發動機控制器硬件在環仿真測試研究

【摘" 要】文章基于dSPACE和MATLAB/Simulink平臺進行發動機控制器ECU的硬件在環仿真試驗，主要包括起動、高低怠速、軌壓跟隨、噴油等功能測試。通過對多次測試結果進行分析，驗證該平臺可以對發動機軟件進行測試，能夠有效加快研發進度。

【關鍵詞】硬件在環;ECU;dSPACE

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0069-03

Research on HIL of Engine Control Unit

WANG Wenxia，WANG Dejun，BI Guodong，CAO Hongyan，HAN Luyao

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China）

【Abstract】This paper has conducted hardware-in-loop simulation tests of the Engine Controller（ECU）based on the dSPACE and MATLAB/Simulink platforms，which mainly include functional tests such as starting，high and low idle，rail pressure following，and injection. By analyzing the results of multiple tests，it was verified that the platform could test engine software and effectively accelerate development.

【Key words】HIL;ECU;dSPACE

作者簡介

王文霞（1987—），女，高級工程師，碩士，研究方向為發動機電控系統開發和測試;王德軍（1984—），男，高級工程師，碩士，研究方向為傳動系統開發和測試;畢國棟（1996—），男，助理工程師，碩士，研究方向為發動機電控系統開發和測試;曹紅艷（1988—），女，高級工程師，碩士，研究方向為傳動系統開發和測試;韓璐瑤（2000—），女，助理工程師，碩士，研究方向為傳動系統開發和測試。

發動機控制器ECU是發動機電子控制系統的核心，其作用就像人類的大腦，負責檢測、調節、診斷和保護發動機的運行狀態，完成各種參數的采集和對于噴油量、噴油定時的控制，決定整個電控系統的功能。在批量應用前，需要對ECU進行全面測試以保證其能夠可靠安全地控制車輛。硬件在環（HIL）技術利用仿真技術進行控制器實際工作環境的仿真，不受時間和空間的限制，能夠縮短電控單元開發時間，并滿足多種極限工況條件的測試，在ECU功能與診斷測試中得到廣泛應用[1]，可以對控制器進行策略、標定等驗證和優化，提高開發效率和軟件品質。

1" 硬件在環仿真平臺

1.1" 硬件在環仿真原理

HIL仿真也叫半實物仿真，其原理如圖1所示，利用物理模型（Plant Model）來模擬被控對象的運行狀態，IO接口與實時仿真模型連接，實現物理信號和電信號的互相轉換，通過線束將IO硬件接口與被測試的控制器連接。工作時，HIL采集ECU執行器控制信號，并通過物理模型計算相應工況下的傳感器數值，將傳感器信號轉化成電信號輸出給ECU，ECU在不同的傳感器輸入信號下，根據控制策略輸出相應的控制信號，使系統形成一個閉環，從而對被測對象進行全方面、系統測試。

1.2" 某發動機HIL測試平臺

圖2是某型號發動機HIL測試平臺，主要由HIL機柜、負載箱、ECU、線束、上位機PC以及標定設備組成。該測試平臺基于dSPACE的SCALEXIO系統搭建，具有龐大的節點數量和靈活的接口擴展能力，能夠滿足ECU輸入輸出所有類型的功能需求，并能夠進行小電流故障注入和噴油器等大電流故障注入測試[2]。

負載箱主要包括各種執行器以及模擬負載，其中噴油器、油量計量單元、尿素噴嘴、節氣門、EGR等采用真實負載或使用繼電器、功率電阻進行模擬，通過負載箱建立ECU和HIL機柜。

HIL機柜下載發動機HIL模型生成的sdf文件，HIL模型使用MATLAB/Simulink軟件搭建，一般采用發動機平均值模型（Mean Value Engine Model，MVEM），如圖3所示。SoftECU為仿真ECU控制器，可以在沒有真實ECU時，驗證HIL模型能否正常運行。Engine為發動機模型[3]，為整個發動機HIL模型核心，包含燃油、燃燒、進排氣、熱管理等模塊;Drivetrain為傳動系統模型，包含發動機轉速計算、變速器、差速器等模塊;VehicleDynamics為車輛動力學模型，包含阻力和車速計算模塊;Environment為駕駛員模型，包含油門、制動、離合器開度等模塊。

