劉建國　俞力　李?！〕虠澚骸《判》迹?.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢0070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢0070；.東風(fēng)雷諾汽車有限公司技術(shù)中心，武漢0056；.武漢東環(huán)車身系統(tǒng)有限公司，武漢0056）

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基于dSPACE的汽車電動(dòng)玻璃升降器防夾控制的半實(shí)物仿真與驗(yàn)證*

劉建國1，2俞力1，2李希3程棟梁4杜小芳1，2
（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070；3.東風(fēng)雷諾汽車有限公司技術(shù)中心，武漢430056；4.武漢東環(huán)車身系統(tǒng)有限公司，武漢430056）

【摘要】提出了針對(duì)電動(dòng)玻璃升降器雙霍爾傳感器與直流電機(jī)電流檢測(cè)（DHSCD）防夾控制算法的“V字形”開發(fā)流程；利用Simulink建立系統(tǒng)模型對(duì)防夾控制算法與電動(dòng)玻璃升降器的功能性和可靠性進(jìn)行離線仿真驗(yàn)證；在通用快速控制原型仿真方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)DHSCD防夾控制算法設(shè)計(jì)了特有的仿真方案；完成了目標(biāo)控制器的自動(dòng)代碼生成；提出了適用于電動(dòng)玻璃升降器DHSCD防夾控制算法的硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證平臺(tái)。離線仿真和半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真結(jié)果表明，基于dSPACE開發(fā)的電動(dòng)玻璃升降器防夾控制算法具有良好的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。

1　概述

傳統(tǒng)的汽車電子控制器開發(fā)通常采用原型化方法，即根據(jù)性能要求進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和代碼編寫，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行一次或多次開發(fā)設(shè)計(jì)，直至測(cè)試達(dá)到要求。隨著汽車電子化程度的提高［1］，電子產(chǎn)品的控制代碼呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì)，使得傳統(tǒng)開發(fā)模式的缺陷日益明顯，手工編程面臨著產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、可靠性難以保證等諸多問題，已很難適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品研發(fā)的要求［2］。本文采用數(shù)字信號(hào)處理與控制工程（digital Signal Processing And Control Engineering，dSPACE）仿真系統(tǒng)，結(jié)合自行開發(fā)的功能模塊，建立了一種快速開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建控制算法模型，通過RTI/RTW實(shí)現(xiàn)軟硬件連接，完成代碼的自動(dòng)生成及下載，并利用ControlDesk進(jìn)行系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)調(diào)試。利用該平臺(tái)可快速實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)玻璃升降器防夾控制算法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，開發(fā)過程簡(jiǎn)便快捷，縮短了開發(fā)周期，并可模擬極端狀況，提高了可靠性。

2　汽車電動(dòng)玻璃升降器防夾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求

玻璃升降器防夾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足防夾功能的要求［3］以及一般玻璃升降器控制系統(tǒng)的基本要求［4，5］：

a.駕駛員或乘客按下開關(guān)按鈕后0.2 s內(nèi)，車窗玻璃應(yīng)開始上升或下降；駕駛員或乘客松開開關(guān)按鈕后0.15 s內(nèi)，車窗玻璃應(yīng)停止繼續(xù)上升或下降。

b.駕駛員或乘客對(duì)開關(guān)按鈕的操作時(shí)間在0.2～1 s范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車窗玻璃的全開或全閉操作直至遇到障礙物或再一次的開關(guān)操作，即控制系統(tǒng)的“點(diǎn)動(dòng)”模式。若操作時(shí)間大于1 s，控制系統(tǒng)進(jìn)入“連動(dòng)”模式，直至松開開關(guān)按鈕。

c.控制系統(tǒng)檢測(cè)到車窗玻璃即將到達(dá)車窗的上邊緣或下邊緣時(shí)，應(yīng)立即停止玻璃的運(yùn)動(dòng)；車窗玻璃到達(dá)上邊緣或下邊緣之后，控制系統(tǒng)應(yīng)控制玻璃反方向運(yùn)動(dòng)70 ms，釋放玻璃的壓力。

