余瑩瑩，李 韌，王法龍，常 圣，吳 浩

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

在整車控制系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，基于安全性、可行性以及成本的考慮，硬件在環(huán)(HIL)仿真測(cè)試貫穿于研發(fā)的各個(gè)階段，已成為研發(fā)過(guò)程中不可缺少的部分。HIL仿真又稱為半實(shí)物仿真，將部分實(shí)物硬件接入仿真系統(tǒng)，使仿真系統(tǒng)更逼近真實(shí)系統(tǒng)[1]。主要以 dSPACE實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行ASM(Automotive Simulation Models)軟件來(lái)模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò) I/O接口與被測(cè)的VCU連接，對(duì)VCU實(shí)現(xiàn)全面、系統(tǒng)的測(cè)試，從而減少實(shí)車路試的次數(shù)，大大縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)省開發(fā)成本[2-3]。本文利用 Matlab/Simulink 建立整車模型，以某純電動(dòng)客車VCU為測(cè)試對(duì)象，基于 dSPACE 建立其硬件在環(huán)仿真測(cè)試環(huán)境，對(duì)整車控制系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證。

1 硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

德國(guó)dSPACE系統(tǒng)作為半實(shí)物仿真與控制器開發(fā)的軟硬件平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)和Matlab/Simulink的無(wú)縫連接[4]。在軟件方面，采用 Matlab/Simulink進(jìn)行算法開發(fā)、系統(tǒng)建模及離線仿真，利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)生成實(shí)時(shí)C代碼，并通過(guò)實(shí)時(shí)接口RTI實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)運(yùn)行硬件代碼的無(wú)縫自動(dòng)下載[5]。dSPACE硬件主要由DS1006核心主控板、DS2211 I/O板、DS814通訊接口板、CAN通訊接口板、故障注入板卡、負(fù)載板卡、電源等構(gòu)成。通過(guò)PHS總線連接各種dSPACE的I/O板卡，總線速度為20 Mb/s；完全支持Simulink編程等[6]。圖1為硬件在環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 硬件在環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)圖

HIL仿真測(cè)試主要是通過(guò)dSPACE仿真器將仿真信號(hào)經(jīng)過(guò)I/O板卡以及調(diào)理電路處理后發(fā)送給VCU,VCU接收到輸入信號(hào)后經(jīng)過(guò)內(nèi)部策略處理進(jìn)行對(duì)應(yīng)信號(hào)輸出(包括執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及與其他節(jié)點(diǎn)的交互信號(hào))；同時(shí)仿真器又能對(duì)VCU輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并作為整車模型輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)試。只需要對(duì)整車模型參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)仿真器設(shè)置各種測(cè)試工況就可以對(duì)VCU進(jìn)行全面、系統(tǒng)的測(cè)試[7]。除此之外，dSPACE還提供了交互式測(cè)試管理軟件ControlDesk，利用此上位機(jī)軟件能快速建立虛擬儀器對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，且可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)參[8]。

根據(jù)VCU的功能要求并充分考慮到純電動(dòng)客車的使用環(huán)境，搭建基于dSPACE的HIL仿真測(cè)試平臺(tái)組成，如圖2所示。

圖2 硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)組成圖

2 仿真模型建立以及測(cè)試軟件開發(fā)

2.1 仿真模型的建立

HIL測(cè)試系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)是建立仿真模型，dSPACE仿真器是在仿真模型的基礎(chǔ)上運(yùn)行的[9]。在基于Matlab/Simulink環(huán)境下開發(fā)模型，主要包括IO模型和ASM整車模型[10]。其中IO模型如圖3所示，用于仿真器硬件接口進(jìn)行建模，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件IO接口的配置以及所有信號(hào)的調(diào)理，根據(jù)控制器引腳定義確定信號(hào)類型來(lái)配置接口[11]。不僅對(duì)傳感器信號(hào)和執(zhí)行器接口進(jìn)行分配、參數(shù)配置以及信號(hào)調(diào)理，而且還對(duì)CAN總線通信參數(shù)和CAN總線信號(hào)屬性進(jìn)行配置。

ASM整車模型如圖4所示，根據(jù)實(shí)車性能和特性建立虛擬車輛[12]的仿真模型，主要包括Soft ECU模塊、動(dòng)力模塊、傳動(dòng)系模塊、車輛動(dòng)力學(xué)模塊、駕駛環(huán)境模塊。根據(jù)待測(cè)車輛特性進(jìn)行參數(shù)配置，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)車的模型化，獲得實(shí)車的運(yùn)行效果。

