燃料電池汽車整車控制器硬件在環(huán)實時仿真測試平臺設計
虛擬平臺的數(shù)字信號和模擬信號通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)與真實世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅動程序,可以直接用于實時仿真。對于部分不支持Matlab實時仿真環(huán)境的數(shù)據(jù)采集卡,可以采用Matlab/Simulink環(huán)境下的S函數(shù)編寫,并在Matlab環(huán)境下調用動態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅動程序,因此采用S函數(shù)進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數(shù)字量輸入接口、32路數(shù)字量輸出接口、32路數(shù)字量輸入/輸出復用接口、32路模擬量輸入接口和20路模擬量輸出接口。
虛擬平臺產(chǎn)生或接收的CAN信號通過PCI總線與CAN通訊卡相連,由CAN通訊卡通過CAN總線與待測整車控制器進行通訊。虛擬平臺支持CAN2.0A和CAN2.0B擴展協(xié)議,能夠同時輸出2路獨立的CAN信號。
信號調理器硬件設計
由于燃料電池客車上的信號比較復雜,數(shù)字信號有24V、12V和5V等不同的驅動電平和驅動方式,模擬信號也有各種電壓范圍和驅動功率的不同需求。而從虛擬平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號比較單一,故經(jīng)過信號調理器對信號進行調理后,才能夠完全再現(xiàn)燃料電池客車上的真實控制接口,直接與整車控制器連接進行仿真測試。
如圖2所示,虛擬平臺產(chǎn)生或接收的數(shù)字模擬信號通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡相連。數(shù)據(jù)采集卡與可配置的信號調理器之間通過專用的數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)交換,經(jīng)過可配置的信號調理器對信號進行必要的放大、電平轉換、邏輯轉換后,輸出信號完全符合實際整車信號規(guī)范,并采用標準接口與待測整車控制器相連,從而實現(xiàn)對整車控制器的無縫連接。通過調整可配置信號調理器的配置方式,可以實現(xiàn)各種車輛的不同信號規(guī)范。信號調理器為靈活的母板子板設計,母板完成通用的信號連接電源供給等任務,子板完成具體的可配置信號處理功能。母板和子板聯(lián)合工作,可以根據(jù)用戶的需要隨時更換子板電路,以滿足不同仿真測試的需要。
硬件在環(huán)實時仿真測試平臺軟件設計
虛擬整車平臺軟件設計
虛擬整車平臺基于Matlab/Simulink平臺構建了燃料電池汽車仿真模型,該模型包括燃料電池發(fā)動機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動電機及車輛負載。系統(tǒng)各部件模型一方面需考慮模型精度,另一方面必須滿足實時性的要求。整個模型在Matlab/Simulink xPC Target實時仿真環(huán)境上運行。整車仿真模型通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。
虛擬司機平臺軟件設計
虛擬司機平臺實現(xiàn)了可供駕駛員操作的虛擬駕駛環(huán)境。除了駕駛加速信號由測試人員通過踏板輸入外,其余整車肩停開關、燃料電池開關、電機轉速表、車速表、水溫報警等控制開關和儀表均由虛擬司機平臺實現(xiàn)。整個模型基于Matlab/Simulink RTW Target實時仿真環(huán)境實現(xiàn),并利用Matlab Gauges工具箱實現(xiàn)了整車儀表顯示和控制開關輸入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)的儀表開發(fā)工具,利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地開發(fā)出虛擬車用儀表系統(tǒng)。虛擬司機仿真模型同樣通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。
實時性能分析
Matlab/Simulink為實時仿真提供了很好的軟件環(huán)境。Real-TimeWorkshop代碼自動生成工具可以將仿真模型編譯生成實時C代碼,并支持多種實時仿真目標環(huán)境,包括Matlab 工具箱RTW Target、xPC Tar-get以及第三方軟件,如dSPACE等。本文選擇了xPC Target和RTW Target來構建虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。
整車虛擬平臺承擔再現(xiàn)真實燃料電池汽車運行的任務,是整個測試平臺的核心部件。由于燃料電池汽車結構復雜、控制對象較多,為了真實再現(xiàn)整車運行情況,系統(tǒng)各部件模型除了需要滿足精度要求外,還必須嚴格滿足實時性的要求。整車虛擬平臺采用的xPC Target實時仿真環(huán)境采用目標機和宿主機的結構,由Matlab生成的實時內核通過軟驅或者USB閃存獨立運行在目標機上,直接調用CPU資源。仿真模型通過宿主機編譯生成實時代碼后下載到目標機上運行,能夠實現(xiàn)嚴格的系統(tǒng)實時仿真。
虛擬司機平臺采用的RTW Target實時內核直接運行在Matlab/Simulink環(huán)境中,在同一臺PC機上就能夠迅速實現(xiàn)系統(tǒng)的實時仿真。其缺點是由于整個系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)下運行,實時內核不能完全占有PC機操作系統(tǒng)資源,實時性受其他運行程序的影響。由于駕駛員模擬操作對實時性要求不高,因此選擇RTW Target實時仿真環(huán)境能夠滿足這一要求。
實時仿真信號定義
虛擬整車平臺、虛擬司機平臺的信號定義如表1、表2所示,與目標燃料電池汽車完全保持一致。虛擬整車平臺定義了燃料電池汽車各部件控制器CAN網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)議以及整車控制器制動信號輸入和整車車速輸出。虛擬司機平臺系統(tǒng)信號包括各種駕駛員指令輸出以及駕駛員面板顯示信息輸入,并定義了一個數(shù)據(jù)采集CAN節(jié)點。虛擬整車平臺與虛擬司機平臺除了車速信號、CAN網(wǎng)絡信號的聯(lián)系,其他所有信號均是與整車控制器交互。
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