基于d SPACE的纯电动客车VCU硬件在环仿真测试

陈顺东，李 韧

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051）

近年来，硬件在环仿真HILS（Hardware in the Loop Simulation）技术已经成为国内外汽车工程师研发过程中的必备环节，特别是在车辆电子控制系统开发过程中越来越被广泛应用。汽车安全性要求高，汽车相关控制系统必须安全可靠，特别是在各种极端环境下的安全可靠更为重要[1-2]。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，而硬件在环的实时仿真技术，把开发的待验证的实际样机，利用计算机接口嵌入到硬件在环仿真环境中，并要求软硬件实时运行，从而模拟整个系统的运行状态[3]。dSPACE是由德国dSPACE公司开发的一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发和测试的设备，采用其开发的HILS系统与待测样机构成硬件在环仿真系统，模拟各种运行情况测试，从而缩短开发周期、减少费用支出[4]。

1 dSPACE软硬件架构及其纯电动客车VCU硬件在环系统

dSPACE公司应用Matlab/Simulink根据用户要求实现软件建模，并根据数学模型和软件仿真验证系统模型的正确性[5]。如图1所示，其中包括电子油门、刹车踏板模型、CAN通讯模型[6]、气路系统模型、驾驶员模型、整车空气动力模型、电机驱动模型等。然后将模型生成软件代码下载到d SPACE硬件和待测样机结合，模拟各种极端状况下的实时工况，测试样机的稳定性和安全性[7]。

dSPACE硬件主要由DS1006核心主控板、DS2211I/O板、DS814通讯接口板、CAN通讯接口板、故障注入板卡、负载板卡、电源等构成。其中DS1006核心板采用AMD OpteronTM处理器，主频在2.6 GHz；包含3个通用定时器；通过PHS总线连接各种dSPACE的I/O板卡，总线速度为20 MB/s；包含RS232串行接口，速度为115.2 kbit/s；完全支持 Simulink 编程等[8-10]。

根据整车控制单元VCU（Vehicle Control Unit）的功能要求并充分考虑到纯电动客车的使用环境，在实验室环境下，搭建基于dSPACE的HILS平台，实物照片如图2所示。其中主要包括VCU、dSPACE硬件在环平台（包含BOB－Break-Out-Box）、上位机、纯电动车用仪表。

如图3为其连接方式：VCU的接口连接到短路故障注入盒BOB，其中包括整车控制器的电源、输入、输出和CAN通讯等；BOB的另一端接到dSPACE硬件在环平台；dSPACE硬件在环平台再通过DS814通讯接口板连接到上位机；车用仪表通过CAN连接到BOB和整车其它设备通讯，实时显示车速、电机转速、电压、电流等信息，由dSPACE上位机界面Control Desk对dSPACE硬件在环平台进行实时开环控制或路谱在环实验等。

2 测试流程和结果分析

根据VCU设计构想，最终采用了完整的路谱循环测试方案，具体操作如下：

首先验证有VCU控制的整车的上电逻辑，上电完成后，由dSPACE上位机加载路谱信息，dSPACE的软件驾驶员模型根据路谱信息得到需求的车速，再计算出实时需求电子油门和刹车踏板位置信息，通过模拟信号接到VCU硬件接口，VCU通过内部A/D采集踏板信息，通过程序对踏板位置处理后，将踏板位置转换为相应的扭矩信息，通过CAN网络发送给dSPACE。dSPACE软件根据整车空气动力模型和电机驱动模型等计算得到实际运行车速和电机转速。dSPACE内部集成气路系统模型，气路模型把气压信息发送给VCU，由VCU根据气压阈值判断并控制气动系统的起停。

按照以上测试流程，对VCU的功能逐一验证。首先验证了整车的上电逻辑，符合要求。上电验证完成后，实施路谱自动循环实验，如图4所示。从图4中可以看出，车速跟随较好，整车在起步加速阶段速度跟随稍显滞后，这与模拟整车满载工况设置的阻力系数偏大有关；变速行驶阶段速度跟随基本一致，动态响应性能完全满足实车需求。

图5-图7分别为实时电子油门踏板位置、实时电子刹车踏板位置和VCU通过CAN发送实时扭矩。从图中可以看出，与给定车速变化对应油门、刹车踏板位置变化和VCU采集到踏板位置处理后发送的实时扭矩信号的变化。图7中负扭矩为刹车踏板动作后，VCU通过CAN网络发送的实时制动扭矩。

3 结束语

本文详细论述了基于dSPACE的纯电动客车VCU硬件在环仿真测试系统，从理论上阐述了测试系统的可行性和必要性。通过搭建适用VCU的dSPACE HILS平台，制定详细的测试实验流程，并进行实时路谱在环测试。试验结果验证了VCU样机的性能，利用此平台大大缩短了VCU开发周期，节省了VCU实车测试的成本。

[1]朱辉，王丽清，程昌圻，等.硬件在环仿真系统的软硬件基础[J].小型内燃机，1998，27（6）

[2]陈建松，陈南，殷国栋，等.基于dSPACE的4WS车辆硬件在环控制仿真研究[J].系统仿真学报，2010，22（7）

[3]杨涤，李立涛，杨旭，等.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京:清华大学出版社，2002.

[4]诸自强.现代电动车、电机驱动及电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[7]卢子广，柴建云，王祥珩，等.电力驱动系统实时控制虚拟实验平台[J].中国电机工程学报，2003，（4）

[8]dSPACE,Hardware-in-the-Loop(HIL)Technology[J].Shanghai:dSPACE GmbH，2011.

[9]dSPACE,dSPACE Real-time Interface Imlementation Guide[J].Shanghai:dSPACE GmbH,2004.

[10]北京九州恒润科技有限公司.实时快速原型及硬件在环回路仿真的一体化解决途径[DB/OL].（2003-01-01）[2012-03-05].http://www.doc88.com/p-684300846312.html