圖4 ASM 整車模型圖

2.2 測(cè)試軟件開發(fā)

上位機(jī)界面主要是基于dSPACE/ControlDesk軟件創(chuàng)建的測(cè)試管理界面，對(duì)整車控制系統(tǒng)功能測(cè)試整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制和管理，它能夠下載仿真模型文件、監(jiān)控實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)、設(shè)置變量和參數(shù)以及顯示虛擬儀表數(shù)據(jù)等。根據(jù)待測(cè)VCU的測(cè)試需求，將測(cè)試管理界面進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分為電源控制模塊、駕駛員操作模塊、虛擬儀表模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊以及CAN通信管理界面。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)配置生成CAN通信管理界面，實(shí)現(xiàn)CAN通信的仿真及監(jiān)控[13-14]。測(cè)試界面中每個(gè)控件與其對(duì)應(yīng)的模型信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真測(cè)試數(shù)據(jù)。圖5為ControlDesk測(cè)試界面原理圖。

圖5 ControlDesk測(cè)試界面原理圖

3 仿真測(cè)試及結(jié)果分析

HIL仿真測(cè)試平臺(tái)搭建好后，根據(jù)實(shí)際車輛參數(shù)以及路況信息，對(duì)其中的ASM整車模型進(jìn)行參數(shù)化以及閉環(huán)測(cè)試工作。采用dSPACE參數(shù)化軟件ModelDesk對(duì)建立好的ASM整車模型中的各個(gè)子模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置。

相關(guān)參數(shù)配置好后，在實(shí)時(shí)環(huán)境下對(duì)VCU進(jìn)行整車上電起步、加速制動(dòng)、蠕行以及打氣泵等功能或性能測(cè)試，驗(yàn)證該VCU邏輯是否滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)實(shí)車調(diào)試提供理論依據(jù)。

3.1 整車上電起步仿真測(cè)試

整車上電起步仿真測(cè)試主要驗(yàn)證整車能夠按照要求正常上電起步，測(cè)試過(guò)程：首先通過(guò) ControlDesk 測(cè)試界面給dSPACE臺(tái)架以及VCU供電；測(cè)試開始時(shí)，點(diǎn)擊Key ON擋，觀察DC/DC能否正常上電；點(diǎn)擊Key Start擋后，觀察主接觸器閉合情況以及是否有Ready信號(hào)。

整車上電起步仿真測(cè)試結(jié)果如圖6所示，當(dāng)虛擬整車有ON擋信號(hào)后，VCU收到DC/DC接觸器閉合反饋信號(hào)，DC/DC完成上電；當(dāng)虛擬整車有Start擋信號(hào)后，VCU收到主接觸器閉合反饋信號(hào)，此時(shí)dSPACE/ControlDesk 測(cè)試界面上Ready指示燈亮。此時(shí)電機(jī)直流側(cè)電壓為561.1 V，大于Ready電壓(標(biāo)定為400 V)，滿足上電要求，由此測(cè)試結(jié)果可以看出，VCU能夠正常發(fā)送和接收信息，虛擬整車能夠正常上電起步，測(cè)試通過(guò)。

(a)整車上電過(guò)程中接觸器閉合反饋情況

(b)整車上電過(guò)程中電機(jī)直流側(cè)電壓以及Ready信號(hào)情況

3.2 整車加速及制動(dòng)性能測(cè)試

整車加速及制動(dòng)性能仿真測(cè)試主要驗(yàn)證當(dāng)車輛在加速、制動(dòng)等過(guò)程中觀察VCU能否將駕駛員命令準(zhǔn)確解析傳遞給MCU、BMS等，使虛擬車輛按照設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行。測(cè)試過(guò)程：當(dāng)虛擬車輛處于Ready狀態(tài)時(shí)，在ControlDesk測(cè)試界面上，先將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為50%，點(diǎn)擊D擋位，再將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為0，將油門踏板百分比設(shè)置為100%；觀察從起步到加速的過(guò)程中，VCU收到加速踏板信號(hào)，并向MCU進(jìn)行扭矩請(qǐng)求以及車速的變化情況；最后將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為80%時(shí)，觀察VCU收到制動(dòng)踏板信號(hào)后，并向MCU進(jìn)行扭矩請(qǐng)求以及車速的變化情況。

