燃料電池汽車整車控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)設(shè)計(jì)
2013-08-12
本文基于Matlab／Simulink RTW和XPC Real-time Target實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，配合PCI數(shù)據(jù)采集卡底層軟件的開發(fā)和信號(hào)調(diào)理裝置硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺(tái)。利用該平臺(tái)可以對整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺(tái)和控制算法等進(jìn)行測試。
硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)方案設(shè)計(jì)
硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建了虛擬的整車環(huán)境，并基于虛擬的人機(jī)交互司機(jī)模型，將人作為硬件在環(huán)的一個(gè)元素引入到實(shí)際的仿真測試中，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的虛擬平臺(tái)分別為虛擬整車平臺(tái)和虛擬司機(jī)平臺(tái)。虛擬整車平臺(tái)基于Matlab／SimulinkxPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的運(yùn)行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機(jī)平臺(tái)基于Matlab／Simulink RTW Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，作用是模擬真實(shí)燃料電池客車的操控機(jī)構(gòu)，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環(huán)境。當(dāng)兩個(gè)計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)對實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號(hào)處理裝置相連，可配置的信號(hào)處理裝置對信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的復(fù)雜整車環(huán)境，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測試試驗(yàn)。并配有基于CAN總線的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，可以全過程實(shí)時(shí)地監(jiān)控仿真測試試驗(yàn)。
硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
虛擬平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
虛擬平臺(tái)的硬件需要完成計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的虛擬信號(hào)到真實(shí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這些信號(hào)包括數(shù)字量輸入輸出信號(hào)、模擬量輸入輸出信號(hào)和CAN通訊信號(hào)。例如燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)屬于模擬信號(hào)，而控制器控制命令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。
虛擬平臺(tái)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)通過PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與真實(shí)世界的交換。采用的各種通訊卡一般都具有Matlab底層軟件驅(qū)動(dòng)程序，可以直接用于實(shí)時(shí)仿真。對于部分不支持Matlab實(shí)時(shí)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(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫。本文采用的PCI1731、PCI1723和PCI1720板卡并不配套Matlab驅(qū)動(dòng)程序，因此采用S函數(shù)進(jìn)行集成。整個(gè)虛擬平臺(tái)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(fù)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(tái)產(chǎn)生或接收的CAN信號(hào)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(jìn)行通訊。虛擬平臺(tái)支持CAN2.0A和CAN2.0B擴(kuò)展協(xié)議，能夠同時(shí)輸出2路獨(dú)立的CAN信號(hào)。
信號(hào)調(diào)理器硬件設(shè)計(jì)
由于燃料電池客車上的信號(hào)比較復(fù)雜，數(shù)字信號(hào)有24V、12V和5V等不同的驅(qū)動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)方式，模擬信號(hào)也有各種電壓范圍和驅(qū)動(dòng)功率的不同需求。而從虛擬平臺(tái)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出的信號(hào)比較單一，故經(jīng)過信號(hào)調(diào)理器對信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，才能夠完全再現(xiàn)燃料電池客車上的真實(shí)控制接口，直接與整車控制器連接進(jìn)行仿真測試。
如圖2所示，虛擬平臺(tái)產(chǎn)生或接收的數(shù)字模擬信號(hào)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(hào)調(diào)理器之間通過專用的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)過可配置的信號(hào)調(diào)理器對信號(hào)進(jìn)行必要的放大、電平轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)完全符合實(shí)際整車信號(hào)規(guī)范，并采用標(biāo)準(zhǔn)接口與待測整車控制器相連，從而實(shí)現(xiàn)對整車控制器的無縫連接。通過調(diào)整可配置信號(hào)調(diào)理器的配置方式，可以實(shí)現(xiàn)各種車輛的不同信號(hào)規(guī)范。信號(hào)調(diào)理器為靈活的母板子板設(shè)計(jì)，母板完成通用的信號(hào)連接電源供給等任務(wù)，子板完成具體的可配置信號(hào)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(shí)更換子板電路，以滿足不同仿真測試的需要。
硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
虛擬整車平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
虛擬整車平臺(tái)基于Matlab／Simulink平臺(tái)構(gòu)建了燃料電池汽車仿真模型，該模型包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車輛負(fù)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(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)模型在Matlab／Simulink xPC Target實(shí)時(shí)仿真環(huán)境上運(yùn)行。整車仿真模型通過PCI數(shù)據(jù)采集卡和PCI CAN卡實(shí)現(xiàn)與駕駛員和整車控制器的通訊。
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