 编程等[6]㊂图1为硬件在环系统架构图㊂图1 硬件在环系统架构图HIL 仿真测试主要是通过dSPACE 仿真器将仿真信号经过I /O 板卡以及调理电路处理后发送给VCU,VCU 接收到输入信号后经过内部策略处理进行对应信号输出(包括执行器的驱动信号以及与其他节点的交互信号);同时仿真器又能对VCU 输出信号进行实时采集并作为整车模型输入信号进行运算处理,形成一个闭环系统测试㊂只需要对整车模型参数进行配置,通过仿真器设置各种测试工况就可以对5VCU进行全面㊁系统的测试[7]㊂除此之外,dSPACE 还提供了交互式测试管理软件ControlDesk,利用此上位机软件能快速建立虚拟仪器对测试过程进行监控,且可实现在线调参[8]㊂根据VCU的功能要求并充分考虑到纯电动客车的使用环境,搭建基于dSPACE的HIL仿真测试平台组成,如图2所示㊂图2 硬件在环仿真测试平台组成图2 仿真模型建立以及测试软件开发2.1 仿真模型的建立HIL测试系统中最重要的环节是建立仿真模型, dSPACE仿真器是在仿真模型的基础上运行的[9]㊂在基于Matlab/Simulink环境下开发模型,主要包括IO模型和ASM整车模型[10]㊂其中IO模型如图3所示,用于仿真器硬件接口进行建模,主要实现对硬件IO接口的配置以及所有信号的调理,根据控制器引脚定义确定信号类型来配置接口[11]㊂不仅对传感器信号和执行器接口进行分配㊁参数配置以及信号调理,而且还对CAN总线通信参数和CAN总线信号属性进行配置㊂图3 IO模型图ASM整车模型如图4所示,根据实车性能和特性建立虚拟车辆[12]的仿真模型,主要包括Soft ECU 模块㊁动力模块㊁传动系模块㊁车辆动力学模块㊁驾驶环境模块㊂根据待测车辆特性进行参数配置,就可以实现实车的模型化,获得实车的运行效果㊂图4 ASM整车模型图2.2 测试软件开发上位机界面主要是基于dSPACE/ControlDesk软件创建的测试管理界面,对整车控制系统功能测试整个过程进行控制和管理,它能够下载仿真模型文件㊁监控实时测试数据㊁设置变量和参数以及显示虚拟仪表数据等㊂根据待测VCU的测试需求,将测试管理界面进行模块化设计,主要分为电源控制模块㊁驾驶员操作模块㊁虚拟仪表模块㊁数据监控模块以及CAN通信管理界面㊂根据通信网络配置生成CAN通信管理界面,实现CAN通信的仿真及监控[13-14]㊂测试界面中每个控件与其对应的模型信号进行关联,可实时监控仿真测试数据㊂图5为ControlDesk测试界面原理图㊂图5 ControlDesk测试界面原理图3 仿真测试及结果分析HIL仿真测试平台搭建好后,根据实际车辆参数6客 车 技 术 与 研 究 2020年8月以及路况信息,对其中的ASM 整车模型进行参数化以及闭环测试工作㊂采用dSPACE 参数化软件Mode⁃lDesk 对建立好的ASM 整车模型中的各个子模型进行相关参数配置㊂相关参数配置好后,在实时环境下对VCU 进行整车上电起步㊁加速制动㊁蠕行以及打气泵等功能或性能测试,验证该VCU 逻辑是否满足设计要求,为后续实车调试提供理论依据㊂3.1 整车上电起步仿真测试整车上电起步仿真测试主要验证整车能够按照要求正常上电起步,测试过程:首先通过ControlDesk 测试界面给dSPACE 台架以及VCU 供电;测试开始时,点击Key ON 挡,观察DC /DC 能否正常上电;点击Key Start 挡后,观察主接触器闭合情况以及是否有Ready 信号㊂整车上电起步仿真测试结果如图6所示,当虚拟整车有ON 挡信号后,VCU 收到DC /DC 接触器闭合反馈信号,DC /DC 完成上电;当虚拟整车有Start 挡信号后,VCU 收到主接触器闭合反馈信号,此时dSPACE /ControlDesk 测试界面上Ready 指示灯亮㊂此时电机直流侧电压为561.1V,大于Ready 电压(标定为400V),满足上电要求,由此测试结果可以看出,VCU 能够正常发送和接收信息,虚拟整车能够正常上电起步,测试通过㊂(a)整车上电过程中接触器闭合反馈情况(b)整车上电过程中电机直流侧电压以及Ready 