CN112130470B

CN112130470B - 一种整车控制器便携式硬件在环仿真***

Info

Publication number: CN112130470B
Application number: CN202011033649.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋立伟; 檀生辉; 吴勇; 王东; 刘恒; 朱岳松; 伍旭东; 王凯; 吴二导; 孙鸿健; 陶振; 王铭; 胡珍珠; 姜敏; 何志维; 齐红青
Original assignee: Wuhu Research Institute of Xidian University
Current assignee: Wuhu Research Institute of Xidian University
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112130470A

Abstract

本发明公开了一种整车控制器便携式硬件在环仿真***，属于一种仿真***，包括软件***和硬件***，软件***是同Matlab/Simulink搭建整车各个总成的物理模型，集成后构建整车物理模型，通过将上述物理模型生成的浮点或定点代码刷写到硬件***中，通过I/O硬线接口和CAN通信实现整车物理模型的数据和整车控制模型数据的交互，进行整车控制硬件在环仿真测试，本发明采用嵌入式控制器，在不改变原有高精度大型仿真器功能的条件下减小了设备整体结构，结构简单，便于携带更换，可随时随地进行验证测试，更加高效，本发明还包含了一种多功能信号处理电路，可以通过更改电路中电阻来同时处理传递过来的模拟量信号和开关量信号，减少了***的接口，优化了结构。

Description

一种整车控制器便携式硬件在环仿真***

技术领域

本发明涉及一种仿真***，特别是涉及一种整车控制器便携式硬件在环仿真***。

背景技术

HIL(Hardware in the Loop)硬件在环，用于开发阶段对VCU(整车控制器) 进行全方面的、***级的测试，是VCU开发的有力工具，通过I/O接口和被测 VCU连接，实现硬件在环仿真***中的仿真模型和被控实物***的数据实时交互，对被测VCU做出在各种条件下的全方面运行测试。

目前，市场上的硬件在环仿真***仿真精度高但价格昂贵，由于其***软件和硬件复杂，不便于设计人员在研发阶段较频繁地变更和测试，而且***包含了多种实验设备，体积较大，数量较多，大都放在试验室对VCU进行测试，也不方便研发人员携带使用。

此外，由于硬件在环仿真***和VCU通过I/O交互的信号数量较多，因此该***中存在一种多功能信号处理电路，这种电路主要用于接收被VCU传递过来的模拟信号(包括温度信号)、开关量信号和频率信号等，其中模拟量信号和开关量信号占总信号的90％以上，传统的模型量信号和开关量信号的信号处理电路采用不同设计方法，信号处理后通过不同的接口分别传递，这种采用不同的信号处理电路不仅增加了设计和测试的工作量，还限制了硬件在环仿真***接口的扩展能力和使用灵活性。

基于上述问题，需要开发一种便携式硬件在环仿真***，压缩结构体积，减少设备数量，使VCU研发人员可以根据需求快速灵活地调整整车模型以方便测试和验证，同时，这种便携式硬件在环仿真***的电路模块采用一种多功能信号处理电路对从VCU传来的信号进行处理，这种电路需要同时处理模拟量信号和开关量信号，减少接口的数量，结构更简单，同时根据外部接口的需求，仅需要硬件和软件配置，即可实现模拟量和开关量信号处理的功能。

发明内容

为了克服现有的硬件在环仿真***使用的仿真器体型大、设备较多不便于携带拆装，以及价格昂贵、***软件和硬件复杂不便于设计人员在研发阶段较频繁地变更和测试等问题。

本发明提供了一种便携式硬件在环仿真***，由硬件***和软件***连接组成，其中，软件***是同Matlab/Simulink搭建整车各个总成的物理模型，集成后构建整车物理模型。硬件***基于嵌入式控制器设计方式，采用支持浮点运算的CPU。通过将物理模型生成的浮点或定点代码刷写到硬件在环仿真***中，通过I/O硬线接口和CAN通信实现整车物理模型的数据和整车控制模型数据的交互，进行整车控制硬件在环仿真测试。

