混合動力汽車快速控制原型系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)

高建平， 葛 堅， 趙金寶， 喬宏冰， 郗建國

（河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003）

混合動力汽車快速控制原型系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)

高建平， 葛 堅， 趙金寶， 喬宏冰， 郗建國

（河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003）

為加快混合動力汽車控制策略的開發(fā)進度，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設計與開發(fā)了基于飛思卡爾 MC9S12DG256控制器、駕駛員模擬器、控制器自動代碼生成編譯工具包及Freemaster實時數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件構成的混合動力汽車控制策略快速控制原型系統(tǒng)半實物仿真平臺，將底層驅動與上層控制策略模型一鍵下載到MC9S12DG256控制器，實現(xiàn)模型到代碼的自動下載，并能與AVL CRUISE 中車輛信息進行實時的串口通信。針對一款并聯(lián)式混合動力客車進行仿真實驗，結果能較好地模擬實車特性，驗證了該仿真平臺的有效性，其開發(fā)成本低廉，易在高校中推廣。

混合動力汽車；快速控制原型；自動代碼生成；實車特性

隨著混合動力汽車(hybrid electrical vehicle, HEV)控制策略開發(fā)的深入推進，純仿真不能體現(xiàn)控制策略的實時狀態(tài)，而實車實驗處于車輛V模式開發(fā)的后期[1-3]。半實物仿真平臺將HEV部分硬件放在仿真環(huán)境中進行考察，實驗結果比純仿真更接近實際，從而提高控制策略的可靠性，縮短開發(fā)周期，因此半實物仿真平臺已成為 HEV研發(fā)過程中必不可少的工具[4]。

邢杰等[5]開發(fā)的基于dSPACE實時系統(tǒng)的半實物仿真平臺具有高速解算能力，能很好地完成控制策略的修改及代碼的全自動下載，但其駕駛員模型采用PID控制，并未采用真實駕駛員操作，減弱了駕駛員對仿真結果的影響。王熠等[6]開發(fā)的基于Matlab/xpc平臺的半實物仿真平臺，成本低、系統(tǒng)構建方便，但不能實現(xiàn)在線調整控制參數(shù)，并受限于控制模塊的復雜度和硬件資源。石琦文和孫曉民[7]利用Matlab開發(fā)的基于MPC555的半實物仿真平臺，需要引入實時系統(tǒng)，才能實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)的實時反饋，增加了開發(fā)成本。

為解決以上問題，本文基于飛思卡爾MC9S12DG256控制器、自行開發(fā)的控制器自動代碼生成編譯工具包及Freemaster實時數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件搭建了HEV控制策略快速控制原型系統(tǒng)半實物仿真平臺。利用模塊化的底層驅動包與 HEV控制策略相連接，實現(xiàn)底層驅動和上層策略的代碼自動生成，并直接下載到控制器，實現(xiàn)控制策略的一鍵下載。通過搭建的人機在環(huán)車輛仿真平臺，實現(xiàn)控制策略與車輛模型的半實物實時仿真實驗，借助于在線調整控制參數(shù)界面實現(xiàn)控制策略的調整與優(yōu)化。

1 總體設計思想

控制器快速原型的基本原理是用快速原型控制器硬件替代產(chǎn)品控制器硬件，通過自動代碼生成技術將建模與仿真階段所形成的控制算法模型下載到快速原型控制器硬件中，并連接實際被控對象，進行控制算法的實物驗證。快速控制原型系統(tǒng)應具有快速性、有效性等特點。硬件方面應選擇汽車電子開發(fā)過程中常用的設備及控制器作為實驗載體，研發(fā)人員無需額外添置昂貴的硬件設備，便可獲得穩(wěn)定的實驗硬件。軟件系統(tǒng)方面應具備一鍵代碼生成、實時性，可靠性以及易于維護性等功能，考慮到該平臺主要用于科研，因此還應具備較高的性價比。

針對以上要求，HEV半實物仿真平臺系統(tǒng)的總體構架如圖1所示，主要包括駕駛員，電子油門踏板，電子制動踏板，MC9S12DG256控制器以及相關設計軟件。

