基于dSPACE的純電動汽車實驗平臺設(shè)計

張正中，周梅芳

(金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321007)

當前，由于全球面臨著大氣污染和能源短缺的危機，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)。而其中的純電動汽車為代用燃料汽車，是研究和開發(fā)的一個重點[1]。

在純電動汽車的開發(fā)過程中，仿真技術(shù)在設(shè)計過程內(nèi)具有重要的作用，其縮短設(shè)計周期，降低研制費用，提高汽車的性能[2]。同時，在純電動汽車研發(fā)階段，引用 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）作為替代純電動汽車整車真實環(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)中的許多復雜建模難題[3]，從而可以將純電動汽車控制系統(tǒng)設(shè)計軟件（如MATLAB/Simulink）開發(fā)的控制算法，在一個實時的硬件平臺上實現(xiàn)，以便觀察與實際的控制對象相連時，控制算法的性能。如果控制算法不理想，還可以很快地進行反復設(shè)計，反復試驗，直到找到理想的控制方案。

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

本文通過應用dSPACE實時仿真系統(tǒng)，一體化解決純電動汽車在HILS和RCP應用時的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。dSPACE可以運用于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無縫連接。

1 dSPACE系統(tǒng)一體化解決途徑

dSPACE實時仿真系統(tǒng)，是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實現(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象之間，搭建起一座實時的橋梁。讓控制工程師將全部精力放在控制算法的研究和試驗上，從而開發(fā)出最適合控制對象或環(huán)境的控制方案。與傳統(tǒng)的開發(fā)流程相比，基于dSPACE的實時仿真系統(tǒng)有著不可比擬的優(yōu)勢，如表1所示。

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

要實現(xiàn)電動汽車快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計、離線仿真、實時開發(fā)及測試工具。dSPACE實時系統(tǒng)允許反復修改模型設(shè)計，進行離線及實時仿真。這樣，就可以將錯誤及不當之處，消除于設(shè)計初期，使設(shè)計修改費用減至最小。

使用RCP技術(shù)，可以在費用和性能之間進行折衷。還可在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細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)與所要控制的實際設(shè)備相連，可以反復研究使用不同傳感器及驅(qū)動機構(gòu)時系統(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

當應用于電動汽車研發(fā)的新型控制系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型控制器，需要在閉環(huán)下對其進行詳細測試。但由于種種原因，如極限測試、失效測試，或在真實環(huán)境中測試費用較昂貴等，使測試難以進行。例如：在積雪覆蓋的路面上，進行電動汽車防抱死裝置（ABS）控制器的測試，就只能在冬季有雪的天氣進行；有時為了縮短開發(fā)周期，甚至希望在控制器運行環(huán)境不存在的情況下（如：控制對象與控制器并行開發(fā)），對其進行測試。此時可以應用dSPACE實時仿真系統(tǒng)的HIL仿真解決這一問題。

圖2 電動汽車ECU硬件在回路仿真架構(gòu)

當前，許多控制工程師都把HILS仿真作為替代真實環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法。在HILS仿真中，實際的控制器和用來代替真實環(huán)境或設(shè)備的仿真模型，一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)，難以建立數(shù)學仿真模型的部件（如液壓系統(tǒng)）可以保留在閉環(huán)中，這樣就可以在實驗室環(huán)境下，完成對電動汽車ECU的測試，從而可以大大降低開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期。電動汽車ECU硬件在回路仿真架構(gòu)如圖2所示。

2 基于dSPACE的電動汽車實時仿真系統(tǒng)

對電動汽車而言，汽車的舒適性、效率及安全性，相當依賴于實現(xiàn)動力系控制、防抱死剎車系統(tǒng)、牽引控制等的電控單元的性能。ECU的軟件也越來越復雜，以至于在開發(fā)的早期，就需進行詳細測試。如果用真實的汽車對新的ECU進行測試，既昂貴又消耗時間,特別是進行一些極限環(huán)境下的測試，如積雪覆蓋的路面上的小摩擦測試，就只能局限于冬季的幾個月。而且用真實汽車進行測試存在可重復性差、不能復現(xiàn)同一測試條件等缺點。硬件在回路仿真這種技術(shù)，允許在測試臺上重復進行測試，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，針對具體的電動汽車控制目標（如電動汽車ABS控制器測試）進行具體功能分析設(shè)計后，在MATLAB/Simulink中進行開發(fā)，通過快速原型設(shè)備中的I/O轉(zhuǎn)化生成目標實時代碼。然后通過與電動汽車標定后的硬件進行實時的硬件在回路仿真。

圖3 基于dSPACE的電動汽車實時仿真系統(tǒng)建立

為了與真實的電動汽車一樣給ECU提供I/O信號，整個模型的仿真必須在1 ms步長內(nèi)執(zhí)行完畢（小于ABS控制器的采樣時間）。在仿真最復雜的電動汽車配置和操縱時，也能使步長小于1 ms，仿真任務由5個TMS320C40 DSP聯(lián)合進行。主DSP負責計算驅(qū)動軌跡模型；用2個DSP來建立軸系；其他2個DSP向4個從處理器寫入141個信號，讀取175個信號。5個DSP并行，在不同配置下，模型的仿真執(zhí)行時間從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。

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

圖4 電動汽車ABS控制硬件在回路設(shè)置

利用TRACE和COCKPIT，可以在試驗過程中對仿真器進行深一步的觀測。通過COCKPIT虛擬儀表可用條圖，標尺及數(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，可以方便地修改參數(shù)，如摩擦系數(shù)等。

在測試結(jié)束后，有57個信號的實時數(shù)據(jù)，被傳送到MATLAB工作區(qū)。盡管對實驗分析來說這些數(shù)據(jù)已夠多的了，但想獲得較為直觀的汽車運動情況是很困難的。因此HIL仿真器上配置了Real Motion三維動畫程序。在試驗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，從而允許對極限情況進行仔細分析。

3 結(jié)束語

利用dSPACE提供的一體化解決途徑開發(fā)平臺，在電動汽車試驗開發(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)計和調(diào)試。同時，能快速地將控制算法在實時硬件平臺上實現(xiàn)。基于dSPACE的電動汽車實驗臺系統(tǒng)，能實現(xiàn)大部分電動汽車的實驗并具有良好的運行效果，所使用的dSPACE快速控制原型構(gòu)造簡單、在線調(diào)參方便，采用這種基于dSPACE的電動汽車實驗臺系統(tǒng)設(shè)計方法，大大縮短電動汽車控制算法實驗的周期。

[1]張翔，錢立軍，張炳力，趙 韓.電動汽車仿真軟件進展[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(8)：1621-1623.

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

[3]馬培蓓，吳進華，紀 軍，徐 新.dSPACE實時仿真平臺軟件環(huán)境及應用[J].系統(tǒng)仿真學報，2010，16(4)：667-671.

[4]胡 浩，徐國卿，朱陽.基于dSPACE的電動車動力系統(tǒng)仿真[J].機電一體化，2009，16(4)：65-68.

[5]恒潤科技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平臺實時快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑[Z].北京:恒潤科技公司，2005.