该***的使用操作方法和VCU一样并且两者设备的形状和体积相同；此外，这种便携式硬件在环仿真***接收到的由VCU传递过来的信号种类较多，主要为模拟量信号和开关量信号，为简化结构本发明设计了一种多功能信号处理电路，可以对电路中电阻进行更改来同时处理传递过来的模拟量信号和开关量信号，减少了***的接口，优化结构。

为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

一种便携式硬件在环仿真***，其由软件***和硬件***连接组成。

软件***包括司机输入模型、工况模型、驾驶员模型、发动机及控制器模型、离合器及控制器模型、电机及控制器模型、变速箱传动模型、后桥模型、车轮模型、整车动力学模型、电池模型、数据显示、仪表模型。

硬件***包括***电源、上电及掉电延迟模块、供电电源输出模块、CAN 通信模块、多功能信号处理模块、频率信号处理模块、RS232通信模块、负载模块、DA模块、电位器、模拟信号分配模块、开关量输出、开关、开关信号分配模块、PWM输出调理模块、高端驱动模块、低端驱动模块。

上述硬件***的各种模块各自采用了不同的电路模型，可以对接收到的外界模拟信号进行相应处理以期得到适用于本***的模拟信号，并将其传递给其仿真组件，或者通过处理后的模拟信号驱动***中相应组件。

这种硬件***的集成化模型跟VCU的模型相比，其外部结构相同、体积和重量相同，而且硬件***采用了和VCU控制模块相同的设计理念，通过将物理模型生成的浮点或定点代码刷写到硬件在环仿真***中，通过将物理模型生成的浮点或定点代码刷写到硬件在环仿真***中，通过I/O硬线接口和CAN通信实现整车物理模型的数据和整车控制模型数据的交互，进行整车控制硬件在环仿真测试。代替了传统的高精度仿真器，结构更加简单紧凑。

此外，***内的电路模块设计了一种多功能信号处理电路，可以通过改变其中的电阻来同时处理来自VCU和其他传感器的模拟量信号和开关量信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的便携式硬件在环仿真***将传统方式中硬件***采用的高精度大型仿真器替换成嵌入式控制器，在不改变其功能的条件下大大减小了设备的整体结构，使得该***和VCU的体积和重量相同，而且外型结构相似，便于携带更换，可以随时随地使用该***进行验证测试，这种测试验证也更加高效。

2、本发明的便携式硬件在环仿真***内设置的电路模块，包含一种多功能信号处理电路用来处理来自VCU和其他传感器传递过来的信号，由于信号种类较多，主要为模拟量信号和开关量信号，为简化结构本发明设计了一种多功能信号处理电路，可以对电路中电阻进行更改来同时处理传递过来的模拟量信号和开关量信号，减少了***的接口，优化结构。

3、本发明的便携式硬件在环仿真***有硬件***和软件***连接组成，还加入了监测设备以实时同步，在进行测试时可以根据不同的电子控制器在软件***中匹配与其相应的仿真测试模型，灵活调整整车模型。

附图说明

图1是本发明测试VCU时结构连接示意图。

图2是本发明软件***模型图。

图3是本发明硬件***框图。

图4是本发明的电源处理方案图。

图5是本发明的多功能信号处理电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1至图3所示，本实施例设计一种便携式硬件在环仿真***，由整车物理模型(即软件***)和整车硬件在环仿真器(即硬件***)组成。

其中，软件***包括司机输入模型、工况模型、驾驶员模型、发动机及控制器模型、离合器及控制器模型、电机及控制器模型、变速箱传动模型、后桥模型、车轮模型、整车动力学模型、电池模型、数据显示、仪表模型。