信号情况图6 整车上电起步仿真测试结果3.2 整车加速及制动性能测试整车加速及制动性能仿真测试主要验证当车辆在加速㊁制动等过程中观察VCU 能否将驾驶员命令准确解析传递给MCU㊁BMS 等,使虚拟车辆按照设计目标运行㊂测试过程:当虚拟车辆处于Ready 状态时,在ControlDesk 测试界面上,先将制动踏板百分比设置为50%,点击D 挡位,再将制动踏板百分比设置为0,将油门踏板百分比设置为100%;观察从起步到加速的过程中,VCU 收到加速踏板信号,并向MCU 进行扭矩请求以及车速的变化情况;最后将制动踏板百分比设置为80%时,观察VCU 收到制动踏板信号后,并向MCU 进行扭矩请求以及车速的变化情况㊂图7为整车加速及制动性能仿真测试结果,从图中可以发现:当将油门踏板百分比设置为100%后,VCU 迅速请求电机输出最大扭矩,随着车速的增大,请求扭矩逐渐减小㊂当将制动踏板百分比设置为80%后,VCU 迅速请求电机输出较大负扭矩,进入能量回收状态,随车速减小,输出扭矩减小直至车速降为0km /h㊂当车速降为0时,将制动踏板百分比设置为0后,虚拟车辆应进入蠕行模式㊂根据测试结果可以看出该VCU 满足加速㊁制动功能要求,测试通过㊂图7 整车加速制动性能仿真测试结果3.3 蠕行功能测试当虚拟车辆满足进入蠕行状态的条件后,通过测试验证虚拟车辆能够按照要求进入蠕行㊂测试过程:当车辆处于上电起步状态时,先将制动踏板百分比设置为50%,点击D 挡位后,再将制动和油门踏板百分比均设置为0,且将手刹信号设置为0,此时通过Con⁃trolDesk 上位机界面读取虚拟车辆状态㊂图8为蠕行功能仿真测试结果,从图中可以发现:当点击D 挡位后,将制动和油门踏板百分比均设置为0时,电机的转速逐渐增大,车速也随之升高㊂当电机的转速达到7 第4期 余莹莹,李 韧,王法龙,等:基于硬件在环的纯电动客车整车控制系统功能测试162r /min 且保持时,车速升高至5km /h 后始终保持5km /h 匀速行驶,符合功能要求,测试通过㊂图8 蠕行功能仿真测试结果3.4 打气泵功能仿真测试打气泵功能仿真测试主要是验证在虚拟整车气压低的情况下打气泵能够按照要求进行工作㊂测试过程:首先将打气泵启动电压值标定为3.4V,打气泵停止电压值标定为4.1V;当虚拟整车上高压后,在ControlDesk 测试界面上将虚拟整车气压值分别设置为0V㊁3.7V 和4.5V 时,观察打气泵打气工作情况;将打气泵首次启动工作时间标定为1min,气泵停止间隔时间标定为1min,观察打气泵的防乳化功能以及时间存储的情况㊂图9为打气泵打气工作仿真测试结果,从图中可以发现:当虚拟整车气压值为0V 和3.7V 时打气泵一直在工作;当虚拟整车气压值为4.5V 时打气泵在工作,12s 过后打气泵停止工作,符合打气泵功能要求,测试通过㊂图10为打气泵防乳化功能以及存储时间仿真测试结果,从图中可以发现:打气泵打气时间为1min,且2min 存储一次时间信息,当打气泵首次启动工作1min 且打气1min 结束后,过了5min 关闭打气风扇,此时又因为达到了打气泵停止间隔时间再一次打气,符合打气泵功能以及防乳化逻辑的功能要求,测试通过㊂图9 打气泵打气工作仿真测试结果图10 打气泵防乳化功能以及存储时间仿真测试结果4 结束语本文详细阐述了基于硬件在环的整车控制系统功能测试系统的总体设计,通过开发仿真模型和测试界面,建立了基于dSPACE 的硬件在环测试仿真平台,并在此平台上对整车控制系统进行了功能验证㊂测试结果表明,利用此硬件在环测试仿真平台能够快速有效地验证该整车控制系统是否满足设计要求,从而缩短了整车控制器的开发周期,减少了费用支出,为后续实车调试和验证提供理论依据㊂参考文献:[1]晏江华,刘全周,刘铁山.纯电动汽车VCU 硬件在环测试技术研究[J].汽车电器,2018(9):19-23.[2]夏萌.纯电动汽车整车控制器的硬件在环仿真研究[D].北京:北京理工大学,2013.[3]田真,黄小枫,李志成,等.