圖7為整車加速及制動(dòng)性能仿真測(cè)試結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將油門踏板百分比設(shè)置為100%后，VCU迅速請(qǐng)求電機(jī)輸出最大扭矩，隨著車速的增大，請(qǐng)求扭矩逐漸減小。當(dāng)將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為80%后，VCU迅速請(qǐng)求電機(jī)輸出較大負(fù)扭矩，進(jìn)入能量回收狀態(tài)，隨車速減小，輸出扭矩減小直至車速降為0 km/h。當(dāng)車速降為0時(shí)，將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為0后，虛擬車輛應(yīng)進(jìn)入蠕行模式。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出該VCU滿足加速、制動(dòng)功能要求，測(cè)試通過(guò)。

圖7 整車加速制動(dòng)性能仿真測(cè)試結(jié)果

3.3 蠕行功能測(cè)試

當(dāng)虛擬車輛滿足進(jìn)入蠕行狀態(tài)的條件后，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證虛擬車輛能夠按照要求進(jìn)入蠕行。測(cè)試過(guò)程：當(dāng)車輛處于上電起步狀態(tài)時(shí)，先將制動(dòng)踏板百分比設(shè)置為50%，點(diǎn)擊D擋位后，再將制動(dòng)和油門踏板百分比均設(shè)置為0，且將手剎信號(hào)設(shè)置為0，此時(shí)通過(guò) ControlDesk上位機(jī)界面讀取虛擬車輛狀態(tài)。圖8為蠕行功能仿真測(cè)試結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)點(diǎn)擊D 擋位后，將制動(dòng)和油門踏板百分比均設(shè)置為0時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增大，車速也隨之升高。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到162 r/min且保持時(shí)，車速升高至5 km/h后始終保持5 km/h勻速行駛，符合功能要求，測(cè)試通過(guò)。

圖8 蠕行功能仿真測(cè)試結(jié)果

3.4 打氣泵功能仿真測(cè)試

打氣泵功能仿真測(cè)試主要是驗(yàn)證在虛擬整車氣壓低的情況下打氣泵能夠按照要求進(jìn)行工作。測(cè)試過(guò)程：首先將打氣泵啟動(dòng)電壓值標(biāo)定為3.4 V，打氣泵停止電壓值標(biāo)定為4.1 V；當(dāng)虛擬整車上高壓后，在ControlDesk測(cè)試界面上將虛擬整車氣壓值分別設(shè)置為0 V、3.7 V和4.5 V時(shí)，觀察打氣泵打氣工作情況；將打氣泵首次啟動(dòng)工作時(shí)間標(biāo)定為1 min，氣泵停止間隔時(shí)間標(biāo)定為1 min，觀察打氣泵的防乳化功能以及時(shí)間存儲(chǔ)的情況。

圖9為打氣泵打氣工作仿真測(cè)試結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)虛擬整車氣壓值為0 V和3.7 V時(shí)打氣泵一直在工作；當(dāng)虛擬整車氣壓值為4.5 V時(shí)打氣泵在工作，12 s過(guò)后打氣泵停止工作，符合打氣泵功能要求，測(cè)試通過(guò)。圖10為打氣泵防乳化功能以及存儲(chǔ)時(shí)間仿真測(cè)試結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：打氣泵打氣時(shí)間為1 min，且2 min存儲(chǔ)一次時(shí)間信息，當(dāng)打氣泵首次啟動(dòng)工作1 min且打氣1 min結(jié)束后，過(guò)了5 min關(guān)閉打氣風(fēng)扇，此時(shí)又因?yàn)檫_(dá)到了打氣泵停止間隔時(shí)間再一次打氣，符合打氣泵功能以及防乳化邏輯的功能要求，測(cè)試通過(guò)。

圖9 打氣泵打氣工作仿真測(cè)試結(jié)果

圖10 打氣泵防乳化功能以及存儲(chǔ)時(shí)間仿真測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了基于硬件在環(huán)的整車控制系統(tǒng)功能測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，通過(guò)開發(fā)仿真模型和測(cè)試界面，建立了基于dSPACE的硬件在環(huán)測(cè)試仿真平臺(tái)，并在此平臺(tái)上對(duì)整車控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，利用此硬件在環(huán)測(cè)試仿真平臺(tái)能夠快速有效地驗(yàn)證該整車控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而縮短了整車控制器的開發(fā)周期，減少了費(fèi)用支出，為后續(xù)實(shí)車調(diào)試和驗(yàn)證提供理論依據(jù)。