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        基于dSPACE的純電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        2011-06-23 03:02:16張正中周梅芳
        裝備制造技術(shù) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:控制算法原型電動(dòng)汽車(chē)

        張正中,周梅芳

        (金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 金華 321007)

        當(dāng)前,由于全球面臨著大氣污染和能源短缺的危機(jī),汽車(chē)發(fā)展重心已經(jīng)由原來(lái)的燃油汽車(chē)轉(zhuǎn)向新能源汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)。而其中的純電動(dòng)汽車(chē)為代用燃料汽車(chē),是研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)[1]。

        在純電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程內(nèi)具有重要的作用,其縮短設(shè)計(jì)周期,降低研制費(fèi)用,提高汽車(chē)的性能[2]。同時(shí),在純電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)階段,引用 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation)作為替代純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法,能夠提高仿真的逼真性,解決以前存在于系統(tǒng)中的許多復(fù)雜建模難題[3],從而可以將純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件(如MATLAB/Simulink)開(kāi)發(fā)的控制算法,在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),以便觀(guān)察與實(shí)際的控制對(duì)象相連時(shí),控制算法的性能。如果控制算法不理想,還可以很快地進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì),反復(fù)試驗(yàn),直到找到理想的控制方案。

        另外,在純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的初期階段,通過(guò)快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)快速地建立電動(dòng)汽車(chē)中控制對(duì)象原型及控制器模型,并對(duì)設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)進(jìn)行多次離線(xiàn)的及在線(xiàn)的試驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性。

        本文通過(guò)應(yīng)用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),一體化解決純電動(dòng)汽車(chē)在HILS和RCP應(yīng)用時(shí)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。dSPACE可以運(yùn)用于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及測(cè)試的工作平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無(wú)縫連接。

        1 dSPACE系統(tǒng)一體化解決途徑

        dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)環(huán)境下的開(kāi)發(fā)及測(cè)試工作平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無(wú)縫連接。其中包括硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩大部分[4]。

        通過(guò)dSPACE提供的各種I/O板,在原型控制算法和控制對(duì)象之間,搭建起一座實(shí)時(shí)的橋梁。讓控制工程師將全部精力放在控制算法的研究和試驗(yàn)上,從而開(kāi)發(fā)出最適合控制對(duì)象或環(huán)境的控制方案。與傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程相比,基于dSPACE的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì),如表1所示。

        表1 基于dSPACE開(kāi)發(fā)流程與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程的對(duì)比

        要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)快速控制原型,必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計(jì)、離線(xiàn)仿真、實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)及測(cè)試工具。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許反復(fù)修改模型設(shè)計(jì),進(jìn)行離線(xiàn)及實(shí)時(shí)仿真。這樣,就可以將錯(cuò)誤及不當(dāng)之處,消除于設(shè)計(jì)初期,使設(shè)計(jì)修改費(fèi)用減至最小。

        使用RCP技術(shù),可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷。還可在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前,仔細(xì)研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問(wèn)題。通過(guò)將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實(shí)際設(shè)備相連,可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)的性能特征。而且,還可以利用旁路(BYPASS)技術(shù),將原型電控單元(ECU:Electronic Control Unit)或控制器集成于開(kāi)發(fā)過(guò)程中,從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉(zhuǎn)換[5],快速原型控制過(guò)程如圖1所示。

        圖1 快速原型控制過(guò)程

        當(dāng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)的新型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束,并已制成產(chǎn)品型控制器,需要在閉環(huán)下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。但由于種種原因,如極限測(cè)試、失效測(cè)試,或在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試費(fèi)用較昂貴等,使測(cè)試難以進(jìn)行。例如:在積雪覆蓋的路面上,進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)防抱死裝置(ABS)控制器的測(cè)試,就只能在冬季有雪的天氣進(jìn)行;有時(shí)為了縮短開(kāi)發(fā)周期,甚至希望在控制器運(yùn)行環(huán)境不存在的情況下(如:控制對(duì)象與控制器并行開(kāi)發(fā)),對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)可以應(yīng)用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的HIL仿真解決這一問(wèn)題。

        圖2 電動(dòng)汽車(chē)ECU硬件在回路仿真架構(gòu)

        當(dāng)前,許多控制工程師都把HILS仿真作為替代真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法。在HILS仿真中,實(shí)際的控制器和用來(lái)代替真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的仿真模型,一起組成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),難以建立數(shù)學(xué)仿真模型的部件(如液壓系統(tǒng))可以保留在閉環(huán)中,這樣就可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,完成對(duì)電動(dòng)汽車(chē)ECU的測(cè)試,從而可以大大降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用,縮短開(kāi)發(fā)周期。電動(dòng)汽車(chē)ECU硬件在回路仿真架構(gòu)如圖2所示。

