基于dSPACE的纯电动汽车实验平台设计

张正中，周梅芳

(金华职业技术学院，浙江 金华 321007)

当前，由于全球面临着大气污染和能源短缺的危机，汽车发展重心已经由原来的燃油汽车转向新能源汽车的研究和开发。而其中的纯电动汽车为代用燃料汽车，是研究和开发的一个重点[1]。

在纯电动汽车的开发过程中，仿真技术在设计过程内具有重要的作用，其缩短设计周期，降低研制费用，提高汽车的性能[2]。同时，在纯电动汽车研发阶段，引用 HILS（Hardware-in-the-Loop Simulation）作为替代纯电动汽车整车真实环境或设备的一种典型方法，能够提高仿真的逼真性，解决以前存在于系统中的许多复杂建模难题[3]，从而可以将纯电动汽车控制系统设计软件（如MATLAB/Simulink）开发的控制算法，在一个实时的硬件平台上实现，以便观察与实际的控制对象相连时，控制算法的性能。如果控制算法不理想，还可以很快地进行反复设计，反复试验，直到找到理想的控制方案。

另外，在纯电动汽车开发的初期阶段，通过快速控制原型RCP（Rapid Control Prototyping）快速地建立电动汽车中控制对象原型及控制器模型，并对设计好的控制系统进行多次离线的及在线的试验，来验证纯电动汽车控制系统软、硬件方案的可行性。

本文通过应用dSPACE实时仿真系统，一体化解决纯电动汽车在HILS和RCP应用时的协调和统一。dSPACE可以运用于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。

1 dSPACE系统一体化解决途径

dSPACE实时仿真系统，是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接。其中包括硬件系统和软件环境两大部分[4]。

通过dSPACE提供的各种I/O板，在原型控制算法和控制对象之间，搭建起一座实时的桥梁。让控制工程师将全部精力放在控制算法的研究和试验上，从而开发出最适合控制对象或环境的控制方案。与传统的开发流程相比，基于dSPACE的实时仿真系统有着不可比拟的优势，如表1所示。

表1 基于dSPACE开发流程与传统开发流程的对比

要实现电动汽车快速控制原型，必须有集成良好便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具。dSPACE实时系统允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真。这样，就可以将错误及不当之处，消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。

使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷。还可在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路（BYPASS）技术，将原型电控单元（ECU：Electronic Control Unit）或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换[5]，快速原型控制过程如图1所示。

图1 快速原型控制过程

当应用于电动汽车研发的新型控制系统设计结束，并已制成产品型控制器，需要在闭环下对其进行详细测试。但由于种种原因，如极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进行。例如：在积雪覆盖的路面上，进行电动汽车防抱死装置（ABS）控制器的测试，就只能在冬季有雪的天气进行；有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下（如：控制对象与控制器并行开发），对其进行测试。此时可以应用dSPACE实时仿真系统的HIL仿真解决这一问题。

图2 电动汽车ECU硬件在回路仿真架构

当前，许多控制工程师都把HILS仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法。在HILS仿真中，实际的控制器和用来代替真实环境或设备的仿真模型，一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模型的部件（如液压系统）可以保留在闭环中，这样就可以在实验室环境下，完成对电动汽车ECU的测试，从而可以大大降低开发费用，缩短开发周期。电动汽车ECU硬件在回路仿真架构如图2所示。

2 基于dSPACE的电动汽车实时仿真系统

对电动汽车而言，汽车的舒适性、效率及安全性，相当依赖于实现动力系控制、防抱死刹车系统、牵引控制等的电控单元的性能。ECU的软件也越来越复杂，以至于在开发的早期，就需进行详细测试。如果用真实的汽车对新的ECU进行测试，既昂贵又消耗时间,特别是进行一些极限环境下的测试，如积雪覆盖的路面上的小摩擦测试，就只能局限于冬季的几个月。而且用真实汽车进行测试存在可重复性差、不能复现同一测试条件等缺点。硬件在回路仿真这种技术，允许在测试台上重复进行测试，从而可以比较产品型ECU及原型ECU的各种特性。

如图3所示，针对具体的电动汽车控制目标（如电动汽车ABS控制器测试）进行具体功能分析设计后，在MATLAB/Simulink中进行开发，通过快速原型设备中的I/O转化生成目标实时代码。然后通过与电动汽车标定后的硬件进行实时的硬件在回路仿真。

图3 基于dSPACE的电动汽车实时仿真系统建立

为了与真实的电动汽车一样给ECU提供I/O信号，整个模型的仿真必须在1 ms步长内执行完毕（小于ABS控制器的采样时间）。在仿真最复杂的电动汽车配置和操纵时，也能使步长小于1 ms，仿真任务由5个TMS320C40 DSP联合进行。主DSP负责计算驱动轨迹模型；用2个DSP来建立轴系；其他2个DSP向4个从处理器写入141个信号，读取175个信号。5个DSP并行，在不同配置下，模型的仿真执行时间从650 μs到940 μs不等。这比用单处理仿真速度快2.5～3倍，如图4所示。

在试验过程中，用户选定的系列变量，可以被实时地记录下来。最后，这些信号（如刹车压力，车轮打滑，车轮的轴向及侧向压力等）被自动装载到MATLAB工作区。使用MATLAB描述语言，很容易就能实现不同配置的自动顺序试验。

图4 电动汽车ABS控制硬件在回路设置

利用TRACE和COCKPIT，可以在试验过程中对仿真器进行深一步的观测。通过COCKPIT虚拟仪表可用条图，标尺及数字显示器的方式来显示模型的一些重要参数。使用COCKPIT游标，可以方便地修改参数，如摩擦系数等。

在测试结束后，有57个信号的实时数据，被传送到MATLAB工作区。尽管对实验分析来说这些数据已够多的了，但想获得较为直观的汽车运动情况是很困难的。因此HIL仿真器上配置了Real Motion三维动画程序。在试验过程中记录下的图形画面，可以存入文件中。记录下来的画面可以单步重放，从而允许对极限情况进行仔细分析。

3 结束语

利用dSPACE提供的一体化解决途径开发平台，在电动汽车试验开发中，可方便快捷地构建控制系统的模型，完成控制系统的设计和调试。同时，能快速地将控制算法在实时硬件平台上实现。基于dSPACE的电动汽车实验台系统，能实现大部分电动汽车的实验并具有良好的运行效果，所使用的dSPACE快速控制原型构造简单、在线调参方便，采用这种基于dSPACE的电动汽车实验台系统设计方法，大大缩短电动汽车控制算法实验的周期。

[1]张翔，钱立军，张炳力，赵 韩.电动汽车仿真软件进展[J].系统仿真学报，2004，16(8)：1621-1623.

[2]邹 渊，孙逢春，王 军，何洪文.电动汽车用仿真软件技术发展研究[J].机械科学与技术，2004，23(7)：761-764.

[3]马培蓓，吴进华，纪 军，徐 新.dSPACE实时仿真平台软件环境及应用[J].系统仿真学报，2010，16(4)：667-671.

[4]胡 浩，徐国卿，朱阳.基于dSPACE的电动车动力系统仿真[J].机电一体化，2009，16(4)：65-68.

[5]恒润科技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平台实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化解决途径[Z].北京:恒润科技公司，2005.