張 遷，陳 華，鐘柳芳

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410013）

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是基于DSPACE（Digital Signal Processing and Control Engineering）實(shí)時(shí)半實(shí)物控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)［1］，通過該軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)和 MATLAB/Simulink/RTW（Real-Time Workshop）的無縫連接.建立混合動(dòng)力挖掘機(jī)硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)的重要意義在于，其控制策略的開發(fā)可以不依賴挖掘作業(yè)環(huán)境，在進(jìn)行挖掘作業(yè)之前，得到與挖掘作業(yè)環(huán)境非常接近的測(cè)試和驗(yàn)證.

1 混合動(dòng)力挖掘機(jī)硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)

混合動(dòng)力挖掘機(jī)作業(yè)、行走系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu).發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵和輔助電機(jī)同軸聯(lián)接，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，輸出負(fù)載所需平均功率，輔助電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，平衡負(fù)載功率的波動(dòng).回轉(zhuǎn)動(dòng)作采用電驅(qū)動(dòng)方式，通過回轉(zhuǎn)電機(jī)控制回轉(zhuǎn)動(dòng)作.

混合動(dòng)力挖掘機(jī)硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)中（見圖1），通過Simulink軟件平臺(tái)建立整車控制器輸入輸出、CAN總線通信系統(tǒng)、電控發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、超級(jí)電容的仿真模型.將模型按照設(shè)計(jì)邏輯在DSPACE仿真計(jì)算機(jī)中整合成完整的測(cè)試系統(tǒng)，DSPACE將控制信號(hào)輸出至信號(hào)適配系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成主機(jī)控制器TTC200的輸入/輸出及通訊端口可識(shí)別的信號(hào)，以此搭建DSPACE仿真測(cè)試系統(tǒng)［2］，從而測(cè)試TTC200控制器IO模塊、CAN通信系統(tǒng)、控制邏輯的正確性及控制器控制性能.

圖1 硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Hardware-in-the-loop simulation testing system

1.1 控制器輸入輸出建模

在MATLAB環(huán)境下安裝與硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)處理芯片相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后，將在Simulink模塊下自動(dòng)添加與控制器輸入輸出相對(duì)應(yīng)的模塊庫，如DS2202，通過配置模塊參數(shù)可建立控制器輸入輸出模型.

控制器輸入分為數(shù)字量輸入、模擬量輸入和PWM輸入，控制器輸出也分為數(shù)字量輸出、模擬量輸出和PWM輸出.在建立控制器輸入模型時(shí)，根據(jù)傳感器特性配置模塊參數(shù)，與DSPACE硬件系統(tǒng)輸出端口對(duì)應(yīng)，即完成控制器輸入模型，數(shù)字量輸入建模如圖2所示.

圖2 數(shù)字量輸入建模Fig.2 Digital input modeling

對(duì)于控制器輸入較復(fù)雜的情況，可將控制器連接實(shí)際的傳感器輸入信號(hào)，即可觀察其輸入特性.

建立控制器輸出模型方法與之類似，PWM輸出建模如圖3所示.

圖3 PWM輸出建模Fig.3 PWM output modeling

對(duì)于控制器輸出不易建模的情況，可將控制器連接真實(shí)負(fù)載，觀察負(fù)載響應(yīng)特性，例如PWM控制比例電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

1.2 控制器CAN通信系統(tǒng)建模

模塊庫中含有CAN通信模塊，根據(jù)制定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容、發(fā)動(dòng)機(jī)、控制器CAN通信協(xié)議，建立控制器CAN通信系統(tǒng)模型.在Simulink平臺(tái)上使用相應(yīng)的CAN通信模塊，設(shè)置CAN通信端口、通信速率、ID樣式（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）完成CAN通信參數(shù)配置.根據(jù)通信協(xié)議將控制器需接收的信號(hào)添加到接收模塊中進(jìn)行接收并將信號(hào)進(jìn)行解析，將控制器需發(fā)送的信號(hào)添加到發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送，完成控制器CAN通信系統(tǒng)的建模.

