基于電機仿真模型AGS HIL測試方法研究

張中君，彭 楊，崔 碩，高 帥

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

隨著生活品質的日益提高，對汽車的舒適性、經濟性有越來越高的要求，進氣格珊不僅影響汽車的美觀性,并且進氣格柵外形和閉合狀態的設計直接影響車輛行駛進氣性及散熱性。主動進氣格柵造價成本低并且可以降低行車過程中的油耗,從而越來越多的汽車制造商加入這一項技術［1］。主動進氣格柵接收發動機的轉速、發動機冷卻液溫度、外部進氣溫度、空調開閉狀態、行駛車速等信號,調節格柵電機的不同角度,達到降低風阻、降低油耗的效果。國內外眾多車型中已經有了主動進氣格柵的應用［2］。

硬件在環測試具有可靠性、便利性，有效地對AGS控制策略的功能進行校驗，避免損失，提高測試開發進度，節省了開發成本，具有較高的經濟效益。

1 AGSHIL基本原理介紹

1.1 AGS系統介紹

圖1為某車型AGS電氣原理示意圖。

圖1 汽車AGS電氣原理圖

主動進氣格柵控制器由微控制器、模擬量采集接口、數字驅動輸出接口、高速CAN總線接口、私有LIN總線接口及供電模塊等組成。AGS能夠使發動機系統更快地進入最好的溫度工作范圍，從而降低了油耗，燃油經濟性得到了很大提高，提升整車的駕駛性能［3］。

主動進氣格柵控制器通過硬線采集車速信號、輸出使能信號、CAN總線接收冷卻液溫度、格珊進氣溫度、空調開閉狀態、發動機的轉速、車速、油門踏板位置等信號以及通過私有LIN總線接收進氣格柵電機狀態、格珊電機位置，控制器進行數據分析和計算，通過私有LIN總線發送格珊電機控制角度，綜合控制電機來調整進氣格柵角度。AGS控制器能夠進行故障診斷和故障處理功能，從而達到故障保護的效果。

1.2 AGSHIL系統介紹

如圖2所示，AGS HIL系統主要包括以下部分：待測AGS、HIL測試設備、上位機軟件、AGS電機模型。

圖2 汽車AGS HIL系統結構圖

HIL機柜根據AGS接口特性與AGS控制器建立映射連接關系，一方面對AGS進行供電控制以及總線信號仿真，另一方面對AGS控制信號進行采集監測。測試界面軟件是基于dSPACE ControDesk軟件環境，實現測試界面開發以及測試實施管理工作。測試模型包括IO接口模型和AGS電機模型兩部分，IO模型實現機柜IO資源的配置管理，AGS電機模型主要建立AGS控制器反饋端模型。

2 AGS HIL測試系統搭建

AGSHIL測試平臺主要包含硬件系統、電機模型、測試界面以及系統調試等4部分。運用MATLAB/Simulink軟件搭建AGS電機仿真模型，dSPACE軟硬件平臺用于AGS控制器測試平臺的搭建。

圖3 AGS電機模型

2.1 硬件系統開發

AGS HIL測試平臺是基于dSPACE仿真系統搭建，dSPACE硬件采用基于PHS的硬件平臺，仿真系統采用DS1006 Processor Board是基于四核AMD OpteronTMx86處理器，處理器運算主頻高達2.8 GHz；資源板卡采用DS2202、DS4330和DS291板卡，DS2202板卡是多通道的IO資源板卡，具有PWM、ADC、DAC、DI、CAN等多種資源仿真通道，DS4330板卡可以對LIN總線進行仿真及監測，DS291板卡通過控制內部繼電器開閉實現對通道的故障注入。故障診斷使用dSPACEDCI-CAN、串口等進行連接。PC通過網線或者光纖與dSPACE仿真平臺連接，實現實時仿真模型的下載及測試的運行管理。

