丁會利 高升 肖鋅銘

摘 要：針對目前發(fā)動機信號模擬器實時性差、模擬信號類型單一的問題，提出一種基于實時虛擬儀器的發(fā)動機硬件在環(huán)仿真（HIL）信號模擬器的實現(xiàn)方法。首先闡述了模擬器的總體架構(gòu)方案;其次給出發(fā)動機信號調(diào)理的硬件方法，詳述了油門踏板等傳感器的硬件連接;然后以曲軸、凸輪軸信號發(fā)生器為例闡述LabView和Simulink混合編程技術(shù)在發(fā)動機信號軟件模擬中應(yīng)用;最后給出系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。該信號模擬器完全滿足實際使用需求。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)仿真（HIL）;發(fā)動機;信號模擬器;LabView;Simulink

中圖分類號：TM938.7+1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-54-03

Signal Simulator for Motor Hardware-In-Loop Based

on Realtime Virtual Instrument

Ding Huili， Gao Sheng， Xiao Xinming

（ Huayu Automotive System Co.， Ltd， Shanghai 201620 ）

Abstract： For the purpose of solving the weakness in real time and single type of signal in current motor signal simulator， a Hardware-In-Loop signal simulator based on virtual instrument was proposed. In the first place， the general structure was sketched. After that， the hardware design of motor signal processing was introduced by specified in hardware connection of gas pedal and other sensors， and the software design was clarified by illustrating the crankshaft and camshaft signal generating in using LabView and Simulink. Finally the debugging result was given which proved that this signal simulator met the real requirements.

Keywords： Hardware-In-Loop; Motor; Signal Simulator; LabView; Simulink

CLC NO.： TM938.7+1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-54-03

前言

發(fā)動機硬件在環(huán)仿真（HIL，Hardware-in-Loop）模擬器是集成測試臺架的重要組成部分，它將發(fā)動機ECU、傳感器、執(zhí)行器硬件與發(fā)動機模型連接，組成硬件回路進行仿真，該技術(shù)可重復(fù)性高，極大降低了開發(fā)和測試成本。已有的模擬器存在實時性差、模擬信號類型單一、與整車線束對接困難等問題[1-3]。

實時虛擬儀器技術(shù)是在以Labview為平臺的傳統(tǒng)虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。實時虛擬儀器以LabView提供的RTW（Realtime Workshop）為核心，實現(xiàn)了FPGA硬件與Simulink模型的無縫連接，從而能夠模擬各類發(fā)動機信號，并滿足實時性要求[4-7]。本文以實時虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，介紹發(fā)動機硬件在環(huán)仿真模擬器的開發(fā)方法。

1 硬件在環(huán)仿真模擬器總體方案

發(fā)動機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由發(fā)動機控制器（MSG）、發(fā)動機真實執(zhí)行器、車身傳感器與執(zhí)行器、駕駛踏板、剎車燈和模擬器組成[8，9]。模擬器通過配線盤來接收和發(fā)送發(fā)動機信號，并與整車線束連接，是整個系統(tǒng)的核心，用來模擬EA211 1.4T發(fā)動機在各個工況下的信號和控制邏輯，其開發(fā)步驟如下：

（1）在Simulink平臺下開發(fā)發(fā)動機模型，通過RTW編譯生成可以實時運行的DLL文件;

（2）在Labview平臺下完成測控主程序與前面板設(shè)計;

（3）下位機程序設(shè)計，將FPGA端口連接到相應(yīng)的變量，編譯下載下位機程序;

（4）通過SIT Connection Manager將Labview面板上的控件與模型中的端口連接起來，實現(xiàn)兩者通信。

2 基于FPGA的信號模擬硬件設(shè)計

2.1 硬件接口設(shè)計

硬件在環(huán)仿真模擬器的硬件基礎(chǔ)是NI公司的RIO-7833 FPGA板卡，由于其只能提供統(tǒng)一的3.3V數(shù)字IO通道，且端口驅(qū)動能力很低，因此需要在FPGA板卡與其他硬件之間加入信號調(diào)理電路[9]。

對于數(shù)字量信號，采用繼電器驅(qū)動方式。運用一個三極管驅(qū)動繼電器在GND與Vcc間切換，通過一個單刀雙擲開關(guān)還可以靈活的切換輸出的電壓等級。模擬信號采用一片OP07運放組成電壓跟隨器。電壓跟隨器的高輸入阻抗能夠匹配阻抗、提升驅(qū)動能力，并隔離現(xiàn)場信號，保護FPGA板卡。脈寬調(diào)制（PWM）信號通過反向器來提高驅(qū)動能力，反向器輸出端用上拉電阻穩(wěn)定輸出電壓。反向器比電壓跟隨器的優(yōu)勢在于建立跳變沿的延時更短。電阻阻值信號用數(shù)字電位計實現(xiàn)。

2.2 駕駛踏板接口設(shè)計

駕駛踏板包括油門踏板、離合器踏板、制動踏板，需要實現(xiàn)虛擬仿真和真實控制兩種接口。模擬器采用先采集后模擬的方式，三個踏板的電源和地與整車線束直接連接，模擬器采集信號線上的電壓，如果真實踏板無行程電壓信號，則模擬器輸出控制界面上的行程值。油門踏板接口連線方式如圖2所示，兩個通道的信號互為備用。制動踏板和離合器踏板的接法與油門踏板類似，但是離合器踏板還需要向電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP發(fā)送一路由行程控制的脈寬調(diào)制信號。

