CN105938331A - 一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台，其特征在于，所述仿真平台包括半实物仿真测试组件和开发驾驶一体化组件，所述半实物仿真测试组件包括实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器；所述开发驾驶一体化组件包括开发主机、视景主机、监控主机和驾驶模拟操作台；所述实时仿真机1和实时仿真机2之间通过高速同步总线进行通信；所述开发主机、视景主机、实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器之间通过UDP/IP总线进行信息交互。本发明实现了对电动机、发电机特性的高速、高精度仿真，大幅提高运算速度，满足电机高速高精度实时仿真的需求。

Description

一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台

技术领域

本发明涉及一种半实物仿真平台，具体涉及一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台。

背景技术

随着环境污染和能源短缺问题日益严重，以及电机技术、电池技术和电控技术的不断发展，混合动力车辆的应用越来越广泛。不同于采用“内燃机-机械/液力变速”方案的传统车辆，混合动力车辆的动力***包含有发动机、发电机、电动机、动力电池、机械/液力传动机构等***部件，其***更复杂、涉及领域更多元化；控制器种类也更多，如整车控制器、发动机控制器、发电机控制器、电动机控制器等，且电动机/发电机控制器所需要的控制频率更高。另一方面，21世纪的汽车市场要求产品的研发更加高效、迭代周期更短、投入成本更低，这也对混合动力车辆的开发流程提出了更高的要求，需要一种能够适应上述新特点、新需求的开发模式和开发平台来支撑混合动力车辆的研发。

在复杂***的控制开发过程中采用半实物仿真环节，能够大幅度提高开发效率，缩短开发周期，以尽量小的成本发现并纠正可能出现的问题。半实物仿真技术同时也是汽车产品研发的“V型”开发模式的关键环节，在汽车核心***的研发过程中发挥着重要作用。混合动力车辆以其复杂的***结构和多样化的***部件，对半实物仿真平台提出了更高的技术要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台。本发明实现了对电动机、发电机特性的高速、高精度仿真，大幅提高运算速度，满足电机高速高精度实时仿真的需求。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台，所述仿真平台包括半实物仿真测试组件和开发驾驶一体化组件，所述半实物仿真测试组件包括实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器；所述开发驾驶一体化组件包括开发主机、视景主机、监控主机和驾驶模拟操作台；所述实时仿真机1和实时仿真机2之间通过高速同步总线进行通信；所述实时仿真机2和发动机信号模拟器之间通过模拟信号和数字信号通道进行信息交互；所述开发主机、视景主机、实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器之间通过UDP/IP总线进行信息交互，所述驾驶模拟操作台通过数字量、模拟量和车载总线接入所述半实物仿真测试+组件。

优选的，所述实时仿真机1采用多核CPU和FPGA计算板卡，用于在微秒级的计算步长下运行高精度的电动机/发电机模型；

所述实时仿真机2采用多核CPU，用于在百微秒级的计算步长下并行运行发动机、动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学模型；

所述发动机信号模拟器用于模拟电控发动机的传感器信号，代替执行器执行相关控制指令。

优选的，所述驾驶模拟操作台包含视景显示器、仪表显示器、多功能方向盘、加速踏板和制动踏板；

所述视景显示器用于向驾驶员显示模拟驾驶过程中的视景信号；

所述仪表显示器根据开发者和驾驶员的需求显示仿真过程中的模型关键状态参数信息；

所述多功能方向盘、加速踏板和制动踏板用于接收驾驶员的操作意图，并将其传输至所述实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器和各被测控制器。

优选的，所述开发主机安装有建模和开发调试软件，用于仿真模型的搭建和修改、模型向实时仿真机中的下载和调试、发动机信号模拟器的配置和监控。

优选的，所述视景主机安装有视景软件，与实时仿真机中运行的车辆模型进行数据交互，将视景信息传给所述驾驶模拟操作台，通过视景显示器为驾驶员显示模拟的驾驶视景，并将驾驶场景中的坡度、路面附着系数和风速信息回传至实时仿真机参与车辆状态的计算。

