駕駛員在環(huán)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)研究與開發(fā)*

熊會(huì)元　韓祥　胡意　鄧威（.中山大學(xué)，廣州50006；2.東莞中山大學(xué)研究院，東莞523808）

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駕駛員在環(huán)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)研究與開發(fā)*

熊會(huì)元1，2韓祥1胡意1鄧威1
（1.中山大學(xué)，廣州510006；2.東莞中山大學(xué)研究院，東莞523808）

【摘要】為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，研究并開發(fā)了基于駕駛員與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙在環(huán)的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)。以PXI為實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，利用Carsim與LabVIEW建立了電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)模型及臺(tái)架控制模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)可驗(yàn)證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，具有較高的精度和實(shí)時(shí)性。

1　前言

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車核心系統(tǒng)，其性能直接影響電動(dòng)汽車的整體評(píng)價(jià)［1］。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試方法一般基于固定的循環(huán)工況或穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試［2，3］，該方法存在以下問題：以工況為控制輸入?yún)?shù)，忽略了實(shí)際車輛控制中駕駛員的主觀因素；不能進(jìn)行各種復(fù)雜工況條件下的測(cè)試；以車輛為質(zhì)點(diǎn)的基于縱向動(dòng)力學(xué)車輛簡化模型精度低，未反映與其他系統(tǒng)耦合的整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。而駕駛員在環(huán)車輛模擬系統(tǒng)能夠提供更接近車輛在人-車-路條件下的仿真測(cè)試，但其車輛與系統(tǒng)模型都為仿真模型，不能完全代替實(shí)物部件的動(dòng)態(tài)性。因而，構(gòu)建整車實(shí)時(shí)仿真模型與車輛部分實(shí)物部件耦合的半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)用價(jià)值更高。

本文建立了駕駛員與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙在環(huán)的電動(dòng)汽車半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)，通過CarSim軟件建立高精度實(shí)時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)模型，基于PXI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，通過真實(shí)駕駛員對(duì)虛擬車輛及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行操作，測(cè)試電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，針對(duì)負(fù)載模擬問題，設(shè)計(jì)模糊PI負(fù)載模擬算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2　試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)功能，將試驗(yàn)臺(tái)分為駕駛員操作模塊、臺(tái)架控制模塊、電驅(qū)動(dòng)模塊和負(fù)載模擬模塊等，其總體方案如圖1所示。工作原理：監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過CarSim/LabVIEW軟件聯(lián)合建立車輛仿真模型、虛擬道路及控制模型；駕駛員根據(jù)當(dāng)前道路環(huán)境，通過操作模塊對(duì)電驅(qū)動(dòng)模塊及整車進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)整車模型及虛擬道路模型計(jì)算并控制負(fù)載電機(jī)輸出阻力矩，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載；根據(jù)傳感器信號(hào)及整車模型計(jì)算車輛當(dāng)前狀態(tài)并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)保存各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，形成駕駛員、電驅(qū)動(dòng)模塊、虛擬道路三者之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載。

試驗(yàn)臺(tái)具備以下功能：能夠模擬電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的運(yùn)行情況；駕駛員能夠?qū)μ摂M車輛進(jìn)行控制，并以3D動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示車輛狀態(tài)；能夠?qū)﹄婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試及控制策略驗(yàn)證等。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)總體方案

2.1駕駛員操作模塊

駕駛員操作模塊采用駕駛模擬器實(shí)現(xiàn)駕駛員信號(hào)采集與發(fā)送，并通過CarSim提供人-車-路實(shí)時(shí)3D行駛場(chǎng)景與車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示。駕駛模擬器包含轉(zhuǎn)向盤、加速踏板和制動(dòng)踏板，可加入離合器、換擋手柄等，以豐富駕駛員的操縱需求。通過試驗(yàn)標(biāo)定擬合得到加速踏板與制動(dòng)踏板輸出電壓Vout與開度θ的關(guān)系為：