整车控制器硬件在环测试流程及测试用例库设计[J].汽车工程学报,2014,4(3):207-212.[4]于兰,辛明华.整车控制器硬件在环仿真系统设计[J].汽车工程师,2018(6):48-49.[5]王松辉.基于dSPACE 的无人机飞行控制系统半实物仿真研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.[6]陈顺东,李韧.基于dSPACE 的纯电动客车VCU 硬件在环仿真测试[J].客车技术与研究,2012,34(5):16-18.[7]晏江华.基于dSPACE 的汽车电控系统半实物仿真测试技术研究[D].天津:河北工业大学,2014.[8]吴方义,刘卫东,燕东,等.基于硬件在环的整车控制器自动化测试研究与应用[J].汽车电器,2018(11):29-31.[9]杨璐.基于dSPACE 的车身控制系统硬件在环测试技术研究[D].天津:河北工业大学,2015.[10]刘帝平.硬件在环测试在纯电动汽车VCU 开发中的运用[J].机电技术,2013(1):93-96.8客 车 技 术 与 研 究 2020年8月[11]张恒.纯电动汽车整车控制器硬件在环仿真系统的研究[D].长春:吉林大学,2013.[12]李长文,张付军,黄英,等.基于dSPACE 系统的电控单元硬件在环发动机控制仿真研究[J].兵工学报,2004(7)27-29.[13]郑志敏,谢勇波,王文明,等.纯电动汽车整车控制系统设计及其硬件在环仿真[J].客车技术与研究,2019,41(2):12-15.[14]金小飞,赵韩,李杨.基于dSPACE 硬件在环仿真的纯电动汽车整车控制器开发[J].机电工程技术,2012,41(8):14-16.收稿日期:2020-03-222020EB-PAC 全国新能源公交车大赛暨重磅来袭为积极响应国家号召,助力客车行业发展,由交通运输部科学研究院㊁中国公路学会客车分会㊁中国道路运输协会城市客运分会㊁国家客车质量监督检验中心等机构联合主办,重庆车检院承办的 2020EB-PAC 全国新能源公交车性能评价赛”(以下简称 评价赛”) 2020CAB-C 全国自动驾驶客车营运能力挑战赛”(以下简称 挑战赛”)将于2020年9月15-18日在重庆机动车强检试验场举行㊂比赛期间将发布‘中国客车安全评价规程(C-SCAP)“(2020版)实施细则㊂本次CAB-C 自动驾驶客车挑战赛为首次举办,是面向国内自动驾驶客车领域的盛典赛事㊂赛事之后,还将进行自动驾驶试乘体验,让自动驾驶走进百姓身边㊁服务百姓生活㊂热诚欢迎各相关企业积极参与!大赛技术咨询联系人:CAB-C 自动驾驶大赛:游国平180****9119EB-PAC 新能源公交车大赛:张涛180****9132大赛会务联系人:谢庭庭152****7250(重庆车检院祝阳供稿)9 第4期 余莹莹,李 韧,王法龙,等:基于硬件在环的纯电动客车整车控制系统功能测试。
基于dSPACE硬件在环仿真的纯电动汽车整车控制器开发
能 需 求 及 控 制 策 略 ；未 建 立 良好 的 软 硬 件 平 台 等 。本课 题 期 望 基 于车 辆行 驶 性 、安 全 性 、舒 适 性 、等 多种 性能 的考虑 ，评审 并 制订 Ｖ Ｕ的控制 Ｃ 策略 ，将 ＶＣ Ｕ各 控 制单 元进 行 模块 化 设计 ，结合 硬件在 环仿 真实 验 ，满 足 电动汽 车基本 性能 指标 。 本 文仅 以某公 司新 上市 某款 纯 电动 轿 车作 为
整 车控 制 的功 能 ，各 分布 式 控 制器 向整 车控 制 网
级 电容控制 器 以实现 车辆各 种工 作模式 。 Ｖ Ｕ是 电动 汽 车 的核 心 控制 单 元 ，它采集 加 Ｃ
络 做 出 回馈 。高 效 性 能 、低 廉 成本 及 高 可靠 性 是
国家 “ ６ ”节能与新能源汽车重大资助项 目 （ ８３ 编号 ：２ ０ Ａ １ ３ ） ０ ８ Ａ１Ａ１９
收 稿 日期 ：２ １ ０ ２—０ ２—２ ２
自动化
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机械 连接
