基于MotoTron的整車控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺開發(fā)

海爭平 黃偉

摘要：硬件在環(huán)仿真測試是電動汽車控制系統(tǒng)設(shè)計中的重要過程，本文提出了一種基于MotoTron快速開發(fā)平臺，快速搭建起電動汽車整車控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺的方案，根據(jù)整車控制器的控制需求，利用點(diǎn)火開關(guān)、踏板和檔位開關(guān)等實(shí)物與MotoTron平臺相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證整車控制策略的功能，具有簡便，低成本的優(yōu)點(diǎn)。

Abstract： The hardware-in-the-loop simulation is an important process in the electric vehicle control system design. This paper proposes a hardware-in-the-loop simulation platform of electric vehicle control system based on the MotoTron rapid development platform. According to the requirements of the vehicle controller， the ignition switch， pedals and gear switch material are combined with MotoTron platform， which verifies the function of the vehicle control strategy. This method is simple and low-cost.

關(guān)鍵詞：電動汽車；半實(shí)物仿真；MotoTron

Key words： electric vehicle；semi-physical simulation；MotoTron

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0213-04

0 引言

近年來，隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，電動汽車整車控制技術(shù)受到汽車廠家越來越多的重視。目前電動汽車整車控制器的開發(fā)普遍采用V模式開發(fā)流程，對整車控制策略進(jìn)行功能測試是開發(fā)中必不可少的一步，通常要進(jìn)行軟件仿真測試、硬件在環(huán)測試和實(shí)車道路測試[1]。通常硬件在環(huán)仿真在整車道路試驗(yàn)之前、軟件仿真測試之后，主要有三個目的，一是模擬實(shí)際硬件信號對控制策略的功能進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)軟件仿真中的問題；二是對控制參數(shù)進(jìn)行初步標(biāo)定，減少實(shí)車標(biāo)定的工作量；三是進(jìn)行故障仿真測試，避免道路測試中遇到危險[2]。目前主流的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要有dSPACE，ETAS系統(tǒng)和基于PXI的NI系統(tǒng)，這三個系統(tǒng)是目前車企中應(yīng)用比較多的，但是有一個共同的問題，就是成本昂貴，采購周期較長，操作復(fù)雜。本文提出了一種基于MotoTron快速開發(fā)平臺快速搭建起電動汽車整車控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺的方案，一種低成本、易操作的控制功能驗(yàn)證解決方案。

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)前文的分析，整車控制器的硬件在環(huán)平臺有三個基本要求：①硬件系統(tǒng)可以輸出整車控制器所需的真實(shí)物理信號，并能輸入故障信號；②該平臺軟件系統(tǒng)可以模擬整車關(guān)鍵系統(tǒng)部件的特性，并由硬件信號輸出；③顯示仿真結(jié)果，便于數(shù)據(jù)分析。

針對硬件系統(tǒng)，電動汽車上的傳感器信號和控制量比較單一，一般為12V的開關(guān)量或方波，0到5V的模擬量以及CAN總線信號。整車控制器需要的開關(guān)量和模擬量類型的信號并不多，關(guān)鍵部件如電機(jī)和電池系統(tǒng)的信息都是通過CAN總線發(fā)送給整車控制器的。所以根據(jù)某款電動樣車的控制系統(tǒng)的要求，選擇了一款48針的GCM0563048控制器作為半實(shí)物平臺的模型控制器。硬件在環(huán)仿真的核心在于整車仿真模型，在不選擇昂貴的商業(yè)模型的條件下，拋開對仿真模型的精度的要求，廠家完全可以根據(jù)控制策略的特點(diǎn)，建立自己的仿真模型。目前dSPACE和NI系統(tǒng)的仿真模型都是在MATLAB/Simulink中建立，MotoTron平臺的建模工具M(jìn)otoHawk也是基于MATLAB/Simulink開發(fā)，利用其可以實(shí)現(xiàn)MATLAB/Simulink模型到硬件代碼刷寫的無縫連接，可實(shí)現(xiàn)仿真模型的快速更改，在仿真時還可以通過MotoTune對硬件中的模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改[3]。針對仿真結(jié)果，一方面可以通過LCD屏進(jìn)行實(shí)時顯示車輛狀態(tài)信息，另一方面采用PC機(jī)中的上位機(jī)讀取總線上的數(shù)據(jù)解析后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

因此，半實(shí)物仿真平臺將在MATLAB/Simulink中自行建立建立電池、電機(jī)和車輛等系統(tǒng)的仿真模型，并利用MotoHawk集成點(diǎn)火開關(guān)、換擋器、制動和油門踏板等控制器輸入、輸出信號的端口驅(qū)動模塊，通過編譯后下載至模型控制器中。模型控制器與開發(fā)的純電動汽車VCU相連，通過給定工況的輸入和人機(jī)界面的操作，使VCU工作于不同的工作模式下，驗(yàn)證開發(fā)的整車控制策略。系統(tǒng)搭建的原理示意圖如圖1所示。

