燃料電池汽車整車控制器硬件在環實時仿真測試平臺設計
2013-08-12
本文基于Matlab／Simulink RTW和XPC Real-time Target實時仿真平臺，配合PCI數據采集卡底層軟件的開發和信號調理裝置硬件設計，系統地實現了燃料電池汽車整車控制器仿真測試平臺。利用該平臺可以對整車控制器硬件電氣特性、底層軟件平臺和控制算法等進行測試。
硬件在環實時仿真測試平臺方案設計
硬件在環實時仿真平臺構建了虛擬的整車環境，并基于虛擬的人機交互司機模型，將人作為硬件在環的一個元素引入到實際的仿真測試中，具體結構如圖2所示。兩個基于工業控制計算機的虛擬平臺分別為虛擬整車平臺和虛擬司機平臺。虛擬整車平臺基于Matlab／SimulinkxPC Target實時仿真環境，作用是模擬真實燃料電池客車的運行，為測試整車控制器提供所需的虛擬控制對象。虛擬司機平臺基于Matlab／Simulink RTW Target實時仿真環境，作用是模擬真實燃料電池客車的操控機構，配合加速踏板為測試整車控制器提供所需的虛擬駕駛環境。當兩個計算機虛擬平臺對實際環境進行模擬時，通過數據采集卡、CAN通訊卡與可配置的信號處理裝置相連，可配置的信號處理裝置對信號進行處理，從而實現真實的復雜整車環境，直接與整車控制器連接進行仿真測試試驗。并配有基于CAN總線的實時監控裝置，可以全過程實時地監控仿真測試試驗。
硬件在環實時仿真測試平臺硬件設計
虛擬平臺硬件設計
虛擬平臺的硬件需要完成計算機模型產生的虛擬信號到真實信號的轉換，這些信號包括數字量輸入輸出信號、模擬量輸入輸出信號和CAN通訊信號。例如燃料電池發動機啟動開關信號屬于數字信號，電機轉速信號屬于模擬信號，而控制器控制命令通過CAN總線網絡進行傳送。
虛擬平臺的數字信號和模擬信號通過PCI接口的數據采集卡實現與真實世界的交換。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實時仿真環境的數據采集卡，可以采用Matlab／Simulink環境下的S函數編寫，并在Matlab環境下調用動態鏈接庫。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函數進行集成。整個虛擬平臺共具備32路數字量輸入接口、32路數字量輸出接口、32路數字量輸入／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。而從虛擬平臺經過數據采集卡輸出的信號比較單一，故經過信號調理器對信號進行調理后，才能夠完全再現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，虛擬平臺產生或接收的數字模擬信號通過PCI總線與數據采集卡相連。數據采集卡與可配置的信號調理器之間通過專用的數據線進行數據交換，經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范，并采用標準接口與待測整車控制器相連，從而實現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，可以實現各種車輛的不同信號規范。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。母板和子板聯合工作，可以根據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動機、DC-DC變換器、蓄電池、異步驅動電機及車輛負載。系統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實時仿真環境上運行。整車仿真模型通過PCI數據采集卡和PCI CAN卡實現與駕駛員和整車控制器的通訊。
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