基于dSPACE的汽車電動玻璃升降器防夾控制的半實物仿真與驗證*

劉建國　俞力　李?！〕虠澚骸《判》迹?.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，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的汽車電動玻璃升降器防夾控制的半實物仿真與驗證*

劉建國1，2俞力1，2李希3程棟梁4杜小芳1，2
（1.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，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】提出了針對電動玻璃升降器雙霍爾傳感器與直流電機電流檢測（DHSCD）防夾控制算法的“V字形”開發(fā)流程；利用Simulink建立系統(tǒng)模型對防夾控制算法與電動玻璃升降器的功能性和可靠性進行離線仿真驗證；在通用快速控制原型仿真方法的基礎(chǔ)上，針對DHSCD防夾控制算法設(shè)計了特有的仿真方案；完成了目標控制器的自動代碼生成；提出了適用于電動玻璃升降器DHSCD防夾控制算法的硬件在環(huán)仿真驗證平臺。離線仿真和半實物實時仿真結(jié)果表明，基于dSPACE開發(fā)的電動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)性能要求進行硬件設(shè)計和代碼編寫，對硬件和軟件進行一次或多次開發(fā)設(shè)計，直至測試達到要求。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)爆炸性增長趨勢，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、成本高、可靠性難以保證等諸多問題，已很難適應當前產(chǎn)品研發(fā)的要求［2］。本文采用數(shù)字信號處理與控制工程（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。該平臺在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建控制算法模型，通過RTI/RTW實現(xiàn)軟硬件連接，完成代碼的自動生成及下載，并利用ControlDesk進行系統(tǒng)的在線實時調(diào)試。利用該平臺可快速實現(xiàn)汽車電動玻璃升降器防夾控制算法的設(shè)計與驗證，開發(fā)過程簡便快捷，縮短了開發(fā)周期，并可模擬極端狀況，提高了可靠性。

2　汽車電動玻璃升降器防夾控制系統(tǒng)設(shè)計的具體要求

玻璃升降器防夾控制系統(tǒng)的設(shè)計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)，車窗玻璃應停止繼續(xù)上升或下降。

b.駕駛員或乘客對開關(guān)按鈕的操作時間在0.2～1 s范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)自動實現(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“點動”模式。若操作時間大于1 s，控制系統(tǒng)進入“連動”模式，直至松開開關(guān)按鈕。

c.控制系統(tǒng)檢測到車窗玻璃即將到達車窗的上邊緣或下邊緣時，應立即停止玻璃的運動；車窗玻璃到達上邊緣或下邊緣之后，控制系統(tǒng)應控制玻璃反方向運動70 ms，釋放玻璃的壓力。

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

e.在一段時間內(nèi)，如果駕駛員或乘客同時對車窗玻璃進行不同模式的操作，駕駛員對玻璃的操作優(yōu)先級應高于乘客。

f.定義障礙物為阻礙車窗玻璃向上運動的大小為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，玻璃應自動向反方向回退100 mm的距離；如果在自動回退過程中玻璃到達車窗下邊緣，控制系統(tǒng)停止回退操作。

3　開發(fā)平臺簡介

dSPACE平臺主要用于對Matlab/Simulink建模仿真平臺建立的控制器模型進行硬件在環(huán)仿真驗證，可解決在控制器測試過程中無法模擬控制對象所處的惡劣條件（極寒與極熱）和可能出現(xiàn)的故障等問題，在縮短測試周期、節(jié)約測試成本、降低測試難度的同時提高了測試效率［6］。該平臺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、按鍵開關(guān)、霍爾傳感器以及針對車輛快速控制原型仿真測試的AutoBox等，其中的各類電路板都集成強大高速的計算功能，能為各種型號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試與實時仿真測試的實時接口、實時測試控制臺ControlDesk和自動產(chǎn)品級代碼生成工具TargetLink。

dSPACE系統(tǒng)的軟件主要分為實現(xiàn)軟件和測試軟件2類［8］。實現(xiàn)軟件是利用實時接口作為連接dSPACE實時系統(tǒng)與Matlab/Simulink的紐帶，通過實時工作窗口擴展，可實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的自動生成和下載［9］。測試軟件ControlDesk實現(xiàn)對試驗過程的綜合管理，包括對實時硬件的圖形化管理，建立用戶虛擬儀表，實現(xiàn)變量、參數(shù)的可視化管理，使試驗過程自動化；MLIB/MTRACE可實現(xiàn)自動試驗及參數(shù)調(diào)整，可在不中斷試驗的情況下從Matlab直接訪問dSPACE板上運行的應用程序中的變量而不需要變量的地址［10］。

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

圖1　DHSCD防夾控制算法快速控制原型仿真平臺設(shè)計

4　半實物仿真與驗證

針對電動玻璃升降器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設(shè)計者的控制算法思想，建模完成后在Simulink軟件平臺下對防夾控制算法與電動玻璃升降器的功能性和可靠性進行離線仿真驗證；隨后，利用dSPACE軟硬件實時仿真測試平臺進行快速控制原型的仿真測試，在真實的電動玻璃升降器中驗證防夾控制算法的可靠性；再運用dSPACE平臺的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；將代碼載入真實的ECU產(chǎn)品控制器對dSPACE模擬的電動玻璃升降器進行硬件在環(huán)仿真驗證；最后進行控制器的裝車標定試驗。