d.車窗玻璃連續(xù)上升或下降時(shí)間超過5 s后，控制系統(tǒng)應(yīng)關(guān)閉操作。

e.在一段時(shí)間內(nèi)，如果駕駛員或乘客同時(shí)對(duì)車窗玻璃進(jìn)行不同模式的操作，駕駛員對(duì)玻璃的操作優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于乘客。

f.定義障礙物為阻礙車窗玻璃向上運(yùn)動(dòng)的大小為100 N的力（防夾力）。

g.如果車窗玻璃在上升過程中遇到障礙物，玻璃應(yīng)自動(dòng)向反方向回退100 mm的距離；如果在自動(dòng)回退過程中玻璃到達(dá)車窗下邊緣，控制系統(tǒng)停止回退操作。

3　開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

dSPACE平臺(tái)主要用于對(duì)Matlab/Simulink建模仿真平臺(tái)建立的控制器模型進(jìn)行硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證，可解決在控制器測(cè)試過程中無法模擬控制對(duì)象所處的惡劣條件（極寒與極熱）和可能出現(xiàn)的故障等問題，在縮短測(cè)試周期、節(jié)約測(cè)試成本、降低測(cè)試難度的同時(shí)提高了測(cè)試效率［6］。該平臺(tái)主要由軟件工具和硬件工具組成。

硬件工具包括控制器板、處理器板、I/O接口板、電源、電機(jī)、按鍵開關(guān)、霍爾傳感器以及針對(duì)車輛快速控制原型仿真測(cè)試的AutoBox等，其中的各類電路板都集成強(qiáng)大高速的計(jì)算功能，能為各種型號(hào)的控制器提供有效的硬件控制原型［7］。

軟件工具主要包括離線仿真測(cè)試與實(shí)時(shí)仿真測(cè)試的實(shí)時(shí)接口、實(shí)時(shí)測(cè)試控制臺(tái)ControlDesk和自動(dòng)產(chǎn)品級(jí)代碼生成工具TargetLink。

dSPACE系統(tǒng)的軟件主要分為實(shí)現(xiàn)軟件和測(cè)試軟件2類［8］。實(shí)現(xiàn)軟件是利用實(shí)時(shí)接口作為連接dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與Matlab/Simulink的紐帶，通過實(shí)時(shí)工作窗口擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的自動(dòng)生成和下載［9］。測(cè)試軟件ControlDesk實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的綜合管理，包括對(duì)實(shí)時(shí)硬件的圖形化管理，建立用戶虛擬儀表，實(shí)現(xiàn)變量、參數(shù)的可視化管理，使試驗(yàn)過程自動(dòng)化；MLIB/MTRACE可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整，可在不中斷試驗(yàn)的情況下從Matlab直接訪問dSPACE板上運(yùn)行的應(yīng)用程序中的變量而不需要變量的地址［10］。

本文針對(duì)電動(dòng)玻璃升降器雙霍爾傳感器與直流電機(jī)電流檢測(cè)（Double Hall Sensor and the Current Detection，DHSCD）防夾控制算法快速控制原型仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1　DHSCD防夾控制算法快速控制原型仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

4　半實(shí)物仿真與驗(yàn)證

針對(duì)電動(dòng)玻璃升降器DHSCD防夾控制算法采用“V字形”開發(fā)流程，如圖2所示［11］。在開發(fā)的初期，利用Simulink可視化的建模方式直觀清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)者的控制算法思想，建模完成后在Simulink軟件平臺(tái)下對(duì)防夾控制算法與電動(dòng)玻璃升降器的功能性和可靠性進(jìn)行離線仿真驗(yàn)證；隨后，利用dSPACE軟硬件實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行快速控制原型的仿真測(cè)試，在真實(shí)的電動(dòng)玻璃升降器中驗(yàn)證防夾控制算法的可靠性；再運(yùn)用dSPACE平臺(tái)的TargetLink工具將防夾控制算法模型編譯為ECU產(chǎn)品可執(zhí)行的C語言代碼；將代碼載入真實(shí)的ECU產(chǎn)品控制器對(duì)dSPACE模擬的電動(dòng)玻璃升降器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證；最后進(jìn)行控制器的裝車標(biāo)定試驗(yàn)。

