杜常清，徐懂懂

（武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

隨著能源的日益消耗與環(huán)境的逐漸惡化，發(fā)展新能源汽車成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的方向?；旌蟿恿ζ嚰瓤梢愿纳迫加徒?jīng)濟性，也可以降低排放，被認為是近期最有希望替代傳統(tǒng)汽車的方案。由于混合動力汽車是一個復雜的多能源綜合系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)開發(fā)過程中的建模與仿真后，還要通過試驗對系統(tǒng)進行匹配標定，并對控制策略進行驗證、優(yōu)化和評價，因此需要一個真實的試驗環(huán)境[1]。

隨著科技的進步，計算機在試驗臺測控系統(tǒng)上得到了廣泛的使用，然而采用傳統(tǒng)的A/D計算機、D/A組合進行試驗臺測控系統(tǒng)開發(fā)存在一定不足，主要體現(xiàn)在控制算法實現(xiàn)時需要考慮計算機底層的接口設計，控制算法參數(shù)選擇不當時還可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而需要停機重新修改參數(shù)或設計。文獻[2]開發(fā)的基于Matlab/xpc平臺的半實物仿真平臺成本低、系統(tǒng)構建方便，但不能實現(xiàn)在線調(diào)整控制參數(shù)，并受限于控制模塊的復雜度和硬件資源。文獻[3]利用Matlab開發(fā)的基于MPC555的半實物仿真平臺，需要引入實時系統(tǒng)，才能實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)的實時反饋，增加了開發(fā)成本。

為解決以上問題，本文開發(fā)了基于dSPACE系統(tǒng)平臺的混合動力汽車半實物仿真平臺，可以在Simulink的仿真環(huán)境里直接添加鏈接實際被控對象的I/O接口，無需考慮A/D、D/A接口的軟件程序設計；在dSPACE的試驗軟件中只需調(diào)節(jié)控制算法需要的參數(shù)就可以進行實時在線仿真試驗測試，在此基礎上進行實際控制策略與車輛模型的半實物實時仿真試驗，試驗結果比純仿真更接近實際，從而提高控制策略的可靠性，可大大縮短混合動力汽車控制策略的開發(fā)周期[4]。

圖1 試驗臺架原理Fig.1 Schematic diagram of test bench

圖2 試驗臺架實物Fig.2 Physical diagram of test bench

表1 EMT電機參數(shù)Tab.1 Parameters of EMT motor

1 硬件在環(huán)仿真試驗平臺設計

1.1 dSPACE實時仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺

德國dSPACE系統(tǒng)作為半實物仿真與控制器開發(fā)優(yōu)秀的軟硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)和Matlab/Simulink的無縫連接。使用該平臺用戶能將更多的精力集中在控制策略的設計優(yōu)化上，基于dSPACE進行快速原型設計開發(fā)的一般流程如下：

（1）使用如Matlab/Simulink/Stateflow等主流的設計、控制軟件建立圖形化控制模型并進行離線仿真；

（2）將離線仿真模型中的輸入?yún)⒘渴褂肁DC或者CAN通信等模塊代替，輸出模塊使用DAC或者CAN通信等模塊代替完成I/O配置；

（3）在Simulink環(huán)境下配置好模型參數(shù)利用自動代碼生成技術生成實時C代碼，并通過RTW生成能夠在dSPACE硬件上運行的文件；

（4）dSPACE提供了交互式控制軟件 Control Desk，利用該軟件用戶能快速建立虛擬儀器對試驗過程進行監(jiān)控，且可實現(xiàn)在線參數(shù)調(diào)控[5-8]。

1.2 混合動力試驗臺系統(tǒng)構成及原理

為了測試控制策略在真實系統(tǒng)中的控制效果，搭建了EMT試驗臺架，進行混合動力系統(tǒng)EMT臺架試驗，臺架主要由以下部分構成：①EMT、負載電機及其相應的控制器、高壓電池及BMS等高壓系統(tǒng)；②dSPACE控制系統(tǒng)；③油泵、電磁閥、各類傳感器及其低壓供電系統(tǒng)；④聯(lián)軸器、固定支架、冷卻回路等物理系統(tǒng)。EMT臺架測試系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

