混合動(dòng)力汽車快速控制原型系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā)

高建平， 葛 堅(jiān)， 趙金寶， 喬宏冰， 郗建國

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

混合動(dòng)力汽車快速控制原型系統(tǒng)仿真平臺(tái)開發(fā)

高建平， 葛 堅(jiān)， 趙金寶， 喬宏冰， 郗建國

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

為加快混合動(dòng)力汽車控制策略的開發(fā)進(jìn)度，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計(jì)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(dòng)代碼生成編譯工具包及Freemaster實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件構(gòu)成的混合動(dòng)力汽車控制策略快速控制原型系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，將底層驅(qū)動(dòng)與上層控制策略模型一鍵下載到MC9S12DG256控制器，實(shí)現(xiàn)模型到代碼的自動(dòng)下載，并能與AVL CRUISE 中車輛信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的串口通信。針對(duì)一款并聯(lián)式混合動(dòng)力客車進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果能較好地模擬實(shí)車特性，驗(yàn)證了該仿真平臺(tái)的有效性，其開發(fā)成本低廉，易在高校中推廣。

混合動(dòng)力汽車；快速控制原型；自動(dòng)代碼生成；實(shí)車特性

隨著混合動(dòng)力汽車(hybrid electrical vehicle, HEV)控制策略開發(fā)的深入推進(jìn)，純仿真不能體現(xiàn)控制策略的實(shí)時(shí)狀態(tài)，而實(shí)車實(shí)驗(yàn)處于車輛V模式開發(fā)的后期[1-3]。半實(shí)物仿真平臺(tái)將HEV部分硬件放在仿真環(huán)境中進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比純仿真更接近實(shí)際，從而提高控制策略的可靠性，縮短開發(fā)周期，因此半實(shí)物仿真平臺(tái)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(shí)時(shí)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái)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(dòng)下載，但其駕駛員模型采用PID控制，并未采用真實(shí)駕駛員操作，減弱了駕駛員對(duì)仿真結(jié)果的影響。王熠等[6]開發(fā)的基于Matlab/xpc平臺(tái)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，成本低、系統(tǒng)構(gòu)建方便，但不能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整控制參數(shù)，并受限于控制模塊的復(fù)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(shí)物仿真平臺(tái)，需要引入實(shí)時(shí)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)整車數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(dòng)代碼生成編譯工具包及Freemaster實(shí)時(shí)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(shí)物仿真平臺(tái)。利用模塊化的底層驅(qū)動(dòng)包與 HEV控制策略相連接，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)和上層策略的代碼自動(dòng)生成，并直接下載到控制器，實(shí)現(xiàn)控制策略的一鍵下載。通過搭建的人機(jī)在環(huán)車輛仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制策略與車輛模型的半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，借助于在線調(diào)整控制參數(shù)界面實(shí)現(xiàn)控制策略的調(diào)整與優(yōu)化。

1 總體設(shè)計(jì)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(dòng)代碼生成技術(shù)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(shí)際被控對(duì)象，進(jìn)行控制算法的實(shí)物驗(yàn)證?？焖倏刂圃拖到y(tǒng)應(yīng)具有快速性、有效性等特點(diǎn)。硬件方面應(yīng)選擇汽車電子開發(fā)過程中常用的設(shè)備及控制器作為實(shí)驗(yàn)載體，研發(fā)人員無需額外添置昂貴的硬件設(shè)備，便可獲得穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)硬件。軟件系統(tǒng)方面應(yīng)具備一鍵代碼生成、實(shí)時(shí)性，可靠性以及易于維護(hù)性等功能，考慮到該平臺(tái)主要用于科研，因此還應(yīng)具備較高的性價(jià)比。

針對(duì)以上要求，HEV半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示，主要包括駕駛員，電子油門踏板，電子制動(dòng)踏板，MC9S12DG256控制器以及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件。

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)需求

引入人機(jī)在環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)踏板，實(shí)現(xiàn)真實(shí)駕駛員的操作。針對(duì)HEV開發(fā)的特點(diǎn)，路況作為控制策略實(shí)驗(yàn)的工況，只有前進(jìn)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(dòng)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(yàn)工況及車輛動(dòng)力結(jié)構(gòu)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(hào)，分別是油門踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)，因此需要加入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即控制器至少需兩路的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊；車輛信息與控制策略是通過串口通信實(shí)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(duì)該平臺(tái)對(duì)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(shè)備的硬件需求，其成本較為低廉，防干擾能力強(qiáng)，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(tái)對(duì)硬件的選型需求，為此，選擇該控制器作為平臺(tái)控制器。

3 軟件設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括在線調(diào)整控制參數(shù)界面、自動(dòng)代碼生成編譯工具包和實(shí)時(shí)車輛平臺(tái)三部分。

(1) 基于Freemaster的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測與調(diào)整平臺(tái)。Freemaster是飛思卡爾公司一款優(yōu)秀的免費(fèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，該軟件不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以在線調(diào)整需要修改的數(shù)據(jù)。Freemaster實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控時(shí)，不會(huì)給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示帶來問題，本平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，在其固有的通信程序中加入要修改和調(diào)整的參數(shù)，F(xiàn)reemaster就零干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(background debugging mode, BDM)實(shí)現(xiàn)Freemaster與控制器的實(shí)時(shí)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(diào)整控制參數(shù)界面。