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2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 搭建硬件平臺 分析整車控制器的輸入信號，整車控制器進(jìn)行控制必須獲得電機(jī)、電池的狀態(tài)，以及鑰匙、油門、制動和手剎信號等信息，這些信息可大致分為駕駛員操作信號、電機(jī)狀態(tài)信息和電池狀態(tài)信息。電機(jī)和電池的狀態(tài)信息都是通過整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸給整車控制器，只要聯(lián)通整車控制器與模型控制器的CAN總線即可，剩下的駕駛員操作信號可以通過實(shí)物來輸出。

在平臺搭建中，點(diǎn)火開關(guān)信號采用真實(shí)的汽車點(diǎn)火開關(guān)，可以輸出ACC、ON和STAR信號，油門踏板也采用實(shí)車的油門踏板，以便輸出與實(shí)車油門一致的兩路電壓信號，實(shí)車檔位信號輸出為兩路開關(guān)量，為了減少平臺占用空間，直接采用三檔位開關(guān)進(jìn)行模擬。由于制動時需要同時輸出一個開關(guān)量和一個模擬量信號實(shí)現(xiàn)制動能回收策略的測試，采用了一個帶開關(guān)信號的油門踏板來替代，手剎、充電槍等信號均通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)故障信號的輸入，所有的輸入輸出信號必須通過故障注入板，再由故障板接入到整車控制器。在故障注入板上將通過多路開關(guān)對輸入信號進(jìn)行截取，通過這些開關(guān)的切換可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)信號的截斷，故障信號的輸入。該樣車整車控制器的控制輸出比較簡單，對電機(jī)和電池系統(tǒng)的控制主要通過CAN總線實(shí)現(xiàn)，其他控制直接通過IO引腳輸出。同樣這些輸出信號需要經(jīng)過故障注入板的處理后再連接模型控制器。將所有硬件集成后，半實(shí)物平臺如圖2所示（整車控制器和模型控制器及連接線束位于平臺背面）。

2.2 建立整車仿真模型 基于MATLAB/Simulink建立整車仿真模型，整車模型主要分為電機(jī)、電池和車輛三部分，所需的數(shù)據(jù)全部來自該電動樣車的實(shí)際參數(shù)。

2.2.1 電機(jī)模型（如圖3） 從電機(jī)參數(shù)易可得性考慮，電機(jī)模型目前只使用四個參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線，最高轉(zhuǎn)速、欠壓保護(hù)值和過溫保護(hù)值。電機(jī)模型在母線電壓、電機(jī)溫度和電池功率輸出正常時，將根據(jù)反求的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出符合扭矩特性曲線的扭矩值，電機(jī)的狀態(tài)信息輸出至CAN模塊。

2.2.2 電池模型（如圖4） 電池模型使用特性參數(shù)：電池串?dāng)?shù)、電池容量、初始SOC、單體最高電壓、最低電壓和電池內(nèi)阻特性等。電池模型將根據(jù)電池狀態(tài)對電機(jī)的需求功率進(jìn)行判斷，決定是否限制電機(jī)輸出功率，電池模型中還考慮了溫度對電池特性的影響。

2.2.3 整車模型（如圖5） 車輛模型使用特性參數(shù)有：主減速比、整車質(zhì)量、變速器速比、輪胎半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、滾動阻力系數(shù)和坡度等。由于電動采用固定速比的減速器，減速器模型也集成在車輛模型中。

2.3 LCD顯示 通過LCD實(shí)現(xiàn)類似于車輛儀表的功能，操作人員可以直觀的看到車輛的狀態(tài)。LCD采用CAN總線通訊，為了加快顯示速度，LCD的顯示數(shù)據(jù)不從各系統(tǒng)報文中讀取，改由模型控制器通過獨(dú)立的CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定義好的數(shù)據(jù)幀。

3 仿真測試

在整車仿真模型搭建完成后，通過MotoHawk集成所有的硬件端口模塊，就可以編譯下載至模型控制器，然后根據(jù)測試用例進(jìn)行整車控制器的功能驗(yàn)證。

某電動樣車的實(shí)車測試結(jié)果為：最高車速為80km/h，0～50km/h的加速時間8.9s，0～80km/h加速時間16.45s，60km/h等速行駛里程120km。

通過控制油門輸入進(jìn)行最高車速加速仿真測試，仿真結(jié)果見圖6。測試時最高車速達(dá)到81km/h，0～50km/h的加速時間為6.96s，50～80km/h加速時間為15.23s。進(jìn)行60km/h等速行駛測試，行駛里程大于120km。

進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)總線的斷路測試、油門某路信號的錯誤輸入等故障輸入測試，整車控制器也能及時反映，可得到正確的仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出的簡易電動汽車整車控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺方案，基于MotoTron快速開發(fā)平臺結(jié)合點(diǎn)火開關(guān)、踏板和檔位開關(guān)等實(shí)物搭建，具有模擬車輛信號與注入故障信號、建立仿真模型和輸出測試信息等功能，可實(shí)現(xiàn)對整車控制器的功能驗(yàn)證，經(jīng)過測試，滿足整車控制器硬件在環(huán)測試的基本要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉帝平.硬件在環(huán)測試在純電動汽車VCU開發(fā)中的運(yùn)用，機(jī)電技術(shù)，2013（1）：93-96.

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[3]高海宇，陸文昌，商哲，甄疼，基于MotoTron平臺的發(fā)動機(jī)ECU快速原型開發(fā)，柴油設(shè)計與制造，2008（3）：16-20.