在本实施例中，各种模型的具体实施方式如下：

(1)司机输入模型

该模型主要模拟驾驶员开关输入，包括T15上电信号、T50发动机启动信号、EV模式开关、发动机模式开关、(均为0时为HEV模式)、以及档位相关的开关，包括空挡、倒挡、前进挡；以上开关均为1有效、0无效。

(2)工况模型

该模型主要实现工况文件的输入，包括道路工况(从表格处输入)、等速工况(可以自己标定)，以及道路坡道，其中表格中车速信号为km/h，坡道输入为％。

(3)驾驶员模型

该模型主要根据需求车速与实际车速差值通过PID计算需求的油门及制动信号；PID输出为-1～1范围，通过与0比较判断为油门还是制动信号进行输出。其中PID模型为常规PID模型，其参数调试根据车型不同会发生一定变化，可以通过速度跟随度来调节，一般而言D为0，优先调节P，使轨迹基本能吻合，再调节I，如果超调量大则加大P和I，反之减小。

(4)发动机及控制器模型

发动机及控制器主要实现VCU扭矩执行，并输出转速及扭矩，主要分为3 部分:实际扭矩计算，怠速控制和最高转速保护。

1.实际扭矩计算

实际扭矩计算由司机请求的动力***需求扭矩及内摩擦扭矩组成，其中动力***扭矩由油门乘以发动机最大扭矩，内摩擦扭矩通过试验获得。

如果发动机没有启动，但是有转速，那仅有内摩擦扭矩；

2.怠速控制

怠速控制激活条件：点火信号有效&油门需求为0&发动机转速在怠速波动范围内，激活后控制发动机在怠速转速运行

3.最高转速保护

最高转速保护激活后进行最高转速保护，通过PID实现；保护激活条件：点火信号有效&发动机转速超过定义的最高转速；

发动机本体模型如下，主要有3部分组成：扭矩模型，起动机模型，曲轴模型。

1.扭矩模型

将EECU计算的油门转化为实际扭矩(乘以最高扭矩即可，为内部扭矩，包含了内摩擦需求扭矩，也就是说是理论气体膨胀后的扭矩)。

2.起动机模型

在启动信号确认后，即启动起动机，根据起动机扭矩特性(试验获得)输出起动机扭矩(如果启动时间超过1.5S后为0，因为起动机为短时工作机制)。

同时将启动及转动惯量传递，惯量计算公式为I＝I0*n*n+I1(其中I0为上一级传动惯量，n为本级转速，I1为本级惯量)。

3.曲轴模型

该模型主要计算发动机转速(但是由于内摩擦的试验精度、离合器传递来的扭矩精度预计转动惯量等无法准确预估，所以发动机转速往往存在较大误差，因此一般建模只通过传动***反推转速获得)。

转速计算方法为积分法，通过扭矩(发动机输出扭矩+起动机扭矩+离合器传递来的扭矩)加载在转动惯量上进行积分获得转速。

(5)离合器及控制器模型

控制器TCU模型：该TCU模型主要用来实现AMT换挡时序，时序的控制一般采用stateflow开发。

离合器模型：分两部分，分别为两个方向的传递，一个从发动机到变速箱的正向传递，一个为从变速箱反馈回来的。

正向传递路径：根据离合器状态计算离合器开度，并查表得出传递扭矩(试验获得)，该传递扭矩与发动机需要传递的扭矩比较如果较大，则输出为两者小值，如偏小，则以离合器最大传递扭矩为准。

反馈路径：

通过离合器传递扭矩与电机(或变速箱)端传递来的扭矩进行比较，以小值传递到发动机端，同时将电机转速、及整车惯量传递到发动机端。

(6)电机及控制器模型

该模型主要实现两个功能，在控制模式为转速控制时，通过pid调节转变为扭矩控制，在控制模式为扭矩控制时，限置最大扭矩后直接输出。

电机模型根据当前转速计算电机能够获得的最大驱动、制动扭矩及额定的驱动、制动扭矩，并根据转矩计算电功率(P＝T*n/9550，其中P为功率，kw，T 为电机扭矩Nm，n为转速rpm)，在计算过程中，考虑到驱动和制动效率不同，因此在机械功和电功间计算了效率。