优选的，所述监控主机通过总线通道、数字信号通道和模拟信号通道采集***运行过程中的各类仿真数据，将仪表信息传送给所述驾驶模拟操作台，通过仪表显示器反馈给驾驶员和开发者，并以文件的形式存储至硬盘中。

优选的，所述仿真平台还包括被测试件，包括电动机/发电机控制器、整车控制器和发动机控制器；

所述整车控制器通过模拟信号通道获取驾驶模拟操作台的加速踏板和制动踏板信息；所述整车控制器和实时仿真机2之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互；

所述电动机/发电机控制器和所述实时仿真机1之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互；

所述发动机控制器和所述发动机信号模拟器之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于电机本体的有限元设计结果进行实时仿真，不仅能够精确描述电机的特性，还能将电机本体的设计环节与电机控制、整车控制的设计环节紧密结合形成闭环。利用FPGA板卡的硬件计算能力实现高精度电机模型的实时仿真，能够大幅提高运算速度，满足电机高速高精度实时仿真的需求。

本发明将不同频率特性的子***分别建模，并根据仿真步长的要求将各子***模型配置至实时仿真机的FPGA或CPU核中实现并行计算，并通过高速同步总线实现不同步长仿真数据之间的交互。

本发明配置自由度高，能够灵活满足不同开发阶段、不同***范畴的仿真测试需求。具有多功能的驾驶模拟操作台，能够实现开发者和驾驶员一体化的“人-车-路”闭环仿真测试。

附图说明

图1是本发明提出的用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台整体结构示意图

图2是本发明提供的驾驶模拟操作台结构示意图

图3是本发明提供的构建混合动力车辆研发的半实物仿真平台的流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台整体结构示意图，所述平台基于高性能实时仿真机进行搭建，包括：实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器、开发主机、视景主机、监控主机、驾驶模拟操作台、电动机/发电机控制器(可选)、整车控制器(可选)、发动机控制器(可选)、各功能模块之间的信息交互渠道。

实时仿真机1和实时仿真机2可以是dSPACE、RT-Lab、NI、ETAS等公司的高性能仿真设备，为了满足高精度电机模型的高速运行需求，实时仿真机1配备了具有高速运算能力的FPGA计算板卡；实时仿真机1和实时仿真机2均配备有高性能多核CPU，可实现仿真模型中多个子***模块的并行计算。发动机信号模拟器能够模拟电控发动机(汽油机、柴油机)的曲轴转速、凸轮轴转角等各类传感器信号，代替电磁阀、火花塞等执行器执行相关控制指令，并且能够通过模拟量、数字量信号与被测的发动机控制器进行信息交互形成闭环控制***。根据车辆混合动力***的开发需求，将电动机控制器、发电机控制器、整车控制器、发动机控制器等被测控制器通过模拟量、数字量、车载总线等信号通道接入半实物仿真平台中，实现闭环的半实物仿真测试。

开发主机是仿真平台与混合动力车辆开发者的主要交互渠道，装有Matlab/Simulink等主流的计算建模软件、实时仿真机的上位机软件、发动机信号模拟器的配置软件等，可实现车辆混合动力***建模、实时仿真机和发动机模拟器的控制、模型下载与监控等功能。视景主机中安装有视景软件，能够根据车辆仿真模型的状态实时生成驾驶场景的模拟图像，并通过驾驶模拟操作台的视景显示器向驾驶员显示，还可将驾驶场景中的坡度、路面附着系数、风速等数据回传至实时仿真机参与车辆状态的计算。监控主机上可安装CANoe等车载总线监控软件以及Matlab、Lab View等具有GUI界面开发功能的软件，可将总线上采集的信号通过驾驶模拟操作台的仪表显示器向驾驶员显示。