2.3 剎車信號接口設(shè)計

模擬器在采集到制動有效信號時，向發(fā)動機控制器發(fā)送兩個互為相反的自鎖信號BTS、BLS，具體方案是用模擬器發(fā)出一個高電平有效的制動信號，通過兩個單刀雙擲繼電器輸出兩路BTS與BLS信號，其連接方式如圖3所示。

3 曲軸凸輪軸信號發(fā)生器

3.1 信號特性分析

發(fā)動機控制器在上電完成自檢后，只要收到曲軸凸輪軸的脈沖信號即可發(fā)動。同時曲軸凸輪軸脈沖也是控制點火時間、傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵信號，因而該信號必須達到高精度、匹配準確和極小的延時誤差的要求。EA211發(fā)動機為雙凸輪軸發(fā)動機，控制器發(fā)送的分別為曲軸信號、進氣凸輪軸信號與排氣凸輪軸信號。

發(fā)動機曲軸共有58個齒和兩個缺齒，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的信號為60個周期脈沖，最后兩個周期無高電平。每個脈沖對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)過6°，其周期由轉(zhuǎn)速決定。設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n r/min，則每一個齒的周期為? 。凸輪軸信號為弧度不等的高低脈沖，曲軸每轉(zhuǎn)兩圈凸輪軸旋轉(zhuǎn)一圈，共計720°。

3.2 信號發(fā)生器的軟件實現(xiàn)

曲軸與凸輪軸信號如果和其他信號一樣通過模型給出，則必須設(shè)置較大的仿真步長以達到實時性要求。但是較大的仿真步長會降低信號采集頻率，產(chǎn)生截斷誤差[10]。因此采用模型的方法無法兼顧實時性和準確性，唯一可行的方法是將脈沖調(diào)制算法放到下位機的FPGA中去運行，并盡量將不必要的運算和判斷放到模型中，以減少對FPGA資源的占用。

軟件實現(xiàn)的基本思路是：將凸輪軸相位設(shè)置為控制量以方便調(diào)試，下位機程序分內(nèi)外兩個循環(huán)，以曲軸旋轉(zhuǎn)720°為一次外循環(huán)，旋轉(zhuǎn)0.1°為一次內(nèi)循環(huán)。這樣循環(huán)標號i即為當前轉(zhuǎn)過的弧度。凸輪軸相位用一個長度為8的數(shù)組來控制，內(nèi)循環(huán)通過查表來確定是否需要置反凸輪軸信號。軟件實現(xiàn)的下位機程序框圖如圖4所示。

3.3 調(diào)試結(jié)果

根據(jù)發(fā)動機HIL信號模擬器的總體方案，設(shè)計完成系統(tǒng)硬件及軟件，并與整車連接進行調(diào)試。整車與模擬器使用分離電源，并增加繼電保護;信號調(diào)理箱的每個電源與地間增加了470uF的電解鉭電容以消除輸出信號的高頻噪聲;在曲軸、凸輪軸軟件信號發(fā)生器中增加延時設(shè)置和反相輸出設(shè)置

以方便調(diào)試，其中曲軸信號必須在凸輪軸信號發(fā)生后延時500毫秒發(fā)出，發(fā)動機方能更加平順地啟動;另外部分傳感器模擬端口的阻抗應(yīng)與真實傳感器匹配。如圖5為曲軸凸輪軸信號調(diào)試結(jié)果，結(jié)果表明曲軸凸輪軸的脈沖信號符合上述要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于實時虛擬儀器的發(fā)動機硬件在環(huán)仿真方案，詳細敘述了其硬件和軟件實現(xiàn)方法。硬件在環(huán)仿真模擬器充分利用了Simulink建模的便捷性和NI Realtime系統(tǒng)的高實時性，適用于整車廠新車型的整車電器測試，具有測量精度高，實時性好，安全穩(wěn)定的特點，并能夠方便的與早期的實驗臺架實現(xiàn)兼容對接，達到了該模擬器的設(shè)計要求，為后續(xù)發(fā)動機ECU的研發(fā)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 程軍，高發(fā)廷，郭慶波.一種簡易實時車輛動力學(xué)系統(tǒng)模擬器的開發(fā)[J].上海汽車.2000，12： 30-33.

[2] 譚文春，唐航波，梁鋒，等.柴油機高壓共軌供油系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真的設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報.2004，10（38）.1643-1655.

[3] 洪兢，李禮夫.基于虛擬集成技術(shù)的ESP硬件在環(huán)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.2010.12（22）， 2829-2833.

[4] 彭宇寧，朱后，王靜，等.基于RTW的LabVIEW和Simulink混合編程方法[J].計算機應(yīng)用與軟件.2008，10（25）.82-84.

[5] 王歡.基于LabVIEW的實時控制與仿真技術(shù)應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué).2008，12. 32-56.

[6] Darko Hercog. A DSP-Based Remote Control Laboratory [J] .IEEE Transactions on Industrial Electronics.2007，6（54）.23-35.

[7] K. Valarmathia， Devaraja， T.K. Radhakrishnan. Real-coded genetic algorithm for system identification and controller tuning[J].Applied Mathematical Modelling.2008，11.6～11.

[8] 殷平.基于虛擬儀器的發(fā)動機測控系統(tǒng)研制[D].南京理工大學(xué). 2010，43-46.

[9] 劉志.通用型硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)仿真控制器硬件設(shè)計與研究[D].上海交通大學(xué).2009， 25-51.

[10] 王月偉，袁榮棣.基于LabVIEW的發(fā)動機硬件在環(huán)虛擬信號發(fā)生器[J].工業(yè)控制計算機.2010，3（23）.54-55.