基于d SPACE的純電動客車VCU硬件在環仿真測試

陳順東，李 韌

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051）

近年來，硬件在環仿真HILS（Hardware in the Loop Simulation）技術已經成為國內外汽車工程師研發過程中的必備環節，特別是在車輛電子控制系統開發過程中越來越被廣泛應用。汽車安全性要求高，汽車相關控制系統必須安全可靠，特別是在各種極端環境下的安全可靠更為重要[1-2]。由于種種原因，如極限測試、失效測試或在真實環境中測試費用較昂貴等使測試難以進行，而硬件在環的實時仿真技術，把開發的待驗證的實際樣機，利用計算機接口嵌入到硬件在環仿真環境中，并要求軟硬件實時運行，從而模擬整個系統的運行狀態[3]。dSPACE是由德國dSPACE公司開發的一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發和測試的設備，采用其開發的HILS系統與待測樣機構成硬件在環仿真系統，模擬各種運行情況測試，從而縮短開發周期、減少費用支出[4]。

1 dSPACE軟硬件架構及其純電動客車VCU硬件在環系統

dSPACE公司應用Matlab/Simulink根據用戶要求實現軟件建模，并根據數學模型和軟件仿真驗證系統模型的正確性[5]。如圖1所示，其中包括電子油門、剎車踏板模型、CAN通訊模型[6]、氣路系統模型、駕駛員模型、整車空氣動力模型、電機驅動模型等。然后將模型生成軟件代碼下載到d SPACE硬件和待測樣機結合，模擬各種極端狀況下的實時工況，測試樣機的穩定性和安全性[7]。

dSPACE硬件主要由DS1006核心主控板、DS2211I/O板、DS814通訊接口板、CAN通訊接口板、故障注入板卡、負載板卡、電源等構成。其中DS1006核心板采用AMD OpteronTM處理器，主頻在2.6 GHz；包含3個通用定時器；通過PHS總線連接各種dSPACE的I/O板卡，總線速度為20 MB/s；包含RS232串行接口，速度為115.2 kbit/s；完全支持 Simulink 編程等[8-10]。

根據整車控制單元VCU（Vehicle Control Unit）的功能要求并充分考慮到純電動客車的使用環境，在實驗室環境下，搭建基于dSPACE的HILS平臺，實物照片如圖2所示。其中主要包括VCU、dSPACE硬件在環平臺（包含BOB－Break-Out-Box）、上位機、純電動車用儀表。

如圖3為其連接方式：VCU的接口連接到短路故障注入盒BOB，其中包括整車控制器的電源、輸入、輸出和CAN通訊等；BOB的另一端接到dSPACE硬件在環平臺；dSPACE硬件在環平臺再通過DS814通訊接口板連接到上位機；車用儀表通過CAN連接到BOB和整車其它設備通訊，實時顯示車速、電機轉速、電壓、電流等信息，由dSPACE上位機界面Control Desk對dSPACE硬件在環平臺進行實時開環控制或路譜在環實驗等。

2 測試流程和結果分析

根據VCU設計構想，最終采用了完整的路譜循環測試方案，具體操作如下：

首先驗證有VCU控制的整車的上電邏輯，上電完成后，由dSPACE上位機加載路譜信息，dSPACE的軟件駕駛員模型根據路譜信息得到需求的車速，再計算出實時需求電子油門和剎車踏板位置信息，通過模擬信號接到VCU硬件接口，VCU通過內部A/D采集踏板信息，通過程序對踏板位置處理后，將踏板位置轉換為相應的扭矩信息，通過CAN網絡發送給dSPACE。dSPACE軟件根據整車空氣動力模型和電機驅動模型等計算得到實際運行車速和電機轉速。dSPACE內部集成氣路系統模型，氣路模型把氣壓信息發送給VCU，由VCU根據氣壓閾值判斷并控制氣動系統的起停。

按照以上測試流程，對VCU的功能逐一驗證。首先驗證了整車的上電邏輯，符合要求。上電驗證完成后，實施路譜自動循環實驗，如圖4所示。從圖4中可以看出，車速跟隨較好，整車在起步加速階段速度跟隨稍顯滯后，這與模擬整車滿載工況設置的阻力系數偏大有關；變速行駛階段速度跟隨基本一致，動態響應性能完全滿足實車需求。

圖5-圖7分別為實時電子油門踏板位置、實時電子剎車踏板位置和VCU通過CAN發送實時扭矩。從圖中可以看出，與給定車速變化對應油門、剎車踏板位置變化和VCU采集到踏板位置處理后發送的實時扭矩信號的變化。圖7中負扭矩為剎車踏板動作后，VCU通過CAN網絡發送的實時制動扭矩。

3 結束語

本文詳細論述了基于dSPACE的純電動客車VCU硬件在環仿真測試系統，從理論上闡述了測試系統的可行性和必要性。通過搭建適用VCU的dSPACE HILS平臺，制定詳細的測試實驗流程，并進行實時路譜在環測試。試驗結果驗證了VCU樣機的性能，利用此平臺大大縮短了VCU開發周期，節省了VCU實車測試的成本。

[1]朱輝，王麗清，程昌圻，等.硬件在環仿真系統的軟硬件基礎[J].小型內燃機，1998，27（6）

[2]陳建松，陳南，殷國棟，等.基于dSPACE的4WS車輛硬件在環控制仿真研究[J].系統仿真學報，2010，22（7）

[3]楊滌，李立濤，楊旭，等.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京:清華大學出版社，2002.

[4]諸自強.現代電動車、電機驅動及電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[7]盧子廣，柴建云，王祥珩，等.電力驅動系統實時控制虛擬實驗平臺[J].中國電機工程學報，2003，（4）

[8]dSPACE,Hardware-in-the-Loop(HIL)Technology[J].Shanghai:dSPACE GmbH，2011.

[9]dSPACE,dSPACE Real-time Interface Imlementation Guide[J].Shanghai:dSPACE GmbH,2004.

[10]北京九州恒潤科技有限公司.實時快速原型及硬件在環回路仿真的一體化解決途徑[DB/OL].（2003-01-01）[2012-03-05].http://www.doc88.com/p-684300846312.html