（ ）外 嗣芯 片选 用 ：多 采川 ２
一业 级 （ ４ ℃ ～＋ ５ ）模 数 转 Ｌ 一０ ８ 换 片选 用 Ａ ５ ２ ， 实 时 时 钟 Ｄ ６３ 芯 片 选 用 Ｄ １９ ，逻 辑 门 芯 片 Ｓ３０ 选 择 Ｎ Ｐ公 司 的 产 品 ，隔 离 电 Ｘ
中 图 分类 号 ：Ｕ ８ ３ ４２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １０ ０ ９—９ ９ ２ １） ８—０ ０ 一Ｏ ４ ２（０ ２ ０ ０１ ６
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控 制 器硬 件 设计 需 要 考 虑 的几 个重 要 指 标１ 目 ３Ｊ －。 ４ 前 我 国 电动 汽 车 整 车控 制器 还 无 法全 面 满 足 电动 汽 车 的行 驶 要求 ，主要 表现 在 ：未解 决 完 整 的功
基于硬件在环仿真系统的整车经济性仿真
FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨时代汽车 基于硬件在环仿真系统的整车经济性仿真李特定东风汽车股份有限公司商品研发院 湖北省武汉市 430056摘 要： 硬件在环仿真系统已经成为发动机控制器开发过程中非常重要的工具和平台，对于提高控制器开发效率发挥着重要的作用。
分析某发动机硬件在环仿真台架结构及如何使用仿真台架进行整车发动机经济性仿真计算，并通过实例体现硬件在环仿真系统在汽车整车经济性仿真的应用及相比传统实体台架的优势。
关键词：硬件在环仿真（Hardware in-the-loop simulation）HILs 实时系统 ECU1 硬件在环仿真系统简介汽车发动机控制技术飞速发展，电控单元ECU软件功能日趋复杂，集成度不断提高，传统的测试台架不能在产品制造之前完成对ECU的综合测试，而硬件在环仿真系统可满足此类测试需求，通过在虚拟环境里对被测发动机及车辆进行建模仿真，与ECU组成闭环测试环境，实现ECU的功能测试，无需真实的汽车及发动机，模拟发动机及汽车极限工况测试。
通过Simulink对发动机、传感器、执行器及车辆进行建模，编译成动态链接库（DLL）文件，与实时仿真硬件处理器和仿真信号板卡，组成完整的硬件在环仿真系统。
在构建台架前，需要明确被测对象、测试内容及预期目标。
收集发动机万有特性曲线图、车辆特征参数、传感器特性参数、待测硬件控制器及关键执行器。
2 硬件在环仿真系统设计硬件在环仿真系统设计包含硬件和软件设计，硬件设计包括硬件选型、匹配等，软件设计包括被控对象模型设计及上位机控制界面设计。
2.1 硬件系统设计本文使用NI品牌的硬件，主要包括：PXIe-8135RT实时处理器；I/O板卡（模拟量输入输出，数字量输入输出，PWM输入输出），FPGA板卡（轮速/转速信号模拟、喷油点火信号采集）。
真实硬件主要是各种执行机构：喷油器、高压油泵、节气门、点火线圈、继电器等。
在被测ECU和实时硬件板卡之间增加信号调理和故障注入板卡、负载模拟模块等，整个系统的信号定义及连接端口通过信号列表设计，将ECU真实物理接口和仿真模型之间的IO接口逐个匹配并完成物理连接。
硬件在环仿真(HIL)：NI领先汽车测试关键之匙
硬件在环仿真（HIL）：NI领先汽车测试关键之匙美国国家仪器有限公司(National Instruments, 简称NI)于日前参加了在上海光大会展中心举办的2015年汽车测试及质量监控博览会。
在此次博览会上，NI联合多家业内合作伙伴，集中展示了NI为汽车行业提供的灵活开放式的测试平台与多样化的解决方案。
2015年是汽车测试及质量监控博览会举办的第十个年头，它已确立为向中国汽车工业展示确保质量、可靠性、耐久性和安全性的各种技术与服务的行业内头号展会。
会上逾280家公司展示了自己的新产品，具体领域包括：发动机/排气测试;车辆动力学测试;材料测试以及碰撞测试等。
