基于dSPACE的純電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

張正中，周梅芳

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321007)

當(dāng)前，由于全球面臨著大氣污染和能源短缺的危機(jī)，汽車發(fā)展重心已經(jīng)由原來的燃油汽車轉(zhuǎn)向新能源汽車的研究和開發(fā)。而其中的純電動(dòng)汽車為代用燃料汽車，是研究和開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)[1]。

在純電動(dòng)汽車的開發(fā)過程中，仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)過程內(nèi)具有重要的作用，其縮短設(shè)計(jì)周期，降低研制費(fèi)用，提高汽車的性能[2]。同時(shí)，在純電動(dòng)汽車研發(fā)階段，引用 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）作為替代純電動(dòng)汽車整車真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法，能夠提高仿真的逼真性，解決以前存在于系統(tǒng)中的許多復(fù)雜建模難題[3]，從而可以將純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件（如MATLAB/Simulink）開發(fā)的控制算法，在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，以便觀察與實(shí)際的控制對(duì)象相連時(shí)，控制算法的性能。如果控制算法不理想，還可以很快地進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)，反復(fù)試驗(yàn)，直到找到理想的控制方案。

另外，在純電動(dòng)汽車開發(fā)的初期階段，通過快速控制原型RCP（Rapid Control Prototyping）快速地建立電動(dòng)汽車中控制對(duì)象原型及控制器模型，并對(duì)設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)進(jìn)行多次離線的及在線的試驗(yàn)，來驗(yàn)證純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性。

本文通過應(yīng)用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，一體化解決純電動(dòng)汽車在HILS和RCP應(yīng)用時(shí)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。dSPACE可以運(yùn)用于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試的工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無縫連接。

1 dSPACE系統(tǒng)一體化解決途徑

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，是由德國(guó)dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開發(fā)及測(cè)試工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無縫連接。其中包括硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩大部分[4]。

通過dSPACE提供的各種I/O板，在原型控制算法和控制對(duì)象之間，搭建起一座實(shí)時(shí)的橋梁。讓控制工程師將全部精力放在控制算法的研究和試驗(yàn)上，從而開發(fā)出最適合控制對(duì)象或環(huán)境的控制方案。與傳統(tǒng)的開發(fā)流程相比，基于dSPACE的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

表1 基于dSPACE開發(fā)流程與傳統(tǒng)開發(fā)流程的對(duì)比

要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計(jì)、離線仿真、實(shí)時(shí)開發(fā)及測(cè)試工具。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行離線及實(shí)時(shí)仿真。這樣，就可以將錯(cuò)誤及不當(dāng)之處，消除于設(shè)計(jì)初期，使設(shè)計(jì)修改費(fèi)用減至最小。

使用RCP技術(shù)，可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷。還可在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細(xì)研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問題。通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實(shí)際設(shè)備相連，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)的性能特征。而且，還可以利用旁路（BYPASS）技術(shù)，將原型電控單元（ECU：Electronic Control Unit）或控制器集成于開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉(zhuǎn)換[5]，快速原型控制過程如圖1所示。

圖1 快速原型控制過程

當(dāng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車研發(fā)的新型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型控制器，需要在閉環(huán)下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。但由于種種原因，如極限測(cè)試、失效測(cè)試，或在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試費(fèi)用較昂貴等，使測(cè)試難以進(jìn)行。例如：在積雪覆蓋的路面上，進(jìn)行電動(dòng)汽車防抱死裝置（ABS）控制器的測(cè)試，就只能在冬季有雪的天氣進(jìn)行；有時(shí)為了縮短開發(fā)周期，甚至希望在控制器運(yùn)行環(huán)境不存在的情況下（如：控制對(duì)象與控制器并行開發(fā)），對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)可以應(yīng)用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的HIL仿真解決這一問題。

圖2 電動(dòng)汽車ECU硬件在回路仿真架構(gòu)

當(dāng)前，許多控制工程師都把HILS仿真作為替代真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法。在HILS仿真中，實(shí)際的控制器和用來代替真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的仿真模型，一起組成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，難以建立數(shù)學(xué)仿真模型的部件（如液壓系統(tǒng)）可以保留在閉環(huán)中，這樣就可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，完成對(duì)電動(dòng)汽車ECU的測(cè)試，從而可以大大降低開發(fā)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期。電動(dòng)汽車ECU硬件在回路仿真架構(gòu)如圖2所示。

2 基于dSPACE的電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

對(duì)電動(dòng)汽車而言，汽車的舒適性、效率及安全性，相當(dāng)依賴于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系控制、防抱死剎車系統(tǒng)、牽引控制等的電控單元的性能。ECU的軟件也越來越復(fù)雜，以至于在開發(fā)的早期，就需進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。如果用真實(shí)的汽車對(duì)新的ECU進(jìn)行測(cè)試，既昂貴又消耗時(shí)間,特別是進(jìn)行一些極限環(huán)境下的測(cè)試，如積雪覆蓋的路面上的小摩擦測(cè)試，就只能局限于冬季的幾個(gè)月。而且用真實(shí)汽車進(jìn)行測(cè)試存在可重復(fù)性差、不能復(fù)現(xiàn)同一測(cè)試條件等缺點(diǎn)。硬件在回路仿真這種技術(shù)，允許在測(cè)試臺(tái)上重復(fù)進(jìn)行測(cè)試，從而可以比較產(chǎn)品型ECU及原型ECU的各種特性。

