燃料電池汽車整車控制器硬體在環實時仿真測試平臺

2021-01-09 電子產品世界

隨著汽車工業的發展和進步，人們對汽車的動力性、經濟性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統的機械式控制系統已經遠遠不能滿足這些需要。電子化控制系統以其高精度、高速度、控制靈活、穩定可靠等特點逐漸取代了機械式控制系統，是汽車控制系統的發展趨勢。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/196815.htm

由於對控制性能的要求越來越嚴格，使得汽車電子控制系統對控制器的要求越來越高。控制器的開發與設計一般都要經過如圖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計，詳細確定控制器將要實現的功能；然後生成目標程序代碼；最後是控制器的底層軟、硬體實現。

從控制器實現到實車測試的過程中還需要進行硬體在環實時仿真測試。這是因為在整車控制器的開發過程中，利用整車控制器硬體在仿真測試平臺構建虛擬的整車現場環境。對控制器進行硬體在環仿真測試，不但可以大大加快整車控制器軟、硬體的開發過程，而且開發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的特殊行駛狀態和危險狀態，從而對整車控制器進行全面的測試。控制器硬體在環仿真測試中，系統用數學模型來代替，控制器使用實物，系統模型和控制器之間的接口要與實際保持一致，在仿真調試完畢後，達到控制器和系統之間的「垂直安裝」或「垂直集成」。控制器在完成硬體在環仿真之後，就可以進入系統集成和測試環節，最後實現初期設計的各項功能和指標。

本文基於Matlab/Simulink RTW 和XPC Real-time Target實時仿真平臺，配合PCI數據採集卡底層軟體的開發和信號調理裝置硬體設計，系統地實現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體電氣特性、底層軟體平臺和控制算法等進行測試。

硬體在環實時仿真測試平臺方案設計

硬體在環實時仿真平臺構建了虛擬的整車環境，並基於虛擬的人機互動司機模型，將人作為硬體在環的一個元素引入到實際的仿真測試中，具體結構如圖2所示。兩個基於工業控制計算機的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。虛擬整車平臺基於Matlab/Simulink xPC Target實時仿真環境，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。虛擬司機平臺基於Matlab/Simulink RTW Target實時仿真環境，作用是模擬真實燃料電池客車的操控機構，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環境。當兩個計算機虛擬平臺對實際環境進行模擬時，通過數據採集卡、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行處理，從而實現真實的複雜整車環境，直接與整車控制器連接進行仿真測試試驗。並配有基於CAN總線的實時監控裝置，可以全過程實時地監控仿真測試試驗。

硬體在環實時仿真測試平臺硬體設計

虛擬平臺硬體設計

虛擬平臺的硬體需要完成計算機模型產生的虛擬信號到真實信號的轉換，這些信號包括數字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發動機啟動開關信號屬於數位訊號，電機轉速信號屬於模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網絡進行傳送。

虛擬平臺的數位訊號和模擬信號通過PCI接口的數據採集卡實現與真實世界的交換。採用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟體驅動程序，可以直接用於實時仿真。對於部分不支持Matlab實時仿真環境的數據採集卡， 可以採用Matlab/Simulink環境下的S函數編寫，並在Matlab環境下調用動態連結庫。本文採用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡並不配套Matlab驅動程序，因此採用S函數進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入/輸出復用接口、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行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協議，能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。

信號調理器硬體設計

由於燃料電池客車上的信號比較複雜，數位訊號有24V、12V和5V等不同的驅動電平和驅動方式，模擬信號也有各種電壓範圍和驅動功率的不同需求。而從虛擬平臺經過數據採集卡輸出的信號比較單一，故經過信號調理器對信號進行調理後，才能夠完全再現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行仿真測試。

如圖2所示，虛擬平臺產生或接收的數字模擬信號通過PCI總線與數據採集卡相連。數據採集卡與可配置的信號調理器之間通過專用的數據線進行數據交換，經過可配置的信號調理器對信號進行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換後，輸出信號完全符合實際整車信號規範，並採用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現對整車控制器的無縫連接。通過調整可配置信號調理器的配置方式，可以實現各種車輛的不同信號規範。信號調理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯合工作，可以根據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。

硬體在環實時仿真測試平臺軟體設計

虛擬整車平臺軟體設計

虛擬整車平臺基於Matlab/Simulink平臺構建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發動機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動電機及車輛負載。系統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實時仿真環境上運行。整車仿真模型通過PCI數據採集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。

虛擬司機平臺軟體設計

虛擬司機平臺實現了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環境。除了駕駛加速信號由測試人員通過踏板輸入外，其餘整車啟停開關、燃料電池開關、電機轉速表、車速表、水溫報警等控制開關和儀表均由虛擬司機平臺實現。整個模型基於Matlab/Simulink RTW Target 實時仿真環境實現，並利用Matlab Gauges工具箱實現了整車儀表顯示和控制開關輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用於顯示監控數據的儀表開發工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發出虛擬車用儀表系統。虛擬司機仿真模型同樣通過PCI數據採集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。

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