2" ECU HIL測試

2.1" 測試準備

圖4為HIL測試主界面，主要包括電源供電控制、鑰匙開關、擋位控制、儀表盤、噴油數據監測、發動機運行主要參數監測等。

測試前進行測試平臺的搭建和環境準備。首先需要確定使用的HIL平臺，并在上位機PC上打開相應的工程，按照標識連接線束、控制器、負載箱。在上低壓電前需要認真檢查，以防接插件連接錯誤導致燒毀負載。

2.2" HIL測試

ECU HIL測試主要包括ECU基本功能測試、IO測試、故障注入測試、CAN通信測試等[4]。測試環境搭建完成后需進行以下測試：①ECU刷寫測試，刷寫后核對版本號是否正確;②通信測試和標定測試，用標定工具調取變量進行監控，觀察是否正常，調取標定量進行標定，觀察輸出是否正常;③T15重新上電，觀察HIL可編程電源的電流是否正常;④對ECU信息進行監控，觀察是否有故障報出，并讀取故障碼;⑤主要傳感器測試，調取水溫、機油溫度、機油壓力等變量信息，查看信息是否正常。

2.3" 起動測試

起動測試時，在HIL用戶主界面按下起動按鈕2s后松開，記錄檢測數據，記錄監控數據，查看起動是否成功，并記錄起動成功后的轉速、起動狀態變化及同步狀態變化，當一切正常，確認起動成功。起動成功后，在踏板為0的情況下，發動機轉速在低怠速附近。圖5為起動測試時的監控數據。

2.4" 高低怠速測試

起動成功后，觀察低怠速設定值與當前發動機轉速是否吻合，一般轉速偏差不能超過10r/min。觀察3min，低怠速一直穩定，與低怠速設定值相符則認為測試通過。

低怠速過程中，油門踏板開度突變到100%，查看轉速上升、超調的情況。高怠速超調不應過大，轉速穩定后，目標轉速與設定值相符，偏差不超過10r/min則認為高怠速測試通過。發動機高低怠速測試數據如圖6所示。

2.5" 軌壓控制測試

起動成功后，監控并記錄軌壓設定值、實際值及油門開度變化，觀察軌壓跟隨情況，比較設定值和實際值偏差，偏差小于等于10bar則認為測試通過。需求軌壓和實際軌壓情況對比如圖7所示。

2.6" 噴射控制測試

監控并記錄不同轉速下噴油加電時間和提前角控制信號，與HIL采集數據進行比較，偏差在允許范圍內，認為測試通過。圖8為ECU噴油控制噴油器加電時間信號和HIL采集數據。

2.7" 外特性測試

將油門踏板設為100%，在上位機軟件ControlDesk中將發動機工作模式設置為測功機模式，轉速值從低怠速至高怠速，每間隔100r/min記錄一組外特性參數。圖9為外特性測試對比數據截圖，發動機的最大扭矩先是隨著轉速的上升而增大，在1000r/min之后開始隨著轉速的增加而下降，在轉速超過2000r/min后外特性扭矩急劇下降。這樣的測試結果和發動機外特性曲線趨勢吻合。

此外還需進行存E方測試、故障注入測試、后處理功能測試等，利用基于dSPACE平臺的HIL仿真平臺進行自動化測試、路譜回放、典型工況測試、極限工況測試等[5]，能夠有效降低研發成本，加快研發進度。

3" 結論

基于SCALEXIO的發動機硬件在環仿真及調試是一個系統工程，需要對發動機的HIL建模原理和軟件策略熟悉，才能完成整個工程閉環調試。在該平臺上，通過試驗結果分析，該系統能夠滿足ECU軟件測試需求，基于該系統的軟件測試可以提前發現存在問題，避免批量問題流向市場。

參考文獻：

[1] 張晶，崔濤，梁媛媛，等. 電控柴油機典型路面循環硬件在環測試研究[J]. 裝甲兵學報，2022（1）：83-88.

[2] 王德軍，于雙飛，孫夢琪，等. AMT硬件在環仿真測試研究[J]. 汽車電器，2023（4）：69-71.

[3] 王宇. 面向控制的天然氣發動機實時模型與硬件在環研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2023.

[4] 王貴勇，鄧冬榮，趙友，等. 基于FPGA的柴油機電控單元HIL系統IO研究與實現[J]. 昆明理工大學學報（自然科學版），2022，47（5）：78-91.

[5] 李金華，馬子焜，劉佳，等. 船用柴油機電控系統硬件在環測試平臺設計驗證[J]. 智能化與控制，2023，45（2）：10-15.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-03-08