在动力传递中，由于电机转子替代了传动轴，因此可以简化为传动轴处理，直接算术加减就行；在转速控制上，采用PID，与发动机转速控制方法一致。

(7)后桥模型

该模型分两部分，分别为两个方向的传递，一个变速箱到车辆的正向传递，一个为从车轮反馈回来的。其中正向传递路径是根据变速箱传递来的力矩，乘以速比及效率后输出扭矩；反向传递路径是根据车轮转速及力矩，经过速比后计算输入端的反力矩。

(8)车轮模型

该模型是完成后桥与整车力的传递，通过后桥输出的扭矩及转动惯量，加上制动器的制动力(查表，试验获得)为输出到车辆的力；另一个方向上，车轮的力加上制动力传递到后桥，车速经过车轮转换变为转速信号。

(9)整车动力学模型

该整车动力学模型根据公式F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j建模，F_t为整车阻力，其中：

滚动阻力F_f＝mgf cosα，式中：m为整车质量，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角；

空气阻力

式中：C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，u_a为车速；

坡道阻力F_i＝mg sinα，式中：g为重力加速度；

加速阻力

式中：δ为旋转质量换算系数。

(10)电池模型

该模型根据输入的电机需求功率，计算电池反馈出的电压、电流、SOC、当前输出能力等信息。

1：电池用一个等效电路建模，此电路包括带有有效内阻(Rint)的开路电压源(Voc)。Voc和Rint由SOC的分段线性函数计算。输出中一个为开路电压，一个为电池内阻。

2：电池输出功率限制在一个可行范围内，它由请求功率、当前电压、电池 SOC等共同决定。

3：由Voc，Rint，和实际功率求解等效电路电流的二次方程。

4：电流用来更新电池的有效核电状态SOC。

5：电池的热量模型计算模块的温度，然后反馈去决定电池的性能参数。在该软件中，由于通风散热以及室温等不同，温度模型极难建立而且也不精确，因此采用恒定的温度表示。

(11)仪表模型

此部分包含了油耗数据，其中油耗map为试验获得，百公里油耗通过油耗积分获得总油耗，与车速积分得到路程的比较。

在本实施例中，硬件***包括***电源、上电及掉电延迟模块、供电电源输出模块、CAN通信模块、多功能信号处理模块、频率信号处理电路、RS232通信模块、负载模块、DA模块、电位器、模拟信号分配模块、开关量输出、开关、开关信号分配模块、PWM输出调理模块、高端驱动模块、低端驱动模块和CPU。

其中，各种电路模块如下：

(1)电源处理电路、上电及掉电延迟电路模块、供电电源输出模块

电源由***电源、传感器电源和上电及掉电延迟模块组成，电源处理电路框图如图4所示，***电源是将来自蓄电池的24V电源，通过DCDC1和DCDC2 分别变换为14V和5V两路电源，其中14V在由三颗LDO稳压芯片(LDO1、 LDO2和LDO3)转换为三路5V信号5V_1、5V_2和5V_D，其中5V_1、5V_2 为外部传感器提供供电电源，5V_D为控制器内部5V芯片提供供电电源；5V电源由LDO4稳压芯片转换为3.3V电源供CPU使用，上电及掉电延迟模块在检测到Ignition点火信号后，发出对DCDC1和DCDC2的启动信号，整个控制器上电，同时CPU发出对上电及掉电延迟模块的控制信号；当Ignition点火信号断开后，CPU根据需要延迟断开CPU控制信号，整个控制器断电。

(2)CAN通信模块

快速原型控制器拥有两路CAN总线接口。CAN总线接口符合ISO 11898-2 要求，最大通讯速率可达1Mkbit/s。CAN总线具备短路到电源、短路到地和断线保护。