如图2所示，本发明提供的驾驶模拟操作台结构示意图。所述驾驶模拟操作台包括视景显示器、仪表显示器、多功能方向盘、加速踏板和制动踏板。视景显示器通过视频信号线与视景主机连接，向驾驶员显示实时仿真过程中视景软件模拟的驾驶场景。仪表显示器通过视频信号线与监控主机连接，将实时仿真过程中监控主机采集的模型各主要状态参数，通过CANoe、Matlab、Lab View等软件的GUI界面向驾驶员显示。多功能方向盘接收驾驶员的转向、换挡、***自检、***使能、驾驶模式切换等操作意图，通过车载总线接入半实物仿真平台。加速踏板和制动踏板接收驾驶员的加速、制动操作意图，通过模拟量信号或数字量信号的形式接入半实物仿真平台。

如图3所示，本发明提供的构建混合动力车辆研发的半实物仿真平台的流程图。在混合动力车辆开发过程中，在动力***构型设计及参数匹配的基础上进行子***分解，将***分解为电动机、发电机、发动机、动力电池、传动机构、车辆动力学等子模块并分别进行建模。根据各子***模型的复杂度、运行步长要求、精度要求等因素将其分配至仿真平台中的各个计算模块——实时仿真机1的FPGA板卡、实时仿真机1的各个CPU核、实时仿真机2的各个CPU核、发动机信号模拟器，并联合组成车辆混合动力***的实时模型。基于模拟量信号、数字量信号、通信总线等渠道将被测整车控制器、电动机控制器、发电机控制器、发动机控制器等与仿真平台中的混合动力***实时模型连接，并将驾驶模拟操作台接入，实现半实物仿真测试。本实施例中的半实物仿真测试结果一方面可以为混合动力车辆构型设计及参数匹配、电动机/发电机本体设计、控制***设计提供设计反馈，实现整车设计流程的前期闭环，另一方面也可以基于驾驶员的驾驶体验为***控制策略的设计提供反馈。

本发明提出的仿真平台使用灵活，有多种实施例，下面主要介绍其中四种。

(1)整车控制器开发验证：基于Matlab/Simulink软件搭建基于集总参数的电动机及其控制器、发电机及其控制器、发动机及其控制器、动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学等子***的仿真模型，并以此为基础构建混合动力车辆的仿真模型，通过开发主机下载至实时仿真机2的多核CPU中。将被测整车控制器通过图1所示的方式接入半实物仿真平台中，使被测整车控制器、实时仿真机2中运行的实时模型、驾驶模拟操作台形成测试闭环，实现对整车控制器的开发验证。

(2)电动机/发电机控制器开发验证：利用电动机及发电机本体开发过程中基于ANSYS或J-MAG软件设计的有限元模型，生成可以在FPGA计算板卡中高速运行的高精度电动机及发电机模型，通过开发主机下载至实时仿真机1的FPGA中；基于Matlab/Simulink软件搭建整车控制器、发动机及其控制器、动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学等子***的仿真模型，通过开发主机下载至实时仿真机2的多核CPU中；利用高速同步总线将下载至实时仿真机1和实时仿真机2中的各子***模型联合构建混合动力车辆的实时仿真模型。将被测电动机控制器和发电机控制器通过图1所示的方式接入半实物仿真平台中，使被测电动机控制器、被测发电机控制器、实时仿真机1和实时仿真机2中运行的实时模型、驾驶模拟操作台形成测试闭环，实现对电动机控制器和发电机控制器的开发验证。

(3)发动机控制器开发验证：基于发动机信号模拟器配置仿真所需的发动机模型；基于Matlab/Simulink软件搭建集总参数的电动机及其控制器、发电机及其控制器、整车控制器、动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学等子***的仿真模型，通过开发主机下载至实时仿真机2的多核CPU中；利用图1所示的方式将发动机信号模拟器和实时仿真机2中的实时模型联合构建混合动力车辆的实时仿真模型。将被测发动机控制器通过图1所示的方式接入半实物仿真平台中，使被测发动机控制器、发动机信号模拟器、实时仿真机2中运行的实时模型、驾驶模拟操作台形成测试闭环，实现对发动机控制器的开发验证。