(2) 自動(dòng)代碼生成編譯工具包的建立。優(yōu)秀的快速控制原型平臺(tái)，只需一鍵即可實(shí)現(xiàn)由Simulink模型到代碼的下載。為實(shí)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(dòng)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(zhuǎn)換模塊等，如圖3(a)所示。自動(dòng)代碼生成編譯工具包的建立使整個(gè)平臺(tái)集被控對(duì)象建模、控制器底層驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)仿真、實(shí)時(shí)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(diào)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(jìn)行接口設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)對(duì)油門信號(hào)和制動(dòng)器信號(hào)的采集，將ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與控制策略的油門與制動(dòng)信號(hào)連接，并將輸入信號(hào)歸一化處理，實(shí)現(xiàn)油門信號(hào)與制動(dòng)器信號(hào)的解析；為實(shí)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(qū)動(dòng)SCI模塊與控制策略接收參數(shù)相連，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jìn)行不同數(shù)據(jù)類型的設(shè)置與添加。具體接口設(shè)置如圖3(c)所示。

圖2 Freemaster在線調(diào)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(jì)算能得到離線仿真結(jié)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(qū)動(dòng)集成界面，控制器連接Freemaster的BDM背景調(diào)試器，將控制模型自動(dòng)生成設(shè)定類型的控制代碼，并轉(zhuǎn)到Codewarrior IDE中，經(jīng)過編譯自動(dòng)下載到控制器。在Matlab/Simulink中，針對(duì)所選控制器的硬件驅(qū)動(dòng)模塊的特點(diǎn)，可利用S函數(shù)和TLC編譯器，編寫特定的硬件驅(qū)動(dòng)模塊庫。并根據(jù)RTW代碼生成文件的控制條件進(jìn)行相關(guān)文件的編寫設(shè)置，設(shè)置控制器的基本工程文件，以實(shí)現(xiàn)代碼的加載。該驅(qū)動(dòng)包的建立不僅實(shí)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(tái)自動(dòng)代碼生成編譯工具包實(shí)時(shí)生成代碼原理如圖 4所示。

(3) 基于AVL CRUISE 實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛模型平臺(tái)。傳統(tǒng)的快速控制原型開發(fā)平臺(tái)，在控制策略未得到驗(yàn)證前，就加入真實(shí)的被控對(duì)象或者具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，造成一定的危險(xiǎn)性，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)價(jià)格又比較昂貴[8]。為實(shí)現(xiàn)安全、低成本的開發(fā)HEV仿真平臺(tái)，本平臺(tái)采用AVL CRUISE軟件作為實(shí)時(shí)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(diǎn)，而且其具有的INTERFACE接口更具有實(shí)時(shí)傳遞信號(hào)的功能。本平臺(tái)采用Matlab/instrument control toolbox的串口模塊與AVL CRUISE的INTERFACE實(shí)時(shí)接口模塊，實(shí)現(xiàn)控制器與車輛模型之間信號(hào)的實(shí)時(shí)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(dòng)機(jī)加載信號(hào)、電機(jī)加載信號(hào)、離合器開閉信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)信號(hào)，經(jīng) AVL CRUISE仿真計(jì)算，將車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電池SOC等參數(shù)通過串行接口發(fā)送給控制策略，實(shí)現(xiàn)控制策略與車輛模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

圖4 自動(dòng)代碼生成原理圖

4 HEV半實(shí)物仿真平臺(tái)的應(yīng)用

以一款并聯(lián)式混合動(dòng)力客車(hybrid electric bus, HEB)為例進(jìn)行在本平臺(tái)的應(yīng)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(jié)構(gòu)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)既是電驅(qū)動(dòng)裝置，又是起動(dòng)、發(fā)電一體化系統(tǒng)(integrated starter generator, ISG)，電池與電機(jī)相連接，通過能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電量的回收與利用。

圖5 整車模型

車輛動(dòng)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(shí)物仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖7所示。在確保底層驅(qū)動(dòng)接口、數(shù)據(jù)類型及電子油門與制動(dòng)器歸一化信號(hào)解析正確后，即可實(shí)現(xiàn)一鍵程序的下載，自動(dòng)生成的程序如圖8所示。

表1 單軸并聯(lián)混合動(dòng)力公交車整車參數(shù)

圖6 控制策略模型

圖7 半實(shí)物仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖8 一鍵下載生成的程序

仿真結(jié)果如圖9所示，從圖9(a)可以得出在仿真時(shí)間內(nèi)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(nèi)，與離線仿真相比，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩得到了很好地分配，且發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)進(jìn)一步降低，有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的啟閉拖動(dòng)對(duì)整車造成的震動(dòng)及油耗的降低。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化趨勢也更加平緩，進(jìn)一步增加了電機(jī)的能量利用效率?？傮w來說，該半實(shí)物仿真平臺(tái)能較好地模擬 HEV行駛狀態(tài)，為不同控制策略下整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真提供了良好地仿真平臺(tái)。

圖9 半實(shí)物仿真與離線仿真結(jié)果對(duì)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(jì)性與動(dòng)力性的對(duì)比情況。由此表可知，經(jīng)RCP測試后，車輛動(dòng)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(diào)整控制參數(shù)驗(yàn)證優(yōu)化后的控制策略，滿足設(shè)計(jì)需求。

表2 整車仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 束 語

開發(fā)了基于MC9S12DG256控制器的快速控制原型系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，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(dòng)代碼生成編譯工具包及Freemaster實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)和上層策略的代碼自動(dòng)生成，并直接下載到控制器，實(shí)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(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)，能比較準(zhǔn)確地模擬實(shí)車特性，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性。

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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(xiàng)目(2012AA111603)

高建平(1976-)，男，河南洛陽人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)樾履茉雌囌嚳刂啤-mail：gjpcar@gmail.com