CAN通信模块包括PowerTrain CAN和Calibrate CAN，其中PowerTrain CAN 用于与整车通信使用，Calibrate CAN用于标定和监控使用，为了使Calibrate CAN 与其它ECU的Calibrate CAN网络终端电阻匹配，在Calibrate CAN处理电路中增加了可配置的处理方式，根据需要选择是否连接终端电阻。

(3)频率信号处理模块

频率信号经频率信号处理电路(即频率信号处理模块)处理后输出给 DSP28335使用。由于仪表需要输出轴转速的信号，故输出轴转速传感器电路需将处理后的转速在输出给CPU使用的同时，还需增加处理电路隔离仪表处理电路对CPU的影响，并将其转换成仪表可用的信号。

(4)RS232通信模块

RS232通信模块用于串行总线接口，优选TRS3223芯片。

(5)负载模块

负载模块是模拟整车控制器VCU的负载，包括功率电阻、继电器、LED等构成。

(6)DA模块

DA输出模块用于通过二阶低通滤波器和DA芯片将数字信号转换成模拟信号。

(7)电位器

电位器采用手动控制滑动变阻器，模拟模拟量信号输出。

(8)模拟信号分配模块，用于选择来自DA模块的模拟量和电位器的模拟量输出，输出通过CS1控制信号选择。

(9)开关量输出，是将CPU的5V电平信号转化输出12V或24V和0V的高、低电平；

(10)开关用于手动控制直接输出输出12V或24V和0V的高、低电平，输出电平通过CS2控制信号选择；

(11)开关信号分配模块，用于选择来自开关量输出模块和开关的输出，输出通过CS3控制信号选择。

(12)PWM输出调理模块是将CPU的输出的0-5V的PWM信号转换成 0-12V或0-24V的PWM信号输出，输出电平通过CS4控制信号选择。

(13)高端和低端驱动模块

功率级驱动电路由功率级、电流测量、功率级监控电路组成。电流测量模块负责测量功率级的输出电流，监测负载的工作状态。功率级监控模块负责监控功率级的驱动状态，并会同电流监测模块一起实现功率级的保护和诊断。

高端驱动驱动芯片采用BTS6163D，低端驱动芯片采用TLE6232，通过CPU 能实时采集每一路的输出电流值，该芯片的自身具有过流，过载保护功能。CPU 根据反馈输入，判断输出短路(对地短路、对电源短路)开路过压过载故障进行区分。

(14)CPU采用TI 32位支持浮点运算的DSP TMS320F28335，总线频率可达150MHz，可直接运行整车物理模型生成的浮点代码。

(15)多功能信号处理模块(即多功能信号处理电路)

数字输入接口采用光耦隔离，能配置成高端或者低端有效模式。

采用硬件配置模式，对输入型号进行选择，可配置为24V高电平有效或接地有效。对输入信号驱动能力有一定要求，带载能大于2mA。就硬件瞬态滤波功能。IO电平也可以配置，5V、3.3V可以选择，其中，5V抗干扰性能强些。

具体的电路如图5所示，通过改变其中的电阻来同时处理模拟量信号和开关量信号。所述多功能信号处理模块包括信号输入接口、电阻R1、电阻R2、电阻 R3、电阻R4、电容C1以及电容C2；

所述信号输入接口通过电容C1接地，所述电阻R1连接于信号输入接口与接点1之间，电阻R2连接于接点1与接点3之间，电阻R3连接于接点1与接点4之间，电阻R4连接于接点1与接点2之间，电容C2连接于接点2与接点4 之间，接点2连接至CPU，接点3连接至电源，接点4接地，接点3与接点4 之间还连接有二极管D1