圖1 半實物仿真平臺系統(tǒng)結構

2 硬件系統(tǒng)需求

引入人機在環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時反饋。選擇一種車輛駕駛模擬器，該駕駛模擬器具有油門踏板和制動踏板，實現(xiàn)真實駕駛員的操作。針對HEV開發(fā)的特點，路況作為控制策略實驗的工況，只有前進和停止兩種狀況，因此駕駛員只需操作電子油門踏板和電子制動踏板，即能把操作命令傳遞到控制器。

根據(jù)制定的控制策略試驗工況及車輛動力結構可知，整車控制策略需要接收由駕駛員模擬器輸出的兩路模擬信號，分別是油門踏板信號和制動踏板信號，因此需要加入模數(shù)轉換模塊對模擬信號進行轉換，即控制器至少需兩路的模數(shù)轉化模塊；車輛信息與控制策略是通過串口通信實施數(shù)據(jù)交互的，因此控制器需要一路串口通信模塊。針對該平臺對硬件的要求，采用市面上主流的MC9S12DG256最小系統(tǒng)開發(fā)板，能滿足各種工控設備的硬件需求，其成本較為低廉，防干擾能力強，并且Matlab能夠生成S 12系列控制器的專用代碼，較好滿足該平臺對硬件的選型需求，為此，選擇該控制器作為平臺控制器。

3 軟件設計要求

系統(tǒng)軟件平臺主要包括在線調整控制參數(shù)界面、自動代碼生成編譯工具包和實時車輛平臺三部分。

(1) 基于Freemaster的數(shù)據(jù)實時觀測與調整平臺。Freemaster是飛思卡爾公司一款優(yōu)秀的免費實時數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，該軟件不僅能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以在線調整需要修改的數(shù)據(jù)。Freemaster實時數(shù)據(jù)監(jiān)控時，不會給數(shù)據(jù)的存儲和顯示帶來問題，本平臺為實現(xiàn)參數(shù)的調整優(yōu)化，在其固有的通信程序中加入要修改和調整的參數(shù)，F(xiàn)reemaster就零干擾進行數(shù)據(jù)的顯示。本實驗臺通過(background debugging mode, BDM)實現(xiàn)Freemaster與控制器的實時數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的在線檢測與修改。如圖2所示為Freemaster在線調整控制參數(shù)界面。

(2) 自動代碼生成編譯工具包的建立。優(yōu)秀的快速控制原型平臺，只需一鍵即可實現(xiàn)由Simulink模型到代碼的下載。為實現(xiàn)該目的，開發(fā)了基于Matlab/Simulink的MC9S12DG256控制器的硬件接口自動代碼生成編譯工具包。該工具包主要包括SCI串行通信接口、ADC數(shù)模轉換模塊等，如圖3(a)所示。自動代碼生成編譯工具包的建立使整個平臺集被控對象建模、控制器底層驅動、系統(tǒng)仿真、實時控制為一體，能極大地提高控制策略的開發(fā)效率。

在 Matlab/Simulink中調用工具包中的硬件接口模塊，與控制策略中需要引入外部數(shù)據(jù)的參數(shù)進行接口設置。為實現(xiàn)對油門信號和制動器信號的采集，將ADC數(shù)模轉換模塊與控制策略的油門與制動信號連接，并將輸入信號歸一化處理，實現(xiàn)油門信號與制動器信號的解析；為實現(xiàn)代碼的一鍵式下載后能夠完成串行通信，把串口底層驅動SCI模塊與控制策略接收參數(shù)相連，為實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)類型的正確輸入，需要按照控制策略不同模塊的需求進行不同數(shù)據(jù)類型的設置與添加。具體接口設置如圖3(c)所示。