2.2臺(tái)架控制模塊

臺(tái)架控制模塊作為試驗(yàn)臺(tái)的核心控制部分，由上位機(jī)和下位機(jī)組成，監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PXI實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)作為下位機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)為駕駛員提供視聽覺信號(hào)、監(jiān)控硬件運(yùn)行并進(jìn)行軟件算法的開發(fā)（包括建立車輛動(dòng)力學(xué)模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制算法和負(fù)載模擬算法設(shè)計(jì)等）。PXI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)包含高性能處理器和各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與發(fā)生、硬件的控制等功能，同時(shí)通過TCP/IP協(xié)議與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，運(yùn)行實(shí)時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)模型。

2.3電驅(qū)動(dòng)模塊

電驅(qū)動(dòng)模塊由實(shí)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器組成。根據(jù)測(cè)試需求，可以選擇性能穩(wěn)定的模擬電源或?qū)嵻囯姵亟M作為電驅(qū)動(dòng)模塊的能量源，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能或接收電機(jī)回饋制動(dòng)電能。

2.4負(fù)載模擬模塊

負(fù)載模擬模塊由變頻器和負(fù)載電機(jī)構(gòu)成，變頻器接收臺(tái)架控制模塊指令，通過控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬。由于試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于實(shí)際車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此需要采用機(jī)械慣量或電慣量模擬補(bǔ)償。由于機(jī)械慣量模擬的慣性飛輪組存在體積較大、安裝使用不便、動(dòng)平衡難以控制等不足，因此采用電慣量模擬方法［4］對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行扭矩補(bǔ)償。負(fù)載模擬模塊同時(shí)模擬車輛加速阻力和道路阻力，使得試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際車輛行駛狀態(tài)一致。

3　臺(tái)架控制模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1CarSim/LabVIEW聯(lián)合仿真模型

通過在CarSim中定義車體、空氣動(dòng)力學(xué)、輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等7個(gè)子系統(tǒng)的特性參數(shù)，快速進(jìn)行實(shí)時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)建模。將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外部硬件及控制模型通過LabVIEW接口擴(kuò)展嵌入到Car?Sim軟件模型中進(jìn)行試驗(yàn)分析。以自主開發(fā)的某乘用車為例，車輛部分參數(shù)如表1所示，對(duì)于CarSim無法定義的部件，如電機(jī)參數(shù)等，可通過LabVIEW程序進(jìn)行定義。

表1　車輛部分參數(shù)

在CarSim模型求解器中定義車輛模型與LabVIEW程序接口變量，其中，輸入變量包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、加速踏板開度、制動(dòng)踏板開度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩；輸出變量包括車速和阻力矩。在LabVIEW中通過調(diào)用CarSim模型求解器的DLL函數(shù)（仿真初始化函數(shù)、仿真數(shù)據(jù)迭代函數(shù)及仿真終止函數(shù)）建立聯(lián)合仿真模型。

3.2LabVIEW多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交互與控制，應(yīng)用DAQmx及XNET設(shè)計(jì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)中采集的信號(hào)有扭矩傳感器信號(hào)、母線電壓與電流信號(hào)、三相電壓與電流信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、加速踏板與制動(dòng)踏板開度信號(hào)等；輸出控制信號(hào)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)和負(fù)載電機(jī)控制信號(hào)。功率分析儀計(jì)算電機(jī)控制器輸入輸出功率，通過數(shù)據(jù)采集卡PXIe-6368，對(duì)模擬、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集；通過PXI-8513/2雙端口CAN接口卡，輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)控制信號(hào)。利用LabVIEW的多處理器支持功能，分別為同一個(gè)應(yīng)用程序中的模型仿真和數(shù)據(jù)采集循環(huán)指定不同的CPU并采用同一個(gè)定時(shí)源。