1.3 聯(lián)合建模

發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助電機(jī)系統(tǒng)、超級(jí)電容、回轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)和負(fù)載是混合動(dòng)力挖掘機(jī)的重要組成部分，其整體建?？驁D如圖4所示.

1.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)建模

以發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，即確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與油門開度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系.

假定發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度為100%，此時(shí)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，其特性曲線如圖5所示.

分別測(cè)得油門開度為10%，20%，30%，…，90%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，利用插值查表的方法得到不同油門開度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，從而建立起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型.

1.3.2 輔助電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)建模

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性Fig.5 Engine output characteristic

輔助電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接，其主要作用是作為輔助動(dòng)力源與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載，起到削峰填谷的作用，均衡負(fù)載的劇烈變化.在對(duì)輔助電機(jī)進(jìn)行建模時(shí)，將輔助電機(jī)及其控制器看作一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元，只考慮其能量效率和動(dòng)力學(xué)特性.

輔助電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，當(dāng)負(fù)載需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率時(shí)，輔助電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載；當(dāng)負(fù)載需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率時(shí)，輔助電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能單元中.

根據(jù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)前后泵壓力和流量可計(jì)算得到負(fù)載需求功率PL，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nE和轉(zhuǎn)矩TE可計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率PE.輔助電機(jī)采取轉(zhuǎn)矩控制方式，依據(jù)負(fù)載需求功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，結(jié)合輔助電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)效率和發(fā)電效率，從而可計(jì)算得到輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩TA、輸出功率PA和工作模式，建立起輔助電機(jī)系統(tǒng)模型.

若輔助電機(jī)工作于電動(dòng)模式，即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，考慮到輔助電機(jī)的電動(dòng)效率ηm，則輔助電機(jī)輸出功率PA為

若輔助電機(jī)工作于發(fā)電模式，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，考慮到輔助電機(jī)的發(fā)電效率ηg，則輔助電機(jī)輸出功率PA為

輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩TA為

式中：TA為輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；PA為輔助電機(jī)輸出功率，kW；nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r·mim－1.

根據(jù)輔助電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知輔助電機(jī)電動(dòng)效率和發(fā)電效率，如圖6和圖7所示.

圖6 輔助電機(jī)電動(dòng)功率Fig.6 Assistant motor motoring power

1.3.3 超級(jí)電容建模

當(dāng)輔助電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容放電給輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載；當(dāng)輔助電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容將多余的能量進(jìn)行存儲(chǔ).超級(jí)電容建模主要是建立充放電能量QC與超級(jí)電容工作電壓UC、工作電流IC和荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）之間的關(guān)系.

超級(jí)電容充放電能量由輔助電機(jī)輸出功率決定，即QC＝PA.式中：C為超級(jí)電容容量.從而可得到充放電能量與超級(jí)電容工作電壓UC和工作電流IC之間的關(guān)系.

超級(jí)電容在工作狀態(tài)中應(yīng)考慮工作壽命，故應(yīng)使其工作在合理的電壓范圍內(nèi)［Umin，Umax］，SOC能反映超級(jí)電容儲(chǔ)存電量的多少，即充放電的程度，其定義如下：

圖7 輔助電機(jī)發(fā)電功率Fig.7 Assistant motor generating power

1.3.4 回轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)建模

回轉(zhuǎn)動(dòng)作采用電驅(qū)動(dòng)方式，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容放電驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)；回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，回轉(zhuǎn)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)將能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容中.

回轉(zhuǎn)電機(jī)的動(dòng)作受控于液壓手柄操作的先導(dǎo)壓力，根據(jù)先導(dǎo)壓力大小換算成回轉(zhuǎn)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置有擋位區(qū)別的最高轉(zhuǎn)速，符合傳統(tǒng)挖掘機(jī)的操控特性.

為了獲取低速區(qū)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、高速區(qū)減速迅速的回轉(zhuǎn)效果，利用三次冪的拋物線擬合回轉(zhuǎn)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速（Control＿speed）與先導(dǎo)壓力（P＿pilot）的換算關(guān)系：Control＿speed＝A＊（P＿pilot＾3）＋B＊（P＿pilot＾2）＋C.