如圖3所示，針對(duì)具體的電動(dòng)汽車控制目標(biāo)（如電動(dòng)汽車ABS控制器測(cè)試）進(jìn)行具體功能分析設(shè)計(jì)后，在MATLAB/Simulink中進(jìn)行開發(fā)，通過快速原型設(shè)備中的I/O轉(zhuǎn)化生成目標(biāo)實(shí)時(shí)代碼。然后通過與電動(dòng)汽車標(biāo)定后的硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)的硬件在回路仿真。

圖3 基于dSPACE的電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立

為了與真實(shí)的電動(dòng)汽車一樣給ECU提供I/O信號(hào)，整個(gè)模型的仿真必須在1 ms步長(zhǎng)內(nèi)執(zhí)行完畢（小于ABS控制器的采樣時(shí)間）。在仿真最復(fù)雜的電動(dòng)汽車配置和操縱時(shí)，也能使步長(zhǎng)小于1 ms，仿真任務(wù)由5個(gè)TMS320C40 DSP聯(lián)合進(jìn)行。主DSP負(fù)責(zé)計(jì)算驅(qū)動(dòng)軌跡模型；用2個(gè)DSP來建立軸系；其他2個(gè)DSP向4個(gè)從處理器寫入141個(gè)信號(hào)，讀取175個(gè)信號(hào)。5個(gè)DSP并行，在不同配置下，模型的仿真執(zhí)行時(shí)間從650 μs到940 μs不等。這比用單處理仿真速度快2.5～3倍，如圖4所示。

在試驗(yàn)過程中，用戶選定的系列變量，可以被實(shí)時(shí)地記錄下來。最后，這些信號(hào)（如剎車壓力，車輪打滑，車輪的軸向及側(cè)向壓力等）被自動(dòng)裝載到MATLAB工作區(qū)。使用MATLAB描述語言，很容易就能實(shí)現(xiàn)不同配置的自動(dòng)順序試驗(yàn)。

圖4 電動(dòng)汽車ABS控制硬件在回路設(shè)置

利用TRACE和COCKPIT，可以在試驗(yàn)過程中對(duì)仿真器進(jìn)行深一步的觀測(cè)。通過COCKPIT虛擬儀表可用條圖，標(biāo)尺及數(shù)字顯示器的方式來顯示模型的一些重要參數(shù)。使用COCKPIT游標(biāo)，可以方便地修改參數(shù)，如摩擦系數(shù)等。

在測(cè)試結(jié)束后，有57個(gè)信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，被傳送到MATLAB工作區(qū)。盡管對(duì)實(shí)驗(yàn)分析來說這些數(shù)據(jù)已夠多的了，但想獲得較為直觀的汽車運(yùn)動(dòng)情況是很困難的。因此HIL仿真器上配置了Real Motion三維動(dòng)畫程序。在試驗(yàn)過程中記錄下的圖形畫面，可以存入文件中。記錄下來的畫面可以單步重放，從而允許對(duì)極限情況進(jìn)行仔細(xì)分析。

3 結(jié)束語

利用dSPACE提供的一體化解決途徑開發(fā)平臺(tái)，在電動(dòng)汽車試驗(yàn)開發(fā)中，可方便快捷地構(gòu)建控制系統(tǒng)的模型，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)，能快速地將控制算法在實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。基于dSPACE的電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)大部分電動(dòng)汽車的實(shí)驗(yàn)并具有良好的運(yùn)行效果，所使用的dSPACE快速控制原型構(gòu)造簡(jiǎn)單、在線調(diào)參方便，采用這種基于dSPACE的電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，大大縮短電動(dòng)汽車控制算法實(shí)驗(yàn)的周期。

[1]張翔，錢立軍，張炳力，趙 韓.電動(dòng)汽車仿真軟件進(jìn)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(8)：1621-1623.

[2]鄒 淵，孫逢春，王 軍，何洪文.電動(dòng)汽車用仿真軟件技術(shù)發(fā)展研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23(7)：761-764.

[3]馬培蓓，吳進(jìn)華，紀(jì) 軍，徐 新.dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟件環(huán)境及應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，16(4)：667-671.

[4]胡 浩，徐國(guó)卿，朱陽.基于dSPACE的電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)仿真[J].機(jī)電一體化，2009，16(4)：65-68.

[5]恒潤(rùn)科技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平臺(tái)實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑[Z].北京:恒潤(rùn)科技公司，2005.