從成本和慣性負載兩方面考慮，在設計試驗臺架時使用了另外一臺電機作為負載（功能與測功機類似，稱為負載電機），測功機能夠在動力系統(tǒng)試驗中施加載荷并且可以對所測對象進行全面綜合的測試，但主流的測功機成本相對較高，許多用戶沒有條件接受；真實系統(tǒng)在換檔過程中車輛雖然中斷動力傳遞但繼續(xù)依靠慣性前行，速度基本保持不變，在試驗臺架中如果EMT輸出軸無法提供合適的轉動慣量，這將與實際車輛換檔過程存在較大差異。負載電機的存在為變速器輸出軸提供了合適的負載，并能夠模擬實際車速為換檔提供條件，且成本較主流測功機大幅度降低。

EMT電機與負載電機參數(shù)如表1、表2所示。

表2 負載電機參數(shù)Tab.2 Parameters of load motor

dSPACE使用DS1103平臺，系統(tǒng)主處理器采用PowerPC 750GX@1.0 GHz、DSP從處理器為 TI TMS320F、配備ISO 11898-2高速CAN總線，具有20路模擬輸入（4路并行AD、16路復用AD，采集范圍±10 V）、8 路獨立 DA（輸出范圍±10 V）、數(shù)字 IO（可獨立編程TTL通道，4通道8位數(shù)字I/O口，共32 Bit）、通訊接口（CAN 接口、串行接口，支持RS232、RS422收發(fā)器）等。

輪速傳感器安裝在EMT主減速器殼體處，在EMT換檔操縱機構處有4個電磁閥（選檔電磁閥1、2，換檔電磁閥1、2）和1個選檔傳感器以及1個換檔傳感器。

聯(lián)軸器是傳遞EMT電機和負載電機轉矩的機械部件，其在試驗過程中通常工作在高速轉動環(huán)境下，為了保證試驗人員與臺架系統(tǒng)的安全，避免聯(lián)軸器斷裂與甩出等危險，兩個電機需要保持嚴格對中。

完成控制模型離線仿真后，進行整車快速控制原型開發(fā)，實際輸入、輸出信號將由I/O接口與dSPACE系統(tǒng)進行關聯(lián)。EMT電機控制器、負載電機控制器、高壓電池BMS、dSPACE系統(tǒng)通過CAN總線組成一個CAN網(wǎng)絡，dSPACE讀取EMT電機、負載電機、高壓電池的信息并通過報文控制三個子系統(tǒng)；油壓傳感器、選檔傳感器、換檔傳感器、輪速傳感器均由ADC讀入其電信號，針對選檔傳感器、換檔傳感器、輪速傳感器存在數(shù)據(jù)波動較大的問題，在其信號讀入后對其進行平均值濾波處理，以增強信號的可用性；輸出信號包括油泵、選1電磁閥、選2電磁閥、換1電磁閥、換2電磁閥、EMT控制報文、負載電機控制報文等。

1.3 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

在保證臺架安全、穩(wěn)定運行的前提下，為了使得臺架自動化控制程度較高，以及具備高效、便捷的采集試驗數(shù)據(jù)能力，根據(jù)實際需求，本文從實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集以及故障診斷等方面出發(fā)，使用dSPACE平臺建立了臺架監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[9-11]。

基于dSPACE開發(fā)換檔快速控制原型時，主要采集換檔過程中EMT電機和負載電機轉速變換情況、當前的檔位位置，選（換）檔傳感器信號、在換檔過程中退檔、選檔、調(diào)速、進檔4個過程所占據(jù)的時間以及4個電磁閥的狀態(tài)。

Control Desk是dSPACE提供的集監(jiān)控、控制以及實時仿真于一體的交互式控制軟件，用戶只需要拖動其內(nèi)部配置好各種虛擬儀器、儀表，并與需要監(jiān)控或者控制的參量關聯(lián)即可進行顯示與實時控制，除了如數(shù)字顯示器、旋鈕、滑動條、多參數(shù)多維度曲線等基本儀表外，其針對汽車行業(yè)開發(fā)了專業(yè)的儀表導航，此外軟件還擁有強大的數(shù)據(jù)記錄與曲線回放等功能。進行快速控制原型試驗時所建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 快速控制原型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig 3 Rapid control prototype data acquisition system

測試過程中Control Desk軟件為用戶提供了實時仿真以及實時采集試驗數(shù)據(jù)兩種工作模式，兩者都能進行實時仿真與試驗過程的回放，區(qū)別在于后者能夠保存試驗數(shù)據(jù)并能導入到Office或者Matlab等外部環(huán)境中進行分析。