圖2 Freemaster在線調整控制參數(shù)界面

圖3 軟件在環(huán)聯(lián)合仿真與RCP聯(lián)合仿真示意圖

圖3(b)為軟件在環(huán)聯(lián)合仿真，通過仿真計算能得到離線仿真結果數(shù)據(jù)，圖3(c)～(d)為RCP聯(lián)合仿真示意圖，其中圖3(c)為控制策略與底層驅動集成界面，控制器連接Freemaster的BDM背景調試器，將控制模型自動生成設定類型的控制代碼，并轉到Codewarrior IDE中，經(jīng)過編譯自動下載到控制器。在Matlab/Simulink中，針對所選控制器的硬件驅動模塊的特點，可利用S函數(shù)和TLC編譯器，編寫特定的硬件驅動模塊庫。并根據(jù)RTW代碼生成文件的控制條件進行相關文件的編寫設置，設置控制器的基本工程文件，以實現(xiàn)代碼的加載。該驅動包的建立不僅實現(xiàn)了代碼的一鍵式下載，而且可以在任何電腦上使用此工具包，無需重新編寫。本平臺自動代碼生成編譯工具包實時生成代碼原理如圖 4所示。

(3) 基于AVL CRUISE 實時運行的車輛模型平臺。傳統(tǒng)的快速控制原型開發(fā)平臺，在控制策略未得到驗證前，就加入真實的被控對象或者具有實時操作系統(tǒng)的仿真平臺，進行實物實驗，造成一定的危險性，而實時操作系統(tǒng)價格又比較昂貴[8]。為實現(xiàn)安全、低成本的開發(fā)HEV仿真平臺，本平臺采用AVL CRUISE軟件作為實時通信軟件車輛模型建立的載體。

AVL CRUISE是一款正向車輛性能仿真軟件，具有精度高，圖像化建模等優(yōu)點，而且其具有的INTERFACE接口更具有實時傳遞信號的功能。本平臺采用Matlab/instrument control toolbox的串口模塊與AVL CRUISE的INTERFACE實時接口模塊，實現(xiàn)控制器與車輛模型之間信號的實時傳遞。如圖3(d)所示，INTERFACE接口接收控制策略經(jīng)串行通信輸出的發(fā)動機加載信號、電機加載信號、離合器開閉信號及發(fā)動機開關信號，經(jīng) AVL CRUISE仿真計算，將車速、電機轉速和電池SOC等參數(shù)通過串行接口發(fā)送給控制策略，實現(xiàn)控制策略與車輛模型數(shù)據(jù)的實時交換。

圖4 自動代碼生成原理圖

4 HEV半實物仿真平臺的應用

以一款并聯(lián)式混合動力客車(hybrid electric bus, HEB)為例進行在本平臺的應用。該并聯(lián)式HEB AVL CRUISE模型如圖5所示，HEB為雙離合單軸并聯(lián)結構，包括發(fā)動機、電機、電池等。驅動電機既是電驅動裝置，又是起動、發(fā)電一體化系統(tǒng)(integrated starter generator, ISG)，電池與電機相連接，通過能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)電量的回收與利用。

圖5 整車模型

車輛動力系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，基于功率解析[9]控制策略如圖6所示，半實物仿真平臺整體結構實物圖如圖7所示。在確保底層驅動接口、數(shù)據(jù)類型及電子油門與制動器歸一化信號解析正確后，即可實現(xiàn)一鍵程序的下載，自動生成的程序如圖8所示。

表1 單軸并聯(lián)混合動力公交車整車參數(shù)

圖6 控制策略模型

圖7 半實物仿真平臺整體結構實物圖

圖8 一鍵下載生成的程序

仿真結果如圖9所示，從圖9(a)可以得出在仿真時間內駕駛員很好地完成路況跟蹤需求。從圖9(b)～(d)可以得出，該工況段內，與離線仿真相比，發(fā)動機轉矩和電機轉矩得到了很好地分配，且發(fā)動機、電機轉矩的波動進一步降低，有利于降低發(fā)動機的啟閉拖動對整車造成的震動及油耗的降低。電機的轉矩變化趨勢也更加平緩，進一步增加了電機的能量利用效率。總體來說，該半實物仿真平臺能較好地模擬 HEV行駛狀態(tài)，為不同控制策略下整車動力性、經(jīng)濟性仿真提供了良好地仿真平臺。