        2 基于dSPACE的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

        對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言,汽車(chē)的舒適性、效率及安全性,相當(dāng)依賴(lài)于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系控制、防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、牽引控制等的電控單元的性能。ECU的軟件也越來(lái)越復(fù)雜,以至于在開(kāi)發(fā)的早期,就需進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。如果用真實(shí)的汽車(chē)對(duì)新的ECU進(jìn)行測(cè)試,既昂貴又消耗時(shí)間,特別是進(jìn)行一些極限環(huán)境下的測(cè)試,如積雪覆蓋的路面上的小摩擦測(cè)試,就只能局限于冬季的幾個(gè)月。而且用真實(shí)汽車(chē)進(jìn)行測(cè)試存在可重復(fù)性差、不能復(fù)現(xiàn)同一測(cè)試條件等缺點(diǎn)。硬件在回路仿真這種技術(shù),允許在測(cè)試臺(tái)上重復(fù)進(jìn)行測(cè)試,從而可以比較產(chǎn)品型ECU及原型ECU的各種特性。

        如圖3所示,針對(duì)具體的電動(dòng)汽車(chē)控制目標(biāo)(如電動(dòng)汽車(chē)ABS控制器測(cè)試)進(jìn)行具體功能分析設(shè)計(jì)后,在MATLAB/Simulink中進(jìn)行開(kāi)發(fā),通過(guò)快速原型設(shè)備中的I/O轉(zhuǎn)化生成目標(biāo)實(shí)時(shí)代碼。然后通過(guò)與電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)定后的硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)的硬件在回路仿真。

        圖3 基于dSPACE的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立

        為了與真實(shí)的電動(dòng)汽車(chē)一樣給ECU提供I/O信號(hào),整個(gè)模型的仿真必須在1 ms步長(zhǎng)內(nèi)執(zhí)行完畢(小于A(yíng)BS控制器的采樣時(shí)間)。在仿真最復(fù)雜的電動(dòng)汽車(chē)配置和操縱時(shí),也能使步長(zhǎng)小于1 ms,仿真任務(wù)由5個(gè)TMS320C40 DSP聯(lián)合進(jìn)行。主DSP負(fù)責(zé)計(jì)算驅(qū)動(dòng)軌跡模型;用2個(gè)DSP來(lái)建立軸系;其他2個(gè)DSP向4個(gè)從處理器寫(xiě)入141個(gè)信號(hào),讀取175個(gè)信號(hào)。5個(gè)DSP并行,在不同配置下,模型的仿真執(zhí)行時(shí)間從650 μs到940 μs不等。這比用單處理仿真速度快2.5~3倍,如圖4所示。

        在試驗(yàn)過(guò)程中,用戶(hù)選定的系列變量,可以被實(shí)時(shí)地記錄下來(lái)。最后,這些信號(hào)(如剎車(chē)壓力,車(chē)輪打滑,車(chē)輪的軸向及側(cè)向壓力等)被自動(dòng)裝載到MATLAB工作區(qū)。使用MATLAB描述語(yǔ)言,很容易就能實(shí)現(xiàn)不同配置的自動(dòng)順序試驗(yàn)。

        圖4 電動(dòng)汽車(chē)ABS控制硬件在回路設(shè)置

        利用TRACE和COCKPIT,可以在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)仿真器進(jìn)行深一步的觀(guān)測(cè)。通過(guò)COCKPIT虛擬儀表可用條圖,標(biāo)尺及數(shù)字顯示器的方式來(lái)顯示模型的一些重要參數(shù)。使用COCKPIT游標(biāo),可以方便地修改參數(shù),如摩擦系數(shù)等。

        在測(cè)試結(jié)束后,有57個(gè)信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),被傳送到MATLAB工作區(qū)。盡管對(duì)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)說(shuō)這些數(shù)據(jù)已夠多的了,但想獲得較為直觀(guān)的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)情況是很困難的。因此HIL仿真器上配置了Real Motion三維動(dòng)畫(huà)程序。在試驗(yàn)過(guò)程中記錄下的圖形畫(huà)面,可以存入文件中。記錄下來(lái)的畫(huà)面可以單步重放,從而允許對(duì)極限情況進(jìn)行仔細(xì)分析。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        利用dSPACE提供的一體化解決途徑開(kāi)發(fā)平臺(tái),在電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)中,可方便快捷地構(gòu)建控制系統(tǒng)的模型,完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí),能快速地將控制算法在實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)?;赿SPACE的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)大部分電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)驗(yàn)并具有良好的運(yùn)行效果,所使用的dSPACE快速控制原型構(gòu)造簡(jiǎn)單、在線(xiàn)調(diào)參方便,采用這種基于dSPACE的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,大大縮短電動(dòng)汽車(chē)控制算法實(shí)驗(yàn)的周期。

        [1]張翔,錢(qián)立軍,張炳力,趙 韓.電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件進(jìn)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(8):1621-1623.

        [2]鄒 淵,孫逢春,王 軍,何洪文.電動(dòng)汽車(chē)用仿真軟件技術(shù)發(fā)展研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(7):761-764.

        [3]馬培蓓,吳進(jìn)華,紀(jì) 軍,徐 新.dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟件環(huán)境及應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,16(4):667-671.

        [4]胡 浩,徐國(guó)卿,朱陽(yáng).基于dSPACE的電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)仿真[J].機(jī)電一體化,2009,16(4):65-68.

        [5]恒潤(rùn)科技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平臺(tái)實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑[Z].北京:恒潤(rùn)科技公司,2005.

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