(4)整车混合动力***多控制器联调验证：利用电动机及发电机本体开发过程中基于ANSYS或J-MAG软件设计的有限元模型，生成可以在FPGA计算板卡中高速运行的高精度电动机及发电机模型，通过开发主机下载至实时仿真机1的FPGA中；基于Matlab/Simulink软件搭建动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学等子***的仿真模型，通过开发主机下载至实时仿真机2的多核CPU中；基于发动机信号模拟器配置仿真所需的发动机模型；利用图1中所示的信息交互渠道将下载至实时仿真机1和实时仿真机2中的实时模型、发动机信号模拟器联合构建整车混合动力***的实时仿真模型。将被测整车控制器、被测电动机控制器、被测发电机控制器、被测发动机控制器通过图1所示的方式接入半实物仿真平台中，使被测整车控制器、被测电动机控制器、被测发电机控制器、被测发动机控制器、实时仿真机1和实时仿真机2中运行的实时模型、发动机信号模拟器、驾驶模拟操作台形成测试闭环，实现对整车混合动力***多控制器的联调验证。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于混合动力车辆研发的半实物仿真平台，其特征在于，所述仿真平台包括半实物仿真测试组件和开发驾驶一体化组件，所述半实物仿真测试组件包括实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器；所述开发驾驶一体化组件包括开发主机、视景主机、监控主机和驾驶模拟操作台；所述实时仿真机1和实时仿真机2之间通过高速同步总线进行通信；所述实时仿真机2和发动机信号模拟器之间通过模拟信号和数字信号通道进行信息交互；所述开发主机、视景主机、实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器之间通过UDP/IP总线进行信息交互，所述驾驶模拟操作台通过数字量、模拟量和车载总线接入所述半实物仿真测试+组件。

2.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述实时仿真机1采用多核CPU和FPGA计算板卡，用于在微秒级的计算步长下运行高精度的电动机/发电机模型；

所述实时仿真机2采用多核CPU，用于在百微秒级的计算步长下并行运行发动机、动力电池、机械/液力传动机构、车辆动力学模型；

所述发动机信号模拟器用于模拟电控发动机的传感器信号，代替执行器执行相关控制指令。

3.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述驾驶模拟操作台包含视景显示器、仪表显示器、多功能方向盘、加速踏板和制动踏板；

所述视景显示器用于向驾驶员显示模拟驾驶过程中的视景信号；

所述仪表显示器根据开发者和驾驶员的需求显示仿真过程中的模型关键状态参数信息；

所述多功能方向盘、加速踏板和制动踏板用于接收驾驶员的操作意图，并将其传输至所述实时仿真机1、实时仿真机2、发动机信号模拟器和各被测控制器。

4.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述开发主机安装有建模和开发调试软件，用于仿真模型的搭建和修改、模型向实时仿真机中的下载和调试、发动机信号模拟器的配置和监控。

5.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述视景主机安装有视景软件，与实时仿真机中运行的车辆模型进行数据交互，将视景信息传给所述驾驶模拟操作台，通过视景显示器为驾驶员显示模拟的驾驶视景，并将驾驶场景中的坡度、路面附着系数和风速信息回传至实时仿真机参与车辆状态的计算。

6.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述监控主机通过总线通道、数字信号通道和模拟信号通道采集***运行过程中的各类仿真数据，将仪表信息传送给所述驾驶模拟操作台，通过仪表显示器反馈给驾驶员和开发者，并以文件的形式存储至硬盘中。

7.根据权利要求1所述仿真平台，其特征在于，所述仿真平台还包括被测试件，包括电动机/发电机控制器、整车控制器和发动机控制器；

所述整车控制器通过模拟信号通道获取驾驶模拟操作台的加速踏板和制动踏板信息；所述整车控制器和实时仿真机2之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互；

所述电动机/发电机控制器和所述实时仿真机1之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互；

所述发动机控制器和所述发动机信号模拟器之间通过数字量、模拟量和车载总线信号实现控制与反馈信息的交互。