基于MotoTron的整车控制系统半实物仿真平台开发

海争平 黄伟

摘要：硬件在环仿真测试是电动汽车控制系统设计中的重要过程，本文提出了一种基于MotoTron快速开发平台，快速搭建起电动汽车整车控制系统的半实物仿真平台的方案，根据整车控制器的控制需求，利用点火开关、踏板和档位开关等实物与MotoTron平台相结合，实现验证整车控制策略的功能，具有简便，低成本的优点。

Abstract： The hardware-in-the-loop simulation is an important process in the electric vehicle control system design. This paper proposes a hardware-in-the-loop simulation platform of electric vehicle control system based on the MotoTron rapid development platform. According to the requirements of the vehicle controller， the ignition switch， pedals and gear switch material are combined with MotoTron platform， which verifies the function of the vehicle control strategy. This method is simple and low-cost.

关键词：电动汽车；半实物仿真；MotoTron

Key words： electric vehicle；semi-physical simulation；MotoTron

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0213-04

0 引言

近年来，随着电动汽车的蓬勃发展，电动汽车整车控制技术受到汽车厂家越来越多的重视。目前电动汽车整车控制器的开发普遍采用V模式开发流程，对整车控制策略进行功能测试是开发中必不可少的一步，通常要进行软件仿真测试、硬件在环测试和实车道路测试[1]。通常硬件在环仿真在整车道路试验之前、软件仿真测试之后，主要有三个目的，一是模拟实际硬件信号对控制策略的功能进行验证，发现软件仿真中的问题；二是对控制参数进行初步标定，减少实车标定的工作量；三是进行故障仿真测试，避免道路测试中遇到危险[2]。目前主流的硬件在环仿真系统主要有dSPACE，ETAS系统和基于PXI的NI系统，这三个系统是目前车企中应用比较多的，但是有一个共同的问题，就是成本昂贵，采购周期较长，操作复杂。本文提出了一种基于MotoTron快速开发平台快速搭建起电动汽车整车控制系统的半实物仿真平台的方案，一种低成本、易操作的控制功能验证解决方案。

1 系统方案

根据前文的分析，整车控制器的硬件在环平台有三个基本要求：①硬件系统可以输出整车控制器所需的真实物理信号，并能输入故障信号；②该平台软件系统可以模拟整车关键系统部件的特性，并由硬件信号输出；③显示仿真结果，便于数据分析。

针对硬件系统，电动汽车上的传感器信号和控制量比较单一，一般为12V的开关量或方波，0到5V的模拟量以及CAN总线信号。整车控制器需要的开关量和模拟量类型的信号并不多，关键部件如电机和电池系统的信息都是通过CAN总线发送给整车控制器的。所以根据某款电动样车的控制系统的要求，選择了一款48针的GCM0563048控制器作为半实物平台的模型控制器。硬件在环仿真的核心在于整车仿真模型，在不选择昂贵的商业模型的条件下，抛开对仿真模型的精度的要求，厂家完全可以根据控制策略的特点，建立自己的仿真模型。目前dSPACE和NI系统的仿真模型都是在MATLAB/Simulink中建立，MotoTron平台的建模工具MotoHawk也是基于MATLAB/Simulink开发，利用其可以实现MATLAB/Simulink模型到硬件代码刷写的无缝连接，可实现仿真模型的快速更改，在仿真时还可以通过MotoTune对硬件中的模型参数进行实时修改[3]。针对仿真结果，一方面可以通过LCD屏进行实时显示车辆状态信息，另一方面采用PC机中的上位机读取总线上的数据解析后进行数据分析。

因此，半实物仿真平台将在MATLAB/Simulink中自行建立建立电池、电机和车辆等系统的仿真模型，并利用MotoHawk集成点火开关、换挡器、制动和油门踏板等控制器输入、输出信号的端口驱动模块，通过编译后下载至模型控制器中。模型控制器与开发的纯电动汽车VCU相连，通过给定工况的输入和人机界面的操作，使VCU工作于不同的工作模式下，验证开发的整车控制策略。系统搭建的原理示意图如图1所示。

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2 系统实现

2.1 搭建硬件平台 分析整车控制器的输入信号，整车控制器进行控制必须获得电机、电池的状态，以及钥匙、油门、制动和手刹信号等信息，这些信息可大致分为驾驶员操作信号、电机状态信息和电池状态信息。电机和电池的状态信息都是通过整车CAN总线网络传输给整车控制器，只要联通整车控制器与模型控制器的CAN总线即可，剩下的驾驶员操作信号可以通过实物来输出。