3.3電驅(qū)動(dòng)控制算法

驅(qū)動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)是低速恒扭矩、高速恒功率、可以在4象限運(yùn)行，因此可以通過制定合理的控制算法使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)或饋電狀態(tài)，模擬車輛實(shí)際運(yùn)行狀況。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用扭矩控制方式，以被測(cè)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為限制條件，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡采集的駕駛員操作信號(hào)、電池狀態(tài)和電機(jī)狀態(tài)［7］等輸入變量，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩，如圖2所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，θ為加速踏板開度；B1為制動(dòng)踏板開度；u為車速；SOC為電池荷電狀態(tài)。

圖2　驅(qū)動(dòng)力矩控制流程

3.4負(fù)載模擬算法

電動(dòng)汽車在行駛過程中，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩Tem與折算到車輪上的滾動(dòng)阻力矩Tf、空氣阻力矩Tw、坡度阻力矩Tf、加速阻力矩Ti的關(guān)系為：

對(duì)于如圖1所示的臺(tái)架系統(tǒng)，由牛頓定律可得：

式中，Te為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩；TL為負(fù)載電機(jī)加載力矩；J為臺(tái)架系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為粘性摩擦系數(shù)。

對(duì)式（3）、式（4）進(jìn)行拉氏變換得到車輛動(dòng)力學(xué)模型及臺(tái)架系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

對(duì)車輛所受阻力的模擬方法有兩種，一種是采用逆動(dòng)力學(xué)模型，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但實(shí)際運(yùn)用中模型較難推導(dǎo)，而且模型中存在微分環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生噪聲，穩(wěn)定性較差；另一種是采用如圖3所示的基于前向模型的轉(zhuǎn)速跟蹤控制算法，其中，為負(fù)載前饋補(bǔ)償器，Gt（s）為負(fù)載電機(jī)閉環(huán)控制器，通過控制負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω（s），使其趨近于目標(biāo)轉(zhuǎn)速從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的模擬，該方法不需要推導(dǎo)逆模型，其系統(tǒng)性能取決于閉環(huán)控制器

圖3　基于前向模型的轉(zhuǎn)速控制算法

負(fù)載電機(jī)控制器采用PID控制，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

式中，kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)。

針對(duì)負(fù)載電機(jī)高階、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，采用普通PID控制時(shí)在動(dòng)態(tài)加載過程中會(huì)有較大振蕩，因此設(shè)計(jì)模糊PI控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)負(fù)載模擬算法，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加載。通過對(duì)不同條件下閉環(huán)控制器參數(shù)的整定來控制勵(lì)磁電流，既能改善PI控制器的穩(wěn)態(tài)特性和控制精度，又提高了控制器的魯棒性和適應(yīng)性［9，10］，其控制原理如圖4所示。

圖4　模糊PI控制原理

3.4.1模糊控制器輸入、輸出變量

模糊控制器采用二維輸入、二維輸出，輸入變量為轉(zhuǎn)速偏差e和轉(zhuǎn)速偏差的變化率ec；輸出變量為比例系數(shù)的變化量Δkp和積分系數(shù)的變化量Δki。定義輸入變量的論域?yàn)椋?3，3］，輸出變量的論域?yàn)椋?1，1］。將輸入、輸出變量的論域劃分為7級(jí)｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝。

按照如下公式計(jì)算PID控制器的kp和ki：

式中，kp0=50；ki0=10。

3.4.2隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則

隸屬度函數(shù)用來表示元素隸屬于模糊集的程度。本文中，輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用高斯函數(shù)，在LabVIEW軟件的模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具箱中建立各變量的隸屬度函數(shù)，如圖5所示。

圖5　隸屬度函數(shù)

根據(jù)表2、表3所示的模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電機(jī)PID控制器控制系數(shù)的輸出，在LabVIEW中建立模糊PI負(fù)載模擬程序框圖。

表2　Δkp模糊控制規(guī)則表

表3　Δki模糊控制規(guī)則表

4　駕駛員在環(huán)模擬試驗(yàn)與分析

按本文所述方案，搭建基于駕駛員與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的雙在環(huán)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)。