NI也借助此次盛会向企业及大众展示了NI 在汽车行业的技术优势与优质解决方案。
据了解，现今几乎所有的汽车OEM与一级供应商在各类测试应用中均有使用或集成了NI产品。
通过为控制、设计和测试提供通用平台，NI 帮助用户节省了在汽车研发到生产各个阶段耗费的成本和时间。
凭借业内领先的I/O、灵活现成的硬件、强大高效的LabVIEW开发环境，用户可以创建适合各种应用的解决方案。
目前NI的产品在汽车行业涉及了车载测试和数据记录、硬件在环仿真、台架测试与控制、快速控制原型、生产线测试、车载信息娱乐系统测试等几大应用。
此次博览会上，NI着重展示了其业内权威的硬件在环仿真(HIL)技术方面的应用。
NI通过其创新的低成本模块化硬件和软件平台帮助工程师和科学家设计并建立自己的HIL系统。
硬件在环HIL仿真技术可以使用NI PXI实时控制器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，配合NI FPGA模块可适应更高动态特性及更高精度的模型应用需求。
NI硬件在环测试平台具有开放的软硬件技术架构，可以减少工程师的开发时间、成本和风险。
在支持第三方硬件和软件建模工具的同时，NI还提供一系列高性能模拟和数字I/O设备，CAN、LIN和FlexRay总线接口，故障注入硬件等硬件，让客户可以高效实现应用。
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清洁能源汽车整车控制器硬件设计及模拟负载硬件在环仿真系统张 戟l ，孙泽昌l ，金 明l ，高 峰2（l.同济大学汽车学院，上海20l804；2.新代车辆技术有限公司，上海200050）Hardware Design of Ciean Energy Vehicie Management System Controiier and HIL System of Artificiai LoadZHANG Ji l ，SUN Zechang l ，JIN Ming l ，GAO Feng 2（l.Schooi of Automotive Studies ，Tongji University ，Shanghai 20l804，China ；2.Daimier Chrysier SIM TechnoiogyCo.，Ltd.，Shanghai 200050，China ）摘要：介绍了基于32位MPC555处理器的清洁能源汽车的整车控制器（VMS ）的V 模式开发流程，原型样机硬件系统的详细设计，并利用dSPACE 的实时仿真器搭建在回路仿真系统平台，还对两者之间的硬件接口电路和模拟负载箱设计。
关键词：清洁能源汽车；快速原型；整车控制器；硬件在回路；模拟负载中图分类号：TP39l.9文献标识码：B 文章编号：l00l2257（2007）04003503收稿日期：20060928Abstract ：A brief introduction to the V deveiop mode of vehicie management system controiier of ciean energy vehicie ，design of hardware system of prototype ，and interface to hardware in ioop simuiation piatform ，which is buiid by artificiai ioad and dSPACE simuia-tor.Key words ：ciean energy vehicie ；RCP ；VMS ；HIL ；artificiai ioad0 引言清洁能源汽车采用大量的嵌入式微控制器（ECU ）实现对各功能模块的控制，其中整车控制器制作为系统级的控制器，在各部件控制器的配合下完成包括能量管理、故障诊断、驾驶员接口及水冷系统在内的控制功能，对ECU 提出了更高的要求。