在平台搭建中，点火开关信号采用真实的汽车点火开关，可以输出ACC、ON和STAR信号，油门踏板也采用实车的油门踏板，以便输出与实车油门一致的两路电压信号，实车档位信号输出为两路开关量，为了减少平台占用空间，直接采用三档位开关进行模拟。由于制动时需要同时输出一个开关量和一个模拟量信号实现制动能回收策略的测试，采用了一个带开关信号的油门踏板来替代，手刹、充电枪等信号均通过开关实现。为了实现故障信号的输入，所有的输入输出信号必须通过故障注入板，再由故障板接入到整车控制器。在故障注入板上将通过多路开关对输入信号进行截取，通过这些开关的切换可以实现真实信号的截断，故障信号的输入。该样车整车控制器的控制输出比较简单，对电机和电池系统的控制主要通过CAN总线实现，其他控制直接通过IO引脚输出。同样这些输出信号需要经过故障注入板的处理后再连接模型控制器。将所有硬件集成后，半实物平台如图2所示（整车控制器和模型控制器及连接线束位于平台背面）。

2.2 建立整车仿真模型 基于MATLAB/Simulink建立整车仿真模型，整车模型主要分为电机、电池和车辆三部分，所需的数据全部来自该电动样车的实际参数。

2.2.1 电机模型（如图3） 从电机参数易可得性考虑，电机模型目前只使用四个参数：电机转矩特性曲线，最高转速、欠压保护值和过温保护值。电机模型在母线电压、电机温度和电池功率输出正常时，将根据反求的电机转速输出符合扭矩特性曲线的扭矩值，电机的状态信息输出至CAN模块。

2.2.2 电池模型（如图4） 电池模型使用特性参数：电池串数、电池容量、初始SOC、單体最高电压、最低电压和电池内阻特性等。电池模型将根据电池状态对电机的需求功率进行判断，决定是否限制电机输出功率，电池模型中还考虑了温度对电池特性的影响。

2.2.3 整车模型（如图5） 车辆模型使用特性参数有：主减速比、整车质量、变速器速比、轮胎半径、空气阻力系数、迎风面积、滚动阻力系数和坡度等。由于电动采用固定速比的减速器，减速器模型也集成在车辆模型中。

2.3 LCD显示 通过LCD实现类似于车辆仪表的功能，操作人员可以直观的看到车辆的状态。LCD采用CAN总线通讯，为了加快显示速度，LCD的显示数据不从各系统报文中读取，改由模型控制器通过独立的CAN网络发送定义好的数据帧。

3 仿真测试

在整车仿真模型搭建完成后，通过MotoHawk集成所有的硬件端口模块，就可以编译下载至模型控制器，然后根据测试用例进行整车控制器的功能验证。

某电动样车的实车测试结果为：最高车速为80km/h，0～50km/h的加速时间8.9s，0～80km/h加速时间16.45s，60km/h等速行驶里程120km。

通过控制油门输入进行最高车速加速仿真测试，仿真结果见图6。测试时最高车速达到81km/h，0～50km/h的加速时间为6.96s，50～80km/h加速时间为15.23s。进行60km/h等速行驶测试，行驶里程大于120km。

进行CAN网络总线的断路测试、油门某路信号的错误输入等故障输入测试，整车控制器也能及时反映，可得到正确的仿真结果。

4 结论

本文提出的简易电动汽车整车控制系统半实物仿真平台方案，基于MotoTron快速开发平台结合点火开关、踏板和档位开关等实物搭建，具有模拟车辆信号与注入故障信号、建立仿真模型和输出测试信息等功能，可实现对整车控制器的功能验证，经过测试，满足整车控制器硬件在环测试的基本要求。

参考文献：

[1]刘帝平.硬件在环测试在纯电动汽车VCU开发中的运用，机电技术，2013（1）：93-96.

[2]蒋治，刘伦洪，唐小琦，李培根，电动汽车半实物仿真测试平台HUSTEVP的研究和设计，汽车技术，2003（10）：25-28.

[3]高海宇，陆文昌，商哲，甄疼，基于MotoTron平台的发动机ECU快速原型开发，柴油设计与制造，2008（3）：16-20.