基于實時虛擬儀器的發動機硬件在環仿真信號模擬器

丁會利 高升 肖鋅銘

摘 要：針對目前發動機信號模擬器實時性差、模擬信號類型單一的問題，提出一種基于實時虛擬儀器的發動機硬件在環仿真（HIL）信號模擬器的實現方法。首先闡述了模擬器的總體架構方案;其次給出發動機信號調理的硬件方法，詳述了油門踏板等傳感器的硬件連接;然后以曲軸、凸輪軸信號發生器為例闡述LabView和Simulink混合編程技術在發動機信號軟件模擬中應用;最后給出系統調試結果。該信號模擬器完全滿足實際使用需求。

關鍵詞：硬件在環仿真（HIL）;發動機;信號模擬器;LabView;Simulink

中圖分類號：TM938.7+1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-54-03

Signal Simulator for Motor Hardware-In-Loop Based

on Realtime Virtual Instrument

Ding Huili， Gao Sheng， Xiao Xinming

（ Huayu Automotive System Co.， Ltd， Shanghai 201620 ）

Abstract： For the purpose of solving the weakness in real time and single type of signal in current motor signal simulator， a Hardware-In-Loop signal simulator based on virtual instrument was proposed. In the first place， the general structure was sketched. After that， the hardware design of motor signal processing was introduced by specified in hardware connection of gas pedal and other sensors， and the software design was clarified by illustrating the crankshaft and camshaft signal generating in using LabView and Simulink. Finally the debugging result was given which proved that this signal simulator met the real requirements.

Keywords： Hardware-In-Loop; Motor; Signal Simulator; LabView; Simulink

CLC NO.： TM938.7+1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-54-03

前言

發動機硬件在環仿真（HIL，Hardware-in-Loop）模擬器是集成測試臺架的重要組成部分，它將發動機ECU、傳感器、執行器硬件與發動機模型連接，組成硬件回路進行仿真，該技術可重復性高，極大降低了開發和測試成本。已有的模擬器存在實時性差、模擬信號類型單一、與整車線束對接困難等問題[1-3]。

實時虛擬儀器技術是在以Labview為平臺的傳統虛擬儀器技術的基礎上發展而來。實時虛擬儀器以LabView提供的RTW（Realtime Workshop）為核心，實現了FPGA硬件與Simulink模型的無縫連接，從而能夠模擬各類發動機信號，并滿足實時性要求[4-7]。本文以實時虛擬儀器技術為基礎，介紹發動機硬件在環仿真模擬器的開發方法。

1 硬件在環仿真模擬器總體方案

發動機硬件在環仿真系統由發動機控制器（MSG）、發動機真實執行器、車身傳感器與執行器、駕駛踏板、剎車燈和模擬器組成[8，9]。模擬器通過配線盤來接收和發送發動機信號，并與整車線束連接，是整個系統的核心，用來模擬EA211 1.4T發動機在各個工況下的信號和控制邏輯，其開發步驟如下：

（1）在Simulink平臺下開發發動機模型，通過RTW編譯生成可以實時運行的DLL文件;

（2）在Labview平臺下完成測控主程序與前面板設計;

（3）下位機程序設計，將FPGA端口連接到相應的變量，編譯下載下位機程序;

（4）通過SIT Connection Manager將Labview面板上的控件與模型中的端口連接起來，實現兩者通信。

2 基于FPGA的信號模擬硬件設計

2.1 硬件接口設計

硬件在環仿真模擬器的硬件基礎是NI公司的RIO-7833 FPGA板卡，由于其只能提供統一的3.3V數字IO通道，且端口驅動能力很低，因此需要在FPGA板卡與其他硬件之間加入信號調理電路[9]。

對于數字量信號，采用繼電器驅動方式。運用一個三極管驅動繼電器在GND與Vcc間切換，通過一個單刀雙擲開關還可以靈活的切換輸出的電壓等級。模擬信號采用一片OP07運放組成電壓跟隨器。電壓跟隨器的高輸入阻抗能夠匹配阻抗、提升驅動能力，并隔離現場信號，保護FPGA板卡。脈寬調制（PWM）信號通過反向器來提高驅動能力，反向器輸出端用上拉電阻穩定輸出電壓。反向器比電壓跟隨器的優勢在于建立跳變沿的延時更短。電阻阻值信號用數字電位計實現。