Freescaie 公司推出的具有64位浮点运算PowerPC内核的32位RISC 构架的MPC555系列ECU ，以其强大的功能、高可靠性及丰富的开发软件包，近年来被各大整车及零部件制造商广泛地运用到发动机及动力传输控制中，足以满足清洁能源汽车整车控制器对ECU 的需求。
l 整车控制器的开发流程VMS 控制器采用基于模型的设计流程来完成从需求定义到最终产品的全过程，这一过程分为5个阶段：功能设计图形化建模与离线仿真，快速原型开发（RCP ），产品代码生成，硬件在回路仿真（HIL ）和标定。
也被称为“V 模式”开发流程。
本项目使用dSPACE 这套覆盖整个V 模式开发流程的工具链辅助完成VMS 控制器的设计。
在动力总成需求分析的基础上，利用Simuiink 软件搭建图形化的模型、设计控制算法进行离线仿真，初步验证控制算法。
之后，需要将算法在实时硬件上运行并与真实被控对象连接，检验控制算法在实时条件下的运行结果。
同时，开始基于MPC555微处理器的硬件平台的原型开发。
经过实时验算后的算法，可直接从Simuiink 框图模型生成产品级C 代码，它特别针对Freescaie 的MPC5XX 系列ECU 提供了代码优化模块包，可以有效地提高所生成代码的效率。
将所生成的代码和同时开发完成的控制器硬件原型结合，即完成了控制器产品原型。
对产品原型的测试，采用传统方法，需要和真实被控对象结合，费用高且测试周期长，同时也难以完成极限状态下的测试。
在V 模式中，通过在实时硬件系统中运行被控对象模型，利用硬件在回路仿真技术对控制器产品・53・《机械与电子》2007（4）原型进行测试，可以克服上述困难。
最后通过标定实现控制器与系统所有可能的工况匹配［l-2］。
2 整车控制器硬件系统设计在系统功能分解的基础上，将VMS硬件分多个功能模块来实现：电源管理模块；32位高性能单片机系统MPC555；片外SRAM模块；硬件看门狗及EEPROM模块；CAN通讯模块；开关量输入信号调理电路；模拟量输入信号调理电路；脉冲量输入信号调理电路；开关量/PWM输出信号驱动电路；电子节气门力矩电机H桥式驱动电路［3］。
3 整车控制器模拟负载设计!."#硬件系统3.l.l 信号发生a.车速信号模拟发生电路。
车速信号为40Hz ~3.5kHz的可变频率脉冲信号，采用专用V/F芯片AD654产生，其输入端的电压信号可由前面板的电位器产生，也可由GSPACE的外围的硬件在环模块板DS22ll产生，输入电压的范围在0~5V间可调。
电路原理如图l所示［4］。
图l 车速信号模拟发生电路b.0~5V模拟信号发生电路。
利用电位器或GSPACE模拟6路0~5V可调电压，分别用来模拟：加速踏板PEDALl、加速踏板PEDAL2、制动踏板BRAKE PEDAL、节气门开度信号THROTTLE Pl、节气门位置信号THROTTLE P2和空气压力信号A R PRESSURE。
c.0.8~l.2V温度传感器模拟信号。
模拟负载箱内的信号发生板上，设有电压分配电路，调节负载箱面板上电位器可产生0.8~l.2V电压，也可通过转换开关，由DS22ll的资源配置口A/D产生。
d.开关信号具有2种形式，一种是l2V开关量，分别用来模拟：MODEl，MODE2，MODE3，CLUTCH，KEYl，KEY2，KEY3，H2STA；另一种是6.8V开关量，分别用来模拟：档位开关D，R，P，N。
为了能与DS22ll的/O口兼容，输入形式都是5V 输入，在信号发生板上具有电平转换电路，分别转换成相应的电平传送给VMS。
图2为l2V与5V电平转换电路原理示意。
图2 l2V与5V电平转换电路原理e.水箱液压传感器模拟。
实际水箱液压传感器的输出为4~20mA的标准电流信号，在信号发生板上，采用电压/电流转换芯片AD694来模拟产生相应的电流信号，当调节负载箱面板或DS22ll的D/A输出在0~5V时，可产生相应的电流信号。
在VMS原理设计上，其输入端口有一个采样电阻，当将电流信号连接到VMS时，可在其上产生一定的压降，从而能通过A/D口采样到实际的电流值。
为了便于检测反馈值，同时也将此值通过DS22ll反馈给GSPACE。
其原理设计如图3所示。