其中，在本电路图中：

1、去掉R2，实现除温度信号之外的模拟量信号处理功能。

2、去掉R3，实现NTC温度传感器信号处理的功能。

3、图示电路整体可实现高端和低端开关信号处理功能，并可判断开关的悬空和接通状态，用于故障诊断使用。

这种电路通过改变电路中的电阻，可以实现同时处理模拟量信号和开关量信号的功能，根据外部接口的需求，仅需要硬件和软件配置，即可实现模拟量和开关量信号处理的功能，并且能充分利用VCU的接口资源。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种整车控制器便携式硬件在环仿真***，其特征在于，包括：

软件***，其是同Matlab/Simulink搭建整车各个总成的物理模型，集成后构建整车物理模型；

所述软件***具体包括司机输入模型、工况模型、驾驶员模型、发动机及控制器模型、离合器及控制器模型、电机及控制器模型、变速箱传动模型、后桥模型、车轮模型、整车动力学模型、电池模型以及仪表模型，所述司机输入模型、工况模型均连接至驾驶员模型，所述发动机及控制器模型、离合器及控制器模型、电机及控制器模型、变速箱传动模型、后桥模型、车轮模型、整车动力学模型依次连接，所述电池模型连接至电机及控制器模型；

硬件***，基于嵌入式控制器设计，其通过将上述物理模型生成的浮点或定点代码刷写到硬件***中，通过I/O硬线接口和CAN通信实现整车物理模型的数据和整车控制模型数据的交互，进行整车控制硬件在环仿真测试；

所述硬件***具体包括CPU以及分别与CPU连接的***电源、CAN通信模块、多功能信号处理模块、频率信号处理模块、RS232通信模块、负载模块、DA模块、电位器、模拟信号分配模块、开关量输出、开关、开关信号分配模块、PWM输出调理模块、高端驱动模块以及低端驱动模块，所述***电源分别连接上电及掉电延迟模块、供电电源输出模块，所述模拟信号分配模块还分别连接DA模块、电位器，所述开关信号分配模块还分别连接开关量输出、开关；

所述***电源是将来自蓄电池的24V电源，通过DCDC1和DCDC2分别变换为14V和5V两路电源，其中14V在由三颗LDO稳压芯片LDO1、LDO2和LDO3转换为三路5V信号5V_1、5V_2和5V_D，其中5V_1、5V_2为外部传感器提供供电电源，5V_D为控制器内部5V芯片提供供电电源；

5V电源由LDO4稳压芯片转换为3.3V电源供CPU使用，上电及掉电延迟模块在检测到Ignition点火信号后，发出对DCDC1和DCDC2的启动信号，整个控制器上电，同时CPU发出对上电及掉电延迟模块的控制信号；

当Ignition点火信号断开后，CPU根据需要延迟断开CPU控制信号，整个控制器断电；

所述多功能信号处理模块包括信号输入接口、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1以及电容C2；

所述信号输入接口通过电容C1接地，所述电阻R1连接于信号输入接口与接点1之间，电阻R2连接于接点1与接点3之间，电阻R3连接于接点1与接点4之间，电阻R4连接于接点1与接点2之间，电容C2连接于接点2与接点4之间，接点2连接至CPU，接点3连接至电源，接点4接地，接点3与接点4之间还连接有二极管D1。

2.根据权利要求1所述的一种整车控制器便携式硬件在环仿真***，其特征在于，所述发动机及控制器主要实现VCU扭矩执行，并输出转速及扭矩，主要分为3部分：实际扭矩计算、怠速控制和最高转速保护。

3.根据权利要求1所述的一种整车控制器便携式硬件在环仿真***，其特征在于，所述整车动力学模型根据公式F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j建模，F_t为整车阻力，其中：

滚动阻力F_f＝mgfcosα，式中：m为整车质量，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角；

空气阻力

式中：C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，u_a为车速；

坡道阻力F_i＝mgsinα，式中：g为重力加速度；

加速阻力

式中：δ为旋转质量换算系数。

4.根据权利要求1所述的一种整车控制器便携式硬件在环仿真***，其特征在于，所述电位器采用手动控制滑动变阻器，模拟模拟量信号输出。