2 混合動力汽車建模

2.1 駕駛員模型

駕駛員模型是前向仿真中特有的，本文進行混合動力系統(tǒng)前向仿真時，駕駛員模型主要根據(jù)實際車速與目標車速的差值模擬駕駛者對汽車進行相應操作（加速或者制動），控制目標是使得實際車速與目標車速盡量接近。

駕駛員模型使用PI控制器，其難點在于參數(shù)整定（參照參數(shù)整定方法，結合整定后輸出效果，經(jīng)過反復調(diào)試得到PI參數(shù)）。所建立的駕駛員模型如圖4所示，輸入目標車速v與真實車速v_real，輸出踏板開度pedal，踏板開度限制輸出范圍在-100～100，0～100 表示加速踏板開度，-100～0 則表示制動踏板開度。

2.2 EMT模型

變速器通過改變傳動比實現(xiàn)汽車在不同環(huán)境下對牽引力的需求，此外還可實現(xiàn)系統(tǒng)倒車和中斷動力傳遞等功能，EMT將驅(qū)動電機集成到自動變速器內(nèi)，換檔時實現(xiàn)主動調(diào)速以提高換檔品質(zhì)。本文EMT系統(tǒng)設置有4個前進檔、一個倒檔，檔位通過齒輪組和離合器的組合實現(xiàn)動力傳遞路線的選擇，檔位確定時控制該檔位上的離合器結合傳遞轉矩，當所有離合器均未結合時系統(tǒng)處于空檔位置，所建立的EMT模型如圖5所示。

圖5 混合動力汽車EMT模型Fig.5 Driver model

2.3 其他模型

發(fā)動機模型和電機模型由試驗所得的轉矩-轉速-效率特性曲線通過查表得到。電池模型由試驗所得的充放電特性曲線得到。傳動系統(tǒng)模型根據(jù)輸入力矩和檔位信號，通過速比查表和效率查表，經(jīng)過計算后得到并輸出車輪轉矩。根據(jù)汽車動力學方程構建整車模型，從而計算車速。與儀表顯示模塊可描述模型的數(shù)據(jù)輸入、輸出通道，將模型輸出量及外部輸入量通過儀表盤等直觀地顯示在監(jiān)控界面上并進行儲存。

3 混合動力系統(tǒng)實時仿真試驗

本文采用的是基于確定規(guī)則的控制策略[12-15]，確定規(guī)則控制策略的思想是根據(jù)發(fā)動機和電機的特性，其優(yōu)點是控制策略思路清晰、算法簡單、計算量小，也是第一種應用在商品化混合動力汽車的控制策略。

進行換檔快速控制原型試驗時，在試驗正常、安全操作的要求下，對上電順序有嚴格的要求，遵守先低壓后高壓的上電原則：①將各類傳感器、油泵、電池低壓系統(tǒng)、負載電機控制器低壓部分、電池開關、dSPACE系統(tǒng)完成接線；②穩(wěn)壓電源給傳感器低壓上電、油泵上電、電池低壓系統(tǒng)上電，水泵開啟；③向高壓電池BMS發(fā)送高壓上電命令，負載電機控制器上電；④負載電機預充電（防止瞬間電流過大損壞器件）；⑤負載電機、EMT電機上高壓電，開始試驗。

在Control Desk軟件中將 Start軟開關置 1，EMT電機定轉矩運行，調(diào)節(jié)負載電機轉速，進行換檔試驗，選擇測量模式實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，選擇記錄模式系統(tǒng)完整保存試驗數(shù)據(jù)。

圖6、圖7分別表示了檔位從一檔升到二檔、二檔退到一檔以及從三檔退到二檔再退到一檔過程中負載電機和EMT電機轉速-時間變化曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著負載電機轉速逐漸升高，EMT電機轉速也相應增大，當轉速滿足換檔條件時，EMT轉速調(diào)整，檔位進行切換，圖中EMT電機轉速存在兩次迅速變化的時刻 （升檔時EMT電機轉速降低，降檔時轉速升高），該時間段即為換檔過程中EMT電機主動調(diào)速的階段。