图3 电压/电流转换电路3.l.2 模拟负载及信号反馈［4］模拟负载根据负载特性共有3种形式：电阻+电感、电阻和继电器。
每个负载输出都有相应的反馈，其中，节气门电机的反馈是以电流的形式显示在面板上，其原理如图4所示。
2个冷却风扇和2个保留的PWM模拟负载的输出是以电磁铁吸合的动作提示负载工作状态，其・63・《机械与电子》2007（4）图4 节气门电机反馈电路余负载状态反馈采用LED显示。
此模拟负载箱有2个工作模式：负载试验工作模式和硬件在环仿真模式（HIL）。
当负载箱处于HIL模式时，所有与面板有关的输入信号将会屏蔽，而转由DS22ll进行调节。
有26路信号参与转换。
!."#软件系统整个测试软件共有5个主要的工作包，分别为节气门电机测试、水冷却功能测试、开关量测试、模拟量测试及通讯能力测试。
因为仅仅是测试各组件功能，所以采用单一流程进行。
3.2.l 节气门电机测试软件设计根据输入信号：加速踏板l信号、加速踏板2信号、制动踏板信号、转速传感器l脉冲信号、转速传感器2脉冲信号、节气门开度信号、节气门位置信号来分别判断节气门力矩电机输出信号。
节气门电机的载波频率采用为l0kHz。
3.2.2 水冷却功能测试软件设计根据输入信号：温度传感器l、温度传感器2、水箱液压传感器以及相应的执行机构反馈信号来控制冷却风扇0、冷却风扇l的转速。
风扇的载波频率为l00Hz。
3.2.3 开关量测试软件设计开关量测试借用VMS接口相关或无关的一些数字量输入信号来控制开关状态，开关量输出包括：高端开关l/2/3/4、低端开关l/2/3/4、EC继电器l/ 2/3、DCL使能信号、倒车灯继电器、自保继电器、辅助继电器。
数字量输入信号包括：模式/档位开关信号l/2/3、档位开关D/N/R/P、氢气状态、离合器信号、钥匙信号l/2/3。
频率量信号转速传感器3、转速传感器4分别控制PWM输出保留l、PWM输出保留2。
PWM输出频率的范围为为0~350Hz，对应转速传感器的0~3.5kHz。
4 模拟负载硬件在环方案建立模拟负载箱硬件在环试验平台，其目的是监测VMS端口状态、输入/输出信号调理电路功能验证、功率输出反馈及进行一系列带载/老化试验，以此判断VMS硬件性能。
在环方案如图5所示。
图5 硬件在环方案框图利用GSPACE Simulator MiG Size（DS22ll）设置在环测试界面、模拟输入信号及相关传感器信号、读取并显示输出反馈状态［4-5］。
根据硬件在环模块DS22ll的端口定义，模拟外围信号及外围传感器的输出，按D/A转换输出、数字量输出及PWM频率量输出列表中的要求，结合Matlab/Simuliik建立输出模型，输出范围按照对应的备注一栏设置。
负载反馈量的模型根据数字量反馈输入信号、PWM反馈值测量和A/D反馈量输入建立状态模型。
根据通讯端口建立通讯模型。
模拟量输出采用滑块或表盘产生，数字量输出采用按钮或其它数字量输出显示模块，状态反馈量采用指示灯及仪表进行显示。
操作界面简单、清晰。
5 结束语采用V模式设计流程，模块化设计方法，搭建了完整的控制器原型样机硬件平台、控制对象的在回路仿真系统、模拟负载箱及它们间的接口，便于通过实时硬件系统中运行被控对象的模型对控制器产品原型进行测试，大大缩短测试周期和费用，也为EMC试验及台架试验做好了前期准备。
参考文献：［l］MPC555/MPC556user’s maiual［Z］.MOTOROLA，2000.［2］谭文春.电控柴油机高压共轨系统32位控制器的研究［D］.上海：上海交通大学，2005.［3］贺建波，等.汽车传感器的检测［M］.北京：机械工业出版社，2005.［4］冯崇毅.汽车电子控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.［5］潘凯，等.基于MPC555的混合动力电动汽车整车控制器硬件系统设计［J］.汽车工程，2005，（l）：20-23.作者简介：张戟（l967-），男，江苏无锡人，副教授，研究方向为汽车电子、电磁兼容性和嵌入式硬件技术。