圖2　DHSCD防夾控制算法基于模型的“V字形”開發(fā)流程

在Simulink環(huán)境下完成對(duì)DHSCD防夾控制算法進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和離線仿真驗(yàn)證之后，采用dSPACE平臺(tái)進(jìn)行快速控制原型仿真，主要是將dSPACE平臺(tái)的硬件工具AutoBox和控制板等作為控制器與實(shí)際的電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)相連，即在真實(shí)控制器開發(fā)的初期用電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)的實(shí)物來仿真和驗(yàn)證防夾控制算法，是一種半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真方案［6］。由于離線仿真中模擬的電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)仍是比較理想化的系統(tǒng)，對(duì)防夾控制算法的驗(yàn)證只能起到一定的參考作用，因此，快速控制原型仿真的目的就是在離線仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用實(shí)物驗(yàn)證防夾控制算法。

本文在通用的快速控制原型仿真方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)DHSCD防夾控制算法設(shè)計(jì)了一套特有的仿真方案，流程圖如圖3所示。

圖3　DHSCD防夾控制算法快速控制原型仿真流程

在本次開發(fā)中，半實(shí)物仿真步驟及結(jié)果為：

a.“V字形”開發(fā)流程離線仿真階段：在Matlab/ Stateflow中建立電動(dòng)玻璃升降器的離線仿真模型，本文通過雙霍爾傳感器產(chǎn)生2路脈沖信號(hào)。車窗玻璃的位置通過霍爾傳感器1的脈沖個(gè)數(shù)來判斷；車窗玻璃的受力由霍爾傳感器2的脈沖寬度和直流電機(jī)電流2個(gè)信號(hào)來判斷，以提高防夾檢測(cè)的準(zhǔn)確性；車窗玻璃的運(yùn)動(dòng)方向根據(jù)2個(gè)霍爾傳感器的相位差判斷。根據(jù)制定的防夾算法，在圖形化設(shè)計(jì)與開發(fā)工具Stateflow中進(jìn)行車窗玻璃防夾的模型建立，如圖4所示。

圖4　具有防夾控制模塊的玻璃升降器系統(tǒng)模型

b.在Matlab中進(jìn)行離線仿真，結(jié)果顯示，當(dāng)玻璃上升過程中遇到障礙物，夾緊力大于60 N時(shí)，防夾模塊起作用，這時(shí)玻璃開始向下移動(dòng)，如圖5所示。

圖5　Matlab離線仿真結(jié)果

c.保留Stateflow控制算法模型，以dSPACE的仿真測(cè)試實(shí)時(shí)接口RTI的I/O庫代替離線仿真驗(yàn)證完成后的Simulink電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)的開關(guān)、繼電器、直流電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)模型等，將DHSCD防夾控制算法模型與合適的dSPACE硬件I/O庫相連，并合理設(shè)置I/O端口和軟硬件的中斷優(yōu)先級(jí)?？刂扑惴ㄅc實(shí)物和AutoBox連接后的集成框圖如圖6所示，此集成框圖的連接方式與硬件配置的連接方式相對(duì)應(yīng)。

圖6　防夾控制算法模型與AutoBox集成仿真

d.“V字形”開發(fā)流程快速控制原型階段：利用Simulink/Stateflow的RTW工具進(jìn)行DHSCD防夾控制算法模型代碼的自動(dòng)生成，并通過實(shí)時(shí)接口RTI載入到dSPACE的硬件控制器板以及AutoBox，利用AutoBox中的原型硬件板控制實(shí)際的電動(dòng)玻璃升降器。在快速控制原型階段，dSPACE平臺(tái)的硬件工具AutoBox和控制板等作為控制器與實(shí)際的電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)相連，即在真實(shí)控制器開發(fā)的初期用電動(dòng)玻璃升降系統(tǒng)的實(shí)物來仿真和驗(yàn)證防夾控制算法。

