燃料電池汽車(chē)整車(chē)控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、安全性及排放等方面提出了更高的要求，傳統的機械式控制系統已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足這些需要。電子化控制系統以其高精度、高速度、控制靈活、穩定可靠等特點(diǎn)逐漸取代了機械式控制系統，是汽車(chē)控制系統的發(fā)展趨勢。

由于對控制性能的要求越來(lái)越嚴格，使得汽車(chē)電子控制系統對控制器的要求越來(lái)越高?？刂破鞯拈_(kāi)發(fā)與設計一般都要經(jīng)過(guò)如圖1所示的步驟，即由上層到底層，再由底層到上層的一個(gè)V字形過(guò)程。首先是控制器的上層功能設計，詳細確定控制器將要實(shí)現的功能；然后生成目標程序代碼；最后是控制器的底層軟、硬件實(shí)現。

從控制器實(shí)現到實(shí)車(chē)測試的過(guò)程中還需要進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試。這是因為在整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用整車(chē)控制器硬件在仿真測試平臺構建虛擬的整車(chē)現場(chǎng)環(huán)境。對控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，不但可以大大加快整車(chē)控制器軟、硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，而且開(kāi)發(fā)成功的控制器具有較高的可靠性。因為仿真測試平臺可以模擬出在實(shí)車(chē)試驗中難以實(shí)現的特殊行駛狀態(tài)和危險狀態(tài)，從而對整車(chē)控制器進(jìn)行全面的測試?？刂破饔布诃h(huán)仿真測試中，系統用數學(xué)模型來(lái)代替，控制器使用實(shí)物，系統模型和控制器之間的接口要與實(shí)際保持一致，在仿真調試完畢后，達到控制器和系統之間的“垂直安裝”或“垂直集成”?？刂破髟谕瓿捎布诃h(huán)仿真之后，就可以進(jìn)入系統集成和測試環(huán)節，最后實(shí)現初期設計的各項功能和指標。

本文基于Matlab/Simulink RTW 和XPC Real-time Target實(shí)時(shí)仿真平臺，配合PCI數據采集卡底層軟件的開(kāi)發(fā)和信號調理裝置硬件設計，系統地實(shí)現了燃料電池汽車(chē)整車(chē)控制器仿真測試平臺。利用該平臺可以對整車(chē)控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺和控制算法等進(jìn)行測試。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺方案設計

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺構建了虛擬的整車(chē)環(huán)境，并基于虛擬的人機交互司機模型，將人作為硬件在環(huán)的一個(gè)元素引入到實(shí)際的仿真測試中，具體結構如圖2所示。兩個(gè)基于工業(yè)控制計算機的虛擬平臺分別為虛擬整車(chē)平臺和虛擬司機平臺。虛擬整車(chē)平臺基于Matlab/Simulink xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車(chē)的運行，為測試整車(chē)控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機平臺基于Matlab/Simulink RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車(chē)的操控機構，配合加速踏板為測試整車(chē)控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當兩個(gè)計算機虛擬平臺對實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，通過(guò)數據采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進(jìn)行處理，從而實(shí)現真實(shí)的復雜整車(chē)環(huán)境，直接與整車(chē)控制器連接進(jìn)行仿真測試試驗。并配有基于CAN總線(xiàn)的實(shí)時(shí)監控裝置，可以全過(guò)程實(shí)時(shí)地監控仿真測試試驗。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺硬件設計

虛擬平臺硬件設計

虛擬平臺的硬件需要完成計算機模型產(chǎn)生的虛擬信號到真實(shí)信號的轉換，這些信號包括數字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)開(kāi)關(guān)信號屬于數字信號，電機轉速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送。

虛擬平臺的數字信號和模擬信號通過(guò)PCI接口的數據采集卡實(shí)現與真實(shí)世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅動(dòng)程序，可以直接用于實(shí)時(shí)仿真。對于部分不支持Matlab實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的數據采集卡， 可以采用Matlab/Simulink環(huán)境下的S函數編寫(xiě)，并在Matlab環(huán)境下調用動(dòng)態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅動(dòng)程序，因此采用S函數進(jìn)行集成。整個(gè)虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入/輸出復用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。

虛擬平臺產(chǎn)生或接收的CAN信號通過(guò)PCI總線(xiàn)與CAN通訊卡相連，由CAN通訊卡通過(guò)CAN總線(xiàn)與待測整車(chē)控制器進(jìn)行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協(xié)議，能夠同時(shí)輸出2路獨立的CAN信號。

信號調理器硬件設計

由于燃料電池客車(chē)上的信號比較復雜，數字信號有24V、12V和5V等不同的驅動(dòng)電平和驅動(dòng)方式，模擬信號也有各種電壓范圍和驅動(dòng)功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過(guò)數據采集卡輸出的信號比較單一，故經(jīng)過(guò)信號調理器對信號進(jìn)行調理后，才能夠完全再現燃料電池客車(chē)上的真實(shí)控制接口，直接與整車(chē)控制器連接進(jìn)行仿真測試。

如圖2所示，虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數字模擬信號通過(guò)PCI總線(xiàn)與數據采集卡相連。數據采集卡與可配置的信號調理器之間通過(guò)專(zhuān)用的數據線(xiàn)進(jìn)行數據交換，經(jīng)過(guò)可配置的信號調理器對信號進(jìn)行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換后，輸出信號完全符合實(shí)際整車(chē)信號規范，并采用標準接口與待測整車(chē)控制器相連，從而實(shí)現對整車(chē)控制器的無(wú)縫連接。通過(guò)調整可配置信號調理器的配置方式，可以實(shí)現各種車(chē)輛的不同信號規范。信號調理器為靈活的母板子板設計，母板完成通用的信號連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作，可以根據用戶(hù)的需要隨時(shí)更換子板電路，以滿(mǎn)足不同仿真測試的需要。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺軟件設計

虛擬整車(chē)平臺軟件設計

虛擬整車(chē)平臺基于Matlab/Simulink平臺構建了燃料電池汽車(chē)仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動(dòng)機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動(dòng)電機及車(chē)輛負載。系統各部件模型一方面需考慮模型精度，另一方面必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)模型在Matlab/Simulink xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境上運行。整車(chē)仿真模型通過(guò)PCI數據采集卡和PCI CAN卡實(shí)現與駕駛員和整車(chē)控制器的通訊。

虛擬司機平臺軟件設計

虛擬司機平臺實(shí)現了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號由測試人員通過(guò)踏板輸入外，其余整車(chē)啟停開(kāi)關(guān)、燃料電池開(kāi)關(guān)、電機轉速表、車(chē)速表、水溫報警等控制開(kāi)關(guān)和儀表均由虛擬司機平臺實(shí)現。整個(gè)模型基于Matlab/Simulink RTW Target 實(shí)時(shí)仿真環(huán)境實(shí)現，并利用Matlab Gauges工具箱實(shí)現了整車(chē)儀表顯示和控制開(kāi)關(guān)輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監控數據的儀表開(kāi)發(fā)工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開(kāi)發(fā)出虛擬車(chē)用儀表系統。虛擬司機仿真模型同樣通過(guò)PCI數據采集卡和PCI CAN卡實(shí)現與駕駛員和整車(chē)控制器的通訊。