圖9 半實物仿真與離線仿真結果對比圖

表2為駕駛員在環(huán)車輛性能測試與離線仿真得到的整車經(jīng)濟性與動力性的對比情況。由此表可知，經(jīng)RCP測試后，車輛動力性能并未出現(xiàn)下降，百公里綜合油耗與電耗也未出現(xiàn)較大下降，可見經(jīng)調整控制參數(shù)驗證優(yōu)化后的控制策略，滿足設計需求。

表2 整車仿真結果對比

5 結 束 語

開發(fā)了基于MC9S12DG256控制器的快速控制原型系統(tǒng)半實物仿真平臺，硬件系統(tǒng)包括MC9S12DG256控制器，駕駛員模擬器，軟件系統(tǒng)主要包括自行開發(fā)的控制器自動代碼生成編譯工具包及Freemaster實時數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，實現(xiàn)底層驅動和上層策略的代碼自動生成，并直接下載到控制器，實現(xiàn)控制策略代碼的一鍵下載。通過一款并聯(lián)式 HEB控制策略的實時控制實驗，能比較準確地模擬實車特性，驗證了系統(tǒng)的可靠性與實時性。

[1] 李建秋, 田光宇, 盧青春, 陳全世, 歐陽明高. 利用 V型開發(fā)模式研制燃料電池混合動力客車的整車控制器[J]. 機械工程學報, 2005, 41(12): 30-36.

[2] Sampathnarayanana B, Onori S, Yurkovich S. An optimal regulation strategy with disturbance rejection for energy management of hybrid electric vehicles [J]. Automatica, 2014, 50(1): 128-140.

[3] Kang J, Choi W, Kim H. Development of a control strategy based on the transmission efficiency with mechanical loss for a dual mode power split-type hybrid electric vehicle [J]. International Journal of Automotive Technology, 2012, 13(5): 825-833.

[4] 丁榮軍. 快速控制原型技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機車電傳動, 2009, (4): 1-3.

[5] 邢 杰, 何洪文, 孫逢春. 混合動力汽車控制策略硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺[J]. 北京理工大學學報, 2010, 30(8): 887-890.

[6] 王 熠, 何洪文, 張穎琦, 林 逸. 基于CAN網(wǎng)絡的混合動力汽車硬件在環(huán)仿真平臺[J]. 北京理工大學學報, 2011, 31(5): 525-527.

[7] 石琦文, 孫曉民. 基于MATLAB的車用快速控制原型軟件平臺的研究與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與應用, 2004, 13(1): 108-112.

[8] Gans N R, Dixon W E, Lind R, Kurdila A. A hardware in the loop simulation platform for vision-based control of unmanned air vehicles [J]. Mechatronics, 2009, 19(7): 1043-1056.

[9] 浦金歡. 混合動力汽車能量優(yōu)化管理與控制策略研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2004.

The Development of a Rapid Control Prototyping System Platform for Hybrid

Gao Jianping, Ge Jian, Zhao Jingbao, Qiao Hongbing, Xi Jianguo
(Vehicle & Transportation College, Henan University of Science & Technology, Luoyang Henan 471003, China)

To accelerate the developing hybird quickly and shorten the product development cycle, this paper designs a rapid control prototyping system platform for hybrid based on MC9S12DG256, self-developed controller automatic code generation compiler toolkits and Freemaster, which automatically downloads the code compiled with Underlying drivers and the upper control strategy to MC9S12DG256 controller and implement real time communication to vehicle in AVL CRUISE. A simulation experiment proves the validity of this platform. Its low development cost enables its promotion in universities easily.

hybrid electrical vehicle; rapid control prototyping; automatic code generation; real vehcile performance

U 463.2

A

2095-302X(2014)06-0905-07

2014-05-29；定稿日期：2014-07-10

國家“863”基金資助項目(2012AA111603)

高建平(1976-)，男，河南洛陽人，副教授，博士。主要研究方向為新能源汽車整車控制。E-mail：gjpcar@gmail.com