e.通過裝有dSPACE實(shí)時(shí)測(cè)試控制臺(tái)ControlDesk的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制整個(gè)快速控制原型仿真過程，ControlDesk實(shí)時(shí)采集與調(diào)節(jié)仿真過程中的各種狀態(tài)量與參數(shù)，驗(yàn)證DHSCD防夾控制算法的功能性與可靠性。半實(shí)物仿真結(jié)果如圖7所示。由脈沖信號(hào)得到脈沖個(gè)數(shù)，從而獲得玻璃升降器的位置信息；兩路輸出脈沖信號(hào)具有恒定的相位差，用來判斷玻璃升降器的運(yùn)動(dòng)方向。整個(gè)系統(tǒng)前期完成了玻璃升降器的一些常規(guī)動(dòng)作，步進(jìn)上升、自動(dòng)下降等，在運(yùn)行至第19 s左右時(shí)，車窗玻璃的位置處于自動(dòng)上升階段的防夾區(qū)域，且系統(tǒng)外力突然急劇增大達(dá)到防夾力要求，系統(tǒng)開啟防夾功能，車窗下降100 mm后停止，車窗位置的仿真結(jié)果很好地反應(yīng)了此過程，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7　半實(shí)物仿真輸出信號(hào)

f.“V字形”開發(fā)流程自動(dòng)代碼生成階段：在DHSCD防夾控制算法快速控制原型仿真驗(yàn)證完成后，需要進(jìn)行目標(biāo)控制器的自動(dòng)代碼生成。電動(dòng)玻璃升降器控制系統(tǒng)的核心是DHSCD防夾控制算法，在目標(biāo)控制器的代碼生成時(shí)只需生成Simulink/Stateflow仿真模型部分的代碼，整個(gè)代碼生成過程通過dSPACE平臺(tái)下的TargetLink工具實(shí)現(xiàn)。與Simulink/Stateflow自帶的自動(dòng)代碼生成工具RTW不同，RTW只能生成滿足dSPACE控制原型高性能硬件板的C語言代碼，這些代碼還需經(jīng)過設(shè)計(jì)者手動(dòng)編程才能運(yùn)用在真實(shí)的控制器產(chǎn)品中，而TargetLink工具生成的是電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)真實(shí)控制器可執(zhí)行的代碼，無論是在代碼的可讀性、功能性還是可靠性方面RTW生成的代碼都無法與TargetLink生成的產(chǎn)品級(jí)控制器代碼媲美。

g.“V字形”開發(fā)流程硬件在環(huán)仿真階段：電動(dòng)玻璃升降器系統(tǒng)控制器開發(fā)完成后，還需要對(duì)它的功能進(jìn)行全面測(cè)試?；谟布诃h(huán)的仿真驗(yàn)證過程是一種半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，它利用真實(shí)的控制器來控制通過dSPACE平臺(tái)模擬的電動(dòng)玻璃升降器，不僅能在很大程度上模擬出真實(shí)試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的惡劣的運(yùn)行環(huán)境，而且能從模擬故障失效等多個(gè)方面對(duì)真實(shí)控制器進(jìn)行綜合測(cè)試，與真實(shí)的裝車測(cè)試試驗(yàn)相比，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及便捷性等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。本文提出的硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證平臺(tái)基于通用性的硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證過程，適用于電動(dòng)玻璃升降器DHSCD防夾控制算法，其總體配置包括真實(shí)的ECU控制器、dSPACE實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)dSPACE Simulator Mid-size、I/O接口模塊、帶有dSPACE控制臺(tái)ControlDesk的計(jì)算機(jī)、傳感器板DS2103以及執(zhí)行器板DS4003等6個(gè)組成部分。硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)與ECU控制原理分別如圖8和圖9所示。

圖8　防夾控制算法硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證平臺(tái)

h.基于模型的“V字形”開發(fā)流程的參數(shù)標(biāo)定階段。事實(shí)上，在整個(gè)控制器的開發(fā)流程中，從離線仿真到快速控制原型仿真，再到硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證，都在不斷進(jìn)行防夾控制器參數(shù)調(diào)試與標(biāo)定，這一過程可稱為“虛擬或半實(shí)物的標(biāo)定”。通過這一系列的“虛擬或半實(shí)物的標(biāo)定”，可最大程度地降低參數(shù)的錯(cuò)誤概率，為真實(shí)控制器的裝車標(biāo)定試驗(yàn)提供了有效的支持。

