鄒祎

摘要：與傳統(tǒng)的ECU仿真方法相比，硬件在環(huán)仿真具有高實時性、低成本、靈活性高、可重構性強、仿真精度高等優(yōu)點。本文介紹了硬件在環(huán)仿真基本原理及dSPACE、RT-LAB、NI硬件在環(huán)仿真平臺，并闡述了硬件在環(huán)仿真模型的開發(fā)步驟，對硬件在環(huán)仿真當前的發(fā)展情況進行了簡單概述。

Abstract： In contrast with traditional simulation method of ECU， Hardware-in-Loop simulation has advantages of high real-time， lowcost， high flexibility， high accuracy of simulation. This paper introduces basic principle of HIL simulation and HIL simulation platform of dSPACE， RT-LAB and NI. This paper illustrates developing procedure of HIL simulation model and overview of HIL developing condition.

關鍵詞： 數(shù)據挖掘；模型與算法；應用發(fā)展方向

Key words： DSP；PMSM；MATLAB

中圖分類號：TJ811 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0097-02

0 引言

硬件在環(huán)仿真是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O接口與被測對象相連接。硬件在環(huán)仿真在電子控制單元的研發(fā)過程中占據著越來越重要的地位，它提供了一種成本低、可重構性高、安全性高、靈活高效的仿真方法，能減少實車試驗的次數(shù)，縮短開發(fā)時間。

1 硬件在環(huán)仿真基本原理

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是由處理器模板與外圍I/O板通過ISA總線構成的多處理器系統(tǒng)。處理器之間的數(shù)據傳輸速率達到1Gb/s以上。光纖或共享內存實現(xiàn)處理器之間的數(shù)據交換功能，用戶根據自己的測試需求對硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結構進行自定義，構建合適的仿真系統(tǒng)實現(xiàn)相應的功能。

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)一共有以下兩種形式：

①虛擬控制器+實際對象=快速控制原型仿真。

②實際控制器+虛擬對象=硬件在回路仿真系統(tǒng)。

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)主要由三部分組成：實時軟件模型，硬件平臺，實驗管理系統(tǒng)。原理圖如圖1。

2 硬件在環(huán)仿真平臺

2.1 dSPACE實時仿真系統(tǒng)

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真軟硬件工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統(tǒng)擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優(yōu)點。

dSPACE中的處理器運算性能強大，并且I/O接口十分豐富，用戶可根據需要自行組合；軟件環(huán)境功能強大而又靈活，提供自動生成代碼及調試和下載等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方面，dSPACE允許反復修改模型設計，進行離線及實時仿真，可在設計之初就將錯誤修正，節(jié)省設計費用。使用RCP技術，可以在費用和性能之間進行折衷。通過將快速原型硬件系統(tǒng)和所要控制的實際設備相連接，可以反復研究使用不同傳感器及驅動機構時系統(tǒng)的性能特征。而且，還可以利用旁路技術將原型控制單元或控制器集成于開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產品型控制器的順利轉換。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平臺可以實現(xiàn)對控制器的極限測試，失效測試。

2.2 RT-LAB實時仿真系統(tǒng)

RT-LAB是加拿大名為Opal-RT公司推出的一款工業(yè)級的系統(tǒng)實時仿真平臺軟件包。

該平臺能在短時間內以較低的成本建立實時系統(tǒng)動態(tài)模型，簡化工程系統(tǒng)的設計過程，具有靈活、高效、可測量等優(yōu)勢。

RT-LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的動態(tài)系RT-LAB所用；采用分布式處理的專業(yè)化塊設計；且該平臺使用戶能方便地將目標模型分割為幾個子系統(tǒng)，便于并行處理，集成豐富的第三方代碼庫；提供豐富的應用程序編程接口，便于用戶開發(fā)自定義應用；使用LabVIEW等工具可以創(chuàng)建定制的功能和測試界面；支持1000余種I/O設備，提供高度優(yōu)化的硬件實時調度程序。

2.3 NI硬件在環(huán)仿真平臺

NI開發(fā)的硬件在環(huán)仿真平臺幫助用戶節(jié)省了在汽車研發(fā)到生產各個階段耗費的時間和成本。憑借業(yè)內領先的I/O、靈活現(xiàn)成的硬件、強大高效的LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建各種應用的解決方案。

NI開發(fā)了基于PXI實時控制器的硬件在環(huán)仿真方案。PXI全稱為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展，結合了PCI的電氣總線特性和通用計算機強大的功能和高性價比，提供了一種高性能、低成本的虛擬儀器測試方案。

仿真模型建立在PXI實時控制器之中，NI提供FPGA模塊以適應更高動態(tài)性能和更高精度的模型應用需求。NI硬件在環(huán)仿真平臺具有開放的軟硬件技術架構，可以減少工程師的開發(fā)時間、成本和風險。在支持第三方硬件和軟件建模工具的同時，NI還提供一系列高性能模擬和數(shù)字I/O設備，CAN、LIN和FlexRay總線接口，故障注入硬件等，便于用戶高效實現(xiàn)應用?；陂_放的工業(yè)標準，用戶總能將最新的PC技術用在自己的HIL測試系統(tǒng)中。同時，HIL測試系統(tǒng)的可擴展性滿足了多種快速變化的需求，以適應新技術發(fā)展所帶來的測試挑戰(zhàn)。

3 硬件在環(huán)仿真開發(fā)步驟

硬件在環(huán)仿真的開發(fā)步驟如下：

①統(tǒng)計被測對象的I/O特性；

②理解HIL的工作方式：供應商開發(fā)的板卡主要是數(shù)模信號的進一步處理、故障注入和電源管理。在理解供應商板卡的工作方式和跳線設置的基礎上做故障注入和信號采集、發(fā)送。例如做執(zhí)行器的故障注入，執(zhí)行器電源由ECU提供，因此ECU執(zhí)行器電源需要連接到故障注入板卡的參考端，故障注入板卡的電源跳線設置為參考端，故障注入板卡的電源跳線設置為參考端，用電阻模擬執(zhí)行器負載；

③在理解工作方式的基礎上根據信號流動和ECU的IO進行匹配。由一個比較復雜的表來維護映射關系和板卡跳線設置；

④模型開發(fā)及硬件I/O連接。

HIL的應用包括以下幾個方面：

①HIL測試，測試用例的編寫、管理、復用；

②基于HIL的控制器的開發(fā)；

③基于HIL的車聯(lián)網應用開發(fā)。

圖2為根據步驟建立的永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真結構圖。

4 結語

硬件在環(huán)仿真有試驗環(huán)境可控性強、仿真可重復、可進行極限狀態(tài)下的測試、試驗成本低等優(yōu)點，在控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中占據著越來越重要的地位，應用前景十分廣闊。

參考文獻：

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