根據AGS接口資源類型和接口參數特性，完成控制器與仿真測試平臺之間的物理連接。

2.2 仿真模型開發

仿真模型的開發主要包括兩部分：IO模型開發和AGS電機模型開發。

2.2.1 IO模型開發

IO模型其主要作用是對dSPACE機柜的硬件輸入輸出接口進行配置，實現與控制器的信號交互，并通過RTICANMM、RTILINMM模塊配置CAN、LIN總線實現總線通信功能。

2.2.2 AGS電機模型開發

根據主動進氣格柵的功能邏輯，進行AGS電機模型的搭建，通過電機仿真模型，實現控制器的閉環控制功能。AGS電機仿真模型包含以下幾個部分：接收控制器控制信號模型、電機邏輯模型、電機狀態反饋模型、故障注入模型等。根據功能邏輯需求，通過電機控制信號及所需反饋信號，與控制器完成閉環控制功能。完成AGS電機模塊開發，得到主動進氣格柵控制電機模型如圖3所示。

AGS電機模型具有上電初始化功能，即收到使能信號后，執行器位置反饋位置信號從0運行到100，再從100運行到0，并且所有反饋信號均無故障。模型運行結果與預期輸出結果保持一致，此模型初始化確認無誤，初始化運行結果如圖4所示。

控制器發送調節AGS電機模型角度，AGS根據策略反饋相應的角度，如分別設置控制器發送控制器角度為5%、10%、20%、50%、85%、95%、100%，模型反饋角度分別為5%、10%、20%、50%、85%、95%、100%，與設計規范一致，運行數據如表1所示。

AGS電機模型內部設置有內部堵轉接口，可以實現對電機角度任意值設置及電機保持力矩反饋、移動狀態反饋、校準有源反饋、機械故障反饋、塊檢測反饋、電氣誤差反饋、欠壓誤差反饋、過電壓誤差的反饋、溫度誤差的反饋等進行故障設置。

2.3 上位機管理界面開發

為了提供人機交互接口對測試樣機控制及監控，需要開發工程師測試界面。應用dSPACE ControlDesk軟件進行測試管理界面的搭建。MATLAB／Simulink模型是通過ControlDesk軟件進行下載到機柜中，并可以實現硬件管理、數據監控、變量管理和參數設置［4］。

圖4 AGS電機初始化離線仿真圖

表1 AGS電機控制反饋角度

圖5為上位機測試管理界面。為了使測試操作界面更方便測試工程師操作，操作界面由以下部分組成：電源控制、駕駛員操作、車輛狀態控制、空調狀態控制。在不同模塊下實現對AGS所需信號的輸入及控制輸出的采集。

CAN總線的仿真及監控是在CAN通信管理界面下進行操作的，LIN總線的仿真及監控是在LIN通信管理界面下進行操作的。利用ControlDesk當中的CAN Monitor監控各個節點之間的通信信息。可以測試接收和發送的報文是否與通信協議中一致。

通過Plotter可以實時顯示并采集相應的總線、硬線信號曲線，此采集區域可以進行信號時間相關數據采集。

圖5 上位機測試管理界面

2.4 仿真測試系統調試

主動進氣格柵與機柜完成硬線連接、模型完成開發，進行開環調試工作，確保控制器輸出控制器信號及需要輸出的反饋信號準確無誤，確保AGS控制器有一個準確可靠的測試環境。

3 測試開發及試驗驗證

3.1 仿真測試開發

3.1.1 功能測試開發

根據主動進氣格柵功能規范、實際遇到的問題、相關標準等，設計合理并且覆蓋度高的功能測試用例，確保測試全面有效。其中測試用例的設計采用等價類劃分、邊界值分析、因果圖法、流程圖法、功能驅動法、經驗測試法等多種方法融合互補［5］。

功能測試用例測試內容需要覆蓋：AGS正向和反向功能驗證，各種功能和性能邊界條件的測試，網絡交互測試，以及電壓適應性、電源管理功能測試、掉電復位工況、極限工況性能測試等幾方面。