圖9　電動(dòng)玻璃升降器真實(shí)的ECU控制器原理

5　結(jié)束語

本文利用可視化的建模方式建立了針對(duì)電動(dòng)玻璃升降器DHSCD防夾控制算法的系統(tǒng)模型，并對(duì)該算法與電動(dòng)玻璃升降器的功能與可靠性進(jìn)行了離線仿真驗(yàn)證和快速控制原型（RCP）的仿真。目標(biāo)控制器自動(dòng)生成代碼后，利用真實(shí)的控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證（HILSV），最后進(jìn)行了控制器標(biāo)定試驗(yàn)。開發(fā)流程確保了DHSCD防夾控制算法的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與可靠性，在經(jīng)濟(jì)性、效率與操作性等方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

1劉杰，翁公羽，周宇博.基于模型的設(shè)計(jì)：MCU篇.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

2水清木華研究中心.2014-2017年中國汽車電動(dòng)玻璃升降器行業(yè)研究報(bào)告.北京：北京水清木華科技有限公司，2014.

3中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 11552-2009.乘用車內(nèi)部凸出物.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

4公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 7258-2012.機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

5馬偉澤，張申科，汪宏杰.采用霍爾傳感器的汽車電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì).汽車工程，2008，30（12）：1122～1124.

6蔣方毅.基于模型的柴油機(jī)硬件在環(huán)仿真與控制研究：［學(xué)位論文］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

7方瑛，田永.汽車電動(dòng)車窗防夾設(shè)計(jì)探究.汽車電器，2014 （8）：12～15.

8劉芳舒，孟永強(qiáng).純電動(dòng)轎車車窗防夾的H-/H∞魯棒故障診斷方法研究.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（11）：4232～4235.

9何虎.車窗防夾控制器的自匹配與自學(xué)習(xí)：［學(xué)位論文］.北京：清華大學(xué)，2013.

10Yusof M A，Prawoto Y.Automotive power window mech?anism failure initiated by overload.Engineering failure analysis，2013（31）：179～188.

11Jaikamal V.Model-based ECU development-An integrat?ed MiL-SiL-HiL Approach.Michigan.SAE Technical Pa?per No.2009-53-61，2009.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年2月20日。

主題詞：電動(dòng)玻璃升降器防夾控制算法仿真與驗(yàn)證dSPACE

Semi-physical Simulation and Verification of the Anti-Pinch Algorithm of Automotive Electric Window Lift Based on the dSPACE

Liu Jianguo1，2，Yu Li1，2，Li Xi3，Cheng Dongliang4，Du Xiaofang1，2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070；2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan 430070；3.Dongfeng Renault Automobile Company Ltd.，Wuhan 430056；4.Wuhan Donghuan Body System Co.，Ltd.，Wuhan 430056）

【Abstract】A specific“V-shaped”development process for the electric window lift DHSCD anti-pinch algorithm is proposed in this paper.The system model is established with Simulink，and the functionality and reliability of the electric window lift and anti-pinch algorithm are simulated and verified offline.A set of unique simulation scheme is designed for DHSCD anti-pinch algorithm based on general rapid control prototyping（RCP）simulation method.The automatic code generation of target controller is completed，and a set of specific hardware in the loop simulation verification（HILSV）platform is proposed，that is applicable to the electric window lift DHSCD anti-pinch algorithm.The results of the offline simulation and the semi-physical real-time simulation indicate that，the anti-pinch algorithm of electric window lift developed based on dSPACE features good reliability and can meet the requirements on environment adaptability.

Key words:Electric window lift，Anti-pinch algorithm，Simulation and verification，dSPACE

中圖分類號(hào)：U463.85+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0001-05

*基金項(xiàng)目：湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（對(duì)外科技合作類，2014BHE019）。