2.2 駕駛踏板接口設計

駕駛踏板包括油門踏板、離合器踏板、制動踏板，需要實現虛擬仿真和真實控制兩種接口。模擬器采用先采集后模擬的方式，三個踏板的電源和地與整車線束直接連接，模擬器采集信號線上的電壓，如果真實踏板無行程電壓信號，則模擬器輸出控制界面上的行程值。油門踏板接口連線方式如圖2所示，兩個通道的信號互為備用。制動踏板和離合器踏板的接法與油門踏板類似，但是離合器踏板還需要向電子穩定系統ESP發送一路由行程控制的脈寬調制信號。

2.3 剎車信號接口設計

模擬器在采集到制動有效信號時，向發動機控制器發送兩個互為相反的自鎖信號BTS、BLS，具體方案是用模擬器發出一個高電平有效的制動信號，通過兩個單刀雙擲繼電器輸出兩路BTS與BLS信號，其連接方式如圖3所示。

3 曲軸凸輪軸信號發生器

3.1 信號特性分析

發動機控制器在上電完成自檢后，只要收到曲軸凸輪軸的脈沖信號即可發動。同時曲軸凸輪軸脈沖也是控制點火時間、傳遞發動機轉速的關鍵信號，因而該信號必須達到高精度、匹配準確和極小的延時誤差的要求。EA211發動機為雙凸輪軸發動機，控制器發送的分別為曲軸信號、進氣凸輪軸信號與排氣凸輪軸信號。

發動機曲軸共有58個齒和兩個缺齒，其旋轉產生的信號為60個周期脈沖，最后兩個周期無高電平。每個脈沖對應曲軸轉過6°，其周期由轉速決定。設發動機轉速為n r/min，則每一個齒的周期為? 。凸輪軸信號為弧度不等的高低脈沖，曲軸每轉兩圈凸輪軸旋轉一圈，共計720°。

3.2 信號發生器的軟件實現

曲軸與凸輪軸信號如果和其他信號一樣通過模型給出，則必須設置較大的仿真步長以達到實時性要求。但是較大的仿真步長會降低信號采集頻率，產生截斷誤差[10]。因此采用模型的方法無法兼顧實時性和準確性，唯一可行的方法是將脈沖調制算法放到下位機的FPGA中去運行，并盡量將不必要的運算和判斷放到模型中，以減少對FPGA資源的占用。

軟件實現的基本思路是：將凸輪軸相位設置為控制量以方便調試，下位機程序分內外兩個循環，以曲軸旋轉720°為一次外循環，旋轉0.1°為一次內循環。這樣循環標號i即為當前轉過的弧度。凸輪軸相位用一個長度為8的數組來控制，內循環通過查表來確定是否需要置反凸輪軸信號。軟件實現的下位機程序框圖如圖4所示。

3.3 調試結果

根據發動機HIL信號模擬器的總體方案，設計完成系統硬件及軟件，并與整車連接進行調試。整車與模擬器使用分離電源，并增加繼電保護;信號調理箱的每個電源與地間增加了470uF的電解鉭電容以消除輸出信號的高頻噪聲;在曲軸、凸輪軸軟件信號發生器中增加延時設置和反相輸出設置

以方便調試，其中曲軸信號必須在凸輪軸信號發生后延時500毫秒發出，發動機方能更加平順地啟動;另外部分傳感器模擬端口的阻抗應與真實傳感器匹配。如圖5為曲軸凸輪軸信號調試結果，結果表明曲軸凸輪軸的脈沖信號符合上述要求。

4 結束語

本文介紹了基于實時虛擬儀器的發動機硬件在環仿真方案，詳細敘述了其硬件和軟件實現方法。硬件在環仿真模擬器充分利用了Simulink建模的便捷性和NI Realtime系統的高實時性，適用于整車廠新車型的整車電器測試，具有測量精度高，實時性好，安全穩定的特點，并能夠方便的與早期的實驗臺架實現兼容對接，達到了該模擬器的設計要求，為后續發動機ECU的研發打下了基礎。

參考文獻

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