3.1.2 故障診斷測試開發

根據主動進氣格柵診斷規范、DTC故障碼列表等，設計相關的故障診斷測試用例，其中包含電氣類故障和總線類故障。

電氣故障主要包括控制器與傳感器、負載之間開路或短路故障，總線類故障主要是報文超時或者丟失類故障。測試用例內容需要覆蓋：電氣故障工況模擬 （開路、短路到電、短路到電源、線束間互短）、網絡通信故障模擬（Invalid，高負載、CRC錯誤、滾碼計數器錯誤、丟幀模擬、節點丟失、BUS OFF等）、控制器診斷故障碼DTC記錄策略驗證以及診斷功能測試。

3.2 測試結果驗證

3.2.1 功能測試結果驗證

基于構建的AGS HIL測試平臺，實現對AGS功能的測試。此小節主要對邏輯功能及網絡功能進行驗證。

此AGS包含一路CAN通信，是在動力CAN網段，此節點主要與發動機節點、空調節點進行通信交互，AGS與發動機在同一網段直接進行通信，空調節點總線信息通過網關進行轉發到動力網段。利用測試管理界面中的總線監控界面，測試各個節點的總線通信信息。測試AGS控制器收發的總線的報文是否與通信協議一致。圖6為發動機節點發送給AGS的一幀報文。通過圖6對比通信協議可以看出，此報文與協議設計報文的ID、數據長度、信號位分布等信息均保持一致，符合測試要求。

AGS基礎角度功能測試，設置發動機信號與空調信號為查表參數，經過對比控制器控制電機角度與表格一致，符合測試要求。

表2為AGS控制角度。在基礎角度基礎上分別測試進氣溫度補償控制、低速補償控制、減速補償控制、暖機控制等功能。如設置發動機水溫為83℃，電機基礎角度為90%，進氣溫度為40℃，電機無角度補償，設置車速為0 km／h、10 km／h、20 km／h、30 km／h、50 km／h，電機理論補償角度分別為40%、30%、20%、20%、20%，理論控制角度為50%、60%、70%、70%、70%，根據讀取總線數據得出AGS控制器發送的AGS電機角度控制為51%、59%、70%、70%、69%，電機模型反饋角度分別為51%、59%、70%、70%、69%。此數據在誤差范圍內，符合測試要求。

圖6 CAN交互功能測試

表2 AGS控制角度

3.2.2 故障診斷測試結果驗證

對控制器進行故障配置，可以控制故障的觸發及恢復。此節點的電氣故障有使能信號為故障檢測引腳，功能故障包含CAN總線網絡仿真故障和模型中配置的AGS電機堵轉、位置無效等故障。

通過測試管理軟件進行控制的故障設置及恢復，通過dSPACEDCI-CAN工具讀取AGS控制器的故障碼。故障診斷如圖7所示。

圖7 故障診斷示意圖

如AGS初始化成功，處于查表水溫為89℃，此時AGS控制器發送電機展開角度為60%，此時模型電機參數為展開60%，此時設置查表水溫為83℃，AGS控制器發送電機展開角度為90%，此時在模型中設置電機角度保持60%不變，AGS控制器嘗試發送4次角度更變后，停止發送角度變化信號，此時AGS控制器不再發生相應其他的控制器信號，保持現狀，并且通過診斷工具可以通過19診斷服務，讀到相應的診斷故障碼為電機堵轉故障（故障碼：856F00）。對比測試結果與設計規范一致，符合測試要求。診斷工具讀取故障碼如圖8所示。

圖8 故障碼讀取示意圖

4 結論

本文通過搭建AGS電機仿真模型，基于dSPACE軟硬件HIL測試平臺，搭建了AGS HIL測試平臺，闡述了AGS HIL驗證的技術和方法。通過分析主動進氣格柵的功能策略及測試結果分析，實現了對主動進氣格柵角度控制及多種故障下的診斷測試。功能及故障診斷測試表明AGS HIL測試縮短了AGS開發設計周期，降低了AGS開發成本，同時為后續實車驗證提供了反饋驗證的條件。