然而在做轉(zhuǎn)速控制的同時(shí)，若以恒定的轉(zhuǎn)速變化率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可能導(dǎo)致低速狀態(tài)下扭矩變化太大導(dǎo)致沖擊感強(qiáng)烈，或者在高速狀態(tài)下扭矩變化太小而不能及時(shí)響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速.因此，須根據(jù)實(shí)時(shí)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速（State＿speed）計(jì)算轉(zhuǎn)速變化率，即轉(zhuǎn) 速 增 益 （Speed＿gain）：Speed＿gain＝abs（Control＿speed-State＿speed）/A.

當(dāng)先導(dǎo)壓力陡降至截止壓力以下時(shí)，需要發(fā)揮電機(jī)最大力矩進(jìn)行發(fā)電制動(dòng)回收能量，為了實(shí)現(xiàn)在減速至低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)減緩沖擊，轉(zhuǎn)速增益與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速以對(duì)數(shù)曲線擬合，使得增益隨著轉(zhuǎn)速的下降迅速減?。篠peed＿gain＝A＊（log10（abs（State＿speed）））.

由DSPACE模擬回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間間隔與實(shí)時(shí)計(jì)算的轉(zhuǎn)速增益成反比，比例系數(shù)由電機(jī)特性決定.圖8為回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型，圖中U為變量，z為延遲一個(gè)掃描周期，U/z為上一個(gè)掃描周期的數(shù)值.

圖8 回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型Fig.8 Rotate motor speed responding model

2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)測(cè)試

混合動(dòng)力控制器采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、輔助電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的控制策略，其編程平臺(tái)為MATLAB/Simulink編程環(huán)境，將設(shè)計(jì)好的控制策略在編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，通過編譯軟件將其轉(zhuǎn)化為適用于控制器的可執(zhí)行性文件，并將其下載到控制器中運(yùn)行.

將控制器IO、控制系統(tǒng)關(guān)注參數(shù)添加到硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)界面平臺(tái)ControlDesk中，通過配置輸入輸出測(cè)試控制器IO，通過加載負(fù)載檢測(cè)控制器邏輯、控制性能好壞及CAN通信是否正常.

使挖掘機(jī)工作在重載模式，測(cè)得液壓系統(tǒng)前后泵壓力變化情況，作為負(fù)載加載到仿真系統(tǒng)中，觀察系統(tǒng)響應(yīng)情況.

液壓系統(tǒng)前后泵壓力變化情況如圖9所示.

圖9 液壓系統(tǒng)前后泵壓力曲線圖Fig.9 Front and behind pump pressure of hydraulic system

在重載模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖10所示.

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖Fig.10 Engine speed

超級(jí)電容SOC仿真結(jié)果如圖11所示.

圖11 超級(jí)電容SOC變化曲線圖Fig.11 SOC of super capacitor

從圖9—11中可以看出，挖掘機(jī)在重載模式下進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，前后泵壓力變化劇烈，但在混合動(dòng)力控制系統(tǒng)的控制作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍能維持在小范圍內(nèi)波動(dòng)，能基本保持穩(wěn)定，電容SOC能很好地保持充放電狀態(tài)的平衡.仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制器控制邏輯的正確性及其較好的控制性能，從而縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用.

［1］李宏才，王偉達(dá)，韓立金，等.混聯(lián)式混合動(dòng)力控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.公路交通科技，2011，28（4）：130－135.

LI Hongcai，WANG Weida，HAN Lijin，et al.Design and application of HIL simulation platform for parallel-series hybrid power control system［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（4）：130－135.

［2］北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司.硬件在環(huán)（HIL）仿真測(cè)試設(shè)備［R］.北京：北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，2010.

Beijing Hirain Technology Co Ltd.Hardware-in-the-loop（HIL）simulation testing device［R］.Beijing：Hirain Technology Co Ltd，2010.