在CarSim中建立環(huán)形道路模型，該道路可對(duì)整車及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加減速、勻速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)及上下坡等復(fù)雜工況進(jìn)行綜合測(cè)試，路面坐標(biāo)如圖6所示。由駕駛員直接操作電動(dòng)汽車進(jìn)行試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到實(shí)時(shí)駕駛員操作信號(hào)及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，將縱向車速、輸出扭矩與軟件仿真輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證試驗(yàn)正確性，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6　路面坐標(biāo)

圖7　模擬試驗(yàn)結(jié)果

由圖7b可知，采用模糊PI控制的車速曲線比采用常規(guī)PID控制的車速曲線誤差更小，模糊PI控制車速與仿真車速偏差的最大值為0.496 km/h，常規(guī)PID控制車速與仿真車速的最大值為3.5 km/h，同時(shí)由于臺(tái)架系統(tǒng)建模的誤差及外界干擾的存在，使得模糊PI控制車速存在一定的振蕩。從總體來看，模糊PI控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)負(fù)載模擬算法能夠提高系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加載。

圖7c和圖7d為駕駛員的操作信號(hào)曲線，試驗(yàn)臺(tái)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集駕駛員的控制信號(hào)，通過LabVIEW程序計(jì)時(shí)器計(jì)算可得信號(hào)采集周期小于100 μs，車輛模型仿真循環(huán)周期小于1 ms。

圖7e為驅(qū)動(dòng)電機(jī)期望扭矩與實(shí)際執(zhí)行扭矩對(duì)比曲線，從中可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠較好的執(zhí)行控制指令，滿足精度要求。

圖7f為電動(dòng)汽車電池SOC變化曲線，試驗(yàn)中設(shè)定初始SOC值為0.8，本試驗(yàn)中的行駛里程為4.4 km，SOC降低0.02。

綜上所述，在復(fù)雜環(huán)形道路試驗(yàn)條件下，所建立的基于駕駛員與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙在環(huán)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)縱向車速、輸出扭矩均與軟件仿真結(jié)果吻合，同時(shí)具有較高的精度及實(shí)時(shí)性。

5　結(jié)束語

利用CarSim與LabVIEW建立了駕駛員與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙在環(huán)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)臺(tái)架控制模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，包括建立車輛聯(lián)合仿真模型、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和負(fù)載模擬算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真試驗(yàn)中真實(shí)駕駛員、實(shí)物電驅(qū)動(dòng)模塊與虛擬道路三者之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載。

在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了環(huán)形道路條件下的試驗(yàn)，結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)真實(shí)感較強(qiáng)，同時(shí)具有較高精度，為能源及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試及控制策略驗(yàn)證等提供了可靠的支撐平臺(tái)。

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（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

主題詞：電動(dòng)汽車駕駛員在環(huán)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載模擬

Research and Development of Simulation Test Bench for Electric Drive System of Human-in-the-Loop

Xiong Huiyuan1，2，Han Xiang1，Hu Yi1，Deng Wei1
（1.Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006；2.Institute of Dongguan-Sun Yat-sen University，Dongguan 523808）

【Abstract】In order to realize parameter calibration and dynamic performance test for electric vehicle electric drive system，a dynamic simulation test bench based on human-in-the-loop and electric drive system-in-the-loop is researched and developed.Using PXI as a real-time simulation system，a real-time vehicle dynamics model of electric vehicle and bench control model are established based on Carsim and LabVIEW.The results show that the test bench can verify electric drive system dynamic performance of electric drive with high accuracy and real-time performance.

Key words:Electric vehicle，Human-in-the-loop，Electric drive system，Test bench，Load simulation

中圖分類號(hào)：U467.5+26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0052-05

*基金項(xiàng)目：廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（2012A010702001）；東莞市重大科技專項(xiàng)（2011215155）。