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DHSCD防夾控制算法進行功能設(shè)計和離線仿真驗證之后，采用dSPACE平臺進行快速控制原型仿真，主要是將dSPACE平臺的硬件工具AutoBox和控制板等作為控制器與實際的電動玻璃升降器系統(tǒng)相連，即在真實控制器開發(fā)的初期用電動玻璃升降器系統(tǒng)的實物來仿真和驗證防夾控制算法，是一種半實物的實時仿真方案［6］。由于離線仿真中模擬的電動玻璃升降器系統(tǒng)仍是比較理想化的系統(tǒng)，對防夾控制算法的驗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)上進一步利用實物驗證防夾控制算法。

本文在通用的快速控制原型仿真方法的基礎(chǔ)上，針對DHSCD防夾控制算法設(shè)計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。車窗玻璃的位置通過霍爾傳感器1的脈沖個數(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電流2個信號來判斷，以提高防夾檢測的準確性；車窗玻璃的運動方向根據(jù)2個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)計與開發(fā)工具Stateflow中進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中進行離線仿真，結(jié)果顯示，當玻璃上升過程中遇到障礙物，夾緊力大于60 N時，防夾模塊起作用，這時玻璃開始向下移動，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的仿真測試實時接口RTI的I/O庫代替離線仿真驗證完成后的Simulink電動玻璃升降器系統(tǒng)的開關(guān)、繼電器、直流電機與機械傳動模型等，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?？刂扑惴ㄅc實物和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應。

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工具進行DHSCD防夾控制算法模型代碼的自動生成，并通過實時接口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際的電動玻璃升降器。在快速控制原型階段，dSPACE平臺的硬件工具AutoBox和控制板等作為控制器與實際的電動玻璃升降器系統(tǒng)相連，即在真實控制器開發(fā)的初期用電動玻璃升降系統(tǒng)的實物來仿真和驗證防夾控制算法。

e.通過裝有dSPACE實時測試控制臺ControlDesk的計算機系統(tǒng)控制整個快速控制原型仿真過程，ControlDesk實時采集與調(diào)節(jié)仿真過程中的各種狀態(tài)量與參數(shù)，驗證DHSCD防夾控制算法的功能性與可靠性。半實物仿真結(jié)果如圖7所示。由脈沖信號得到脈沖個數(shù)，從而獲得玻璃升降器的位置信息；兩路輸出脈沖信號具有恒定的相位差，用來判斷玻璃升降器的運動方向。整個系統(tǒng)前期完成了玻璃升降器的一些常規(guī)動作，步進上升、自動下降等，在運行至第19 s左右時，車窗玻璃的位置處于自動上升階段的防夾區(qū)域，且系統(tǒng)外力突然急劇增大達到防夾力要求，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)果很好地反應了此過程，達到了預期的設(shè)計目標。

圖7　半實物仿真輸出信號

f.“V字形”開發(fā)流程自動代碼生成階段：在DHSCD防夾控制算法快速控制原型仿真驗證完成后，需要進行目標控制器的自動代碼生成。電動玻璃升降器控制系統(tǒng)的核心是DHSCD防夾控制算法，在目標控制器的代碼生成時只需生成Simulink/Stateflow仿真模型部分的代碼，整個代碼生成過程通過dSPACE平臺下的TargetLink工具實現(xiàn)。與Simulink/Stateflow自帶的自動代碼生成工具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)計者手動編程才能運用在真實的控制器產(chǎn)品中，而TargetLink工具生成的是電動玻璃升降器系統(tǒng)真實控制器可執(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：電動玻璃升降器系統(tǒng)控制器開發(fā)完成后，還需要對它的功能進行全面測試?；谟布诃h(huán)的仿真驗證過程是一種半實物的實時仿真技術(shù)，它利用真實的控制器來控制通過dSPACE平臺模擬的電動玻璃升降器，不僅能在很大程度上模擬出真實試驗中難以實現(xiàn)的惡劣的運行環(huán)境，而且能從模擬故障失效等多個方面對真實控制器進行綜合測試，與真實的裝車測試試驗相比，在經(jīng)濟性、可靠性以及便捷性等方面具有很大優(yōu)勢。本文提出的硬件在環(huán)仿真驗證平臺基于通用性的硬件在環(huán)仿真驗證過程，適用于電動玻璃升降器DHSCD防夾控制算法，其總體配置包括真實的ECU控制器、dSPACE實時仿真計算機dSPACE Simulator Mid-size、I/O接口模塊、帶有dSPACE控制臺ControlDesk的計算機、傳感器板DS2103以及執(zhí)行器板DS4003等6個組成部分。硬件在環(huán)仿真驗證平臺的設(shè)計與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)仿真驗證平臺

h.基于模型的“V字形”開發(fā)流程的參數(shù)標定階段。事實上，在整個控制器的開發(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)仿真驗證，都在不斷進行防夾控制器參數(shù)調(diào)試與標定，這一過程可稱為“虛擬或半實物的標定”。通過這一系列的“虛擬或半實物的標定”，可最大程度地降低參數(shù)的錯誤概率，為真實控制器的裝車標定試驗提供了有效的支持。

圖9　電動玻璃升降器真實的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電動玻璃升降器DHSCD防夾控制算法的系統(tǒng)模型，并對該算法與電動玻璃升降器的功能與可靠性進行了離線仿真驗證和快速控制原型（RCP）的仿真。目標控制器自動生成代碼后，利用真實的控制器進行硬件在環(huán)仿真驗證（HILSV），最后進行了控制器標定試驗。開發(fā)流程確保了DHSCD防夾控制算法的實時性、穩(wěn)定性與可靠性，在經(jīng)濟性、效率與操作性等方面也具有一定優(yōu)勢。

參考文獻

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（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年2月20日。

主題詞：電動玻璃升降器防夾控制算法仿真與驗證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：U463.85+3

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）05-0001-05

*基金項目：湖北省科技支撐計劃項目（對外科技合作類，2014BHE019）。