圖6 一換二、二退一轉速變換曲線Fig.6 One to two and two to one speed conversion curve

圖7 三退二、二退一檔轉速變換曲線Fig.7 Speed change curve of three back and two back two files

換檔過程具體分為退空檔、選檔、調(diào)速與進檔等過程，每個過程的具體時間可以從電池閥的上電情況分析得到，圖8分析了從三檔退二檔時各個電磁閥的上電情況（圖中為了區(qū)別顯示各個電磁閥狀態(tài)，將電磁閥輸出的信號分別乘以1、1.5、2和2.5的比例系數(shù)以便分析）：執(zhí)行退空檔命令時換檔電磁閥1、2置位，從圖中可以看出退空檔時間大約在100 ms；確定退空檔完畢后即可進行選檔操作，選檔電磁閥1、2置位，選檔所用時間較短，大約在50 ms；選檔結束后EMT隨即進行主動調(diào)速操作，從三檔退到二檔時變速器輸入軸轉速需要升高，即圖7中EMT轉速變化曲線第一次迅速上升部分，待轉速差小于設定閾值，調(diào)速完成并立刻進行進檔操作，本次調(diào)速時間大約在150 ms左右；換檔電磁閥1置位，換檔電磁閥2復位，執(zhí)行進二檔操作，從圖中可以看出進檔時間約100 ms，三檔退二檔總時間在400 ms以內(nèi)。此外一、二檔，三、四檔之間切換時因為選檔過程在退空檔后隨即完成，即不存在選檔時間，換檔時間會進一步縮短到350 ms以內(nèi)。

圖8 換檔過程中電磁閥狀態(tài)Fig.8 Solenoid valve state during gear shifting

在進行EMT換檔試驗時，分析換檔的4個過程，多次試驗發(fā)現(xiàn)退檔、選檔、進檔時間相對穩(wěn)定，波動范圍不大，而主動調(diào)速過程時，不同檔位之間切換存在較大差異，升檔與降檔過程中也存在較大波動。表3顯示了多次試驗過程中調(diào)速過程所用的時間，從調(diào)速時間來看，升檔與降檔過程中調(diào)速時間相差較大，在減速升檔時調(diào)速時間較短，而在升速降檔時其調(diào)速時間遠遠超過其在升檔時所用時間。

表3 各檔位切換所用調(diào)速時間Tab.3 Timing speed for each gear shift

EMT電機控制器自帶的調(diào)速方法是控制器接收到調(diào)速指令后內(nèi)部進行轉矩輸出從而調(diào)整轉速到目標值，從表3的調(diào)速時間來看，調(diào)速時間并不是非常理想，特別是在降檔時時間相對較長。本文使用PI控制器，在電機有調(diào)速需求時，主動發(fā)送轉矩命令使得電機轉速達到目標轉速，所用PI控制器轉矩計算如式1所示：

式中：u（t）為輸出的轉矩命令值；e（t）為實際角速度與目標轉速下角速度的差值；kP、TI為比例與積分系數(shù)，同樣參照參數(shù)整定方法，本文選定的kP、TI參數(shù)分別為0.56與0.8，使用PI控制器再次進行換檔試驗，所得到的換檔過程中主動調(diào)速時間如表4所示。

表4 PI控制所用調(diào)速時間Tab.4 Timing of PI control

表5使用做差法對比了使用自建PI調(diào)速控制策略與原始控制策略在各個檔位切換過程中的調(diào)速時間，結果表明使用自建PI控制策略進行調(diào)速時在降檔過程中能夠明顯的縮短調(diào)速時間，而在升檔過程中則控制效果并不理想，調(diào)速時間反而增加，據(jù)此，在EMT最終的換檔控制策略中，采用了分段控制的方法，即在系統(tǒng)升檔時直接發(fā)送轉速命令來實現(xiàn)調(diào)速，而在降檔時則采用所建的PI控制器通過發(fā)送轉矩命令使得EMT轉速快速接近目標轉速，使用自建的降檔PI控制器對調(diào)速時間進行了優(yōu)化，從而使得系統(tǒng)在升、降檔過程中均能有較好的換檔效果。從換檔時間來看，所建的EMT換檔控制策略達到預期的控制目標，縮短了換檔過程導致的動力中斷時間，擁有較好的換檔品質(zhì)。

表5 PI控制與原始控制調(diào)速時間對比Tab.5 Comparison of timing between PI control and original control

4 結語

本文在傳統(tǒng)汽車實驗臺基礎上搭建混合動力半實物仿真平臺，利用dSPACE/Simulink作為開發(fā)調(diào)試平臺能方便快捷地構建混合動力汽車控制策略，并且將控制算法在實時硬件平臺上實現(xiàn)。基于dSPACE的混合動力汽車半實物仿真平臺能實現(xiàn)大部分混合動力汽車的實驗并具有良好的運行效果，提高了試驗結果的可靠性，大大縮短混合動力汽車控制策略的開發(fā)周期，驗證了混合動力半實物仿真平臺的功能。

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