|
Development of Vehicle Calibration System for Hybrid Electric Vehicle Using NI CompactRIO 作者：邵斌 職務(wù)：測試工程師 公司：上海華普汽車(chē) 應用領(lǐng)域：自動(dòng)化測試 挑戰：針對混合動(dòng)力汽車(chē)的特性，開(kāi)發(fā)了基于NI CompactRIO的混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)標定系統，在臺架及整車(chē)調試階段，可以利用該系統對整車(chē)控制器內部的標定參數變量進(jìn)行在線(xiàn)修改，以達到優(yōu)化整車(chē)各項性能的目的。 應用方案：使用NI公司的CompactRIO實(shí)時(shí)控制器、Labview Real-Time、Labview FPGA、Labview RIO和Labview Real-Time Application工具來(lái)開(kāi)發(fā)該自動(dòng)化測試系統。 使用的產(chǎn)品： Labview 8.5 軟件開(kāi)發(fā)平臺 Labview Real-Time模塊 Labview FPGA模塊 Labview RIO模塊 NI CompactRIO-9014 帶128MB DRAM的實(shí)時(shí)控制器 NI CompactRIO-9104 8槽可再配置 嵌入式機箱 NI 9853 2-Port High-Speed CAN Module 介紹 混合動(dòng)力汽車(chē)融合了傳統車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢，其做為較成熟的新能源力量，已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展。其整車(chē)控制器（VCU）用于實(shí)現整車(chē)能量管理和動(dòng)力系統控制，是混合動(dòng)力車(chē)的控制中樞。VCU中的控制參數是實(shí)現混合動(dòng)力車(chē)性能的關(guān)鍵因素之一，必須進(jìn)行相應的優(yōu)化和標定工作。 車(chē)用電控單元標定是一個(gè)十分復雜的過(guò)程，一方面是由于被控系統工作狀況的復雜性；另一方面是許多控制參數之間存在著(zhù)影響。電控單元的運行參數和控制參數的優(yōu)化需要使用專(zhuān)門(mén)的工具進(jìn)行分析和修改，于是誕生了電控單元的標定系統。標定系統的選用關(guān)系到標定質(zhì)量、標定時(shí)間和標定成本。因此選用一個(gè)完善、適用的電控單元標定系統是電控系統開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵因素之一。綜合以上因素，最終選擇了NI CompactRIO系統，在此平臺之上開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)標定系統，其小巧的外形可放置在車(chē)廂任何空余位置而不影響整車(chē)空間；堅固的設計使得在汽車(chē)行駛工況比較惡劣的情況下依然可以穩定的運行；抗干擾措施可以消除行車(chē)過(guò)程中各種干擾對系統的影響；Labview圖形化編程語(yǔ)言將工程師從復雜的編程工作中解放出來(lái)，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期；內置信號調理的可熱插播I/O模塊使得系統的開(kāi)放性和靈活性增強，并且工程師可以訪(fǎng)問(wèn)到底層的硬件資源。 混合動(dòng)力汽車(chē)設計方案 本文所研究的單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力方案是一種前置前驅的中度混合形 。經(jīng)過(guò)大量的方案選型和設計，集成發(fā)動(dòng)機、ISG電機、超級電容和雙離合器等部件。將盤(pán)式一體化ISG電機直接安裝在內燃機曲軸輸出端，電機轉子和發(fā)動(dòng)機曲軸直接連接，定子固定在發(fā)動(dòng)機機體上，電機取代了飛輪以及原有的起動(dòng)機和發(fā)電機。 本方案混合動(dòng)力系統的動(dòng)力以?xún)热紮C驅動(dòng)為主，電機輔助驅動(dòng)。內燃機動(dòng)力輸出動(dòng)態(tài)響應慢、扭矩輸出控制精度差，而電機瞬間動(dòng)力驅動(dòng)響應快，扭矩輸出控制精度高，能量回收效率高，因此利用電機工作特點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機工況進(jìn)行優(yōu)，制訂了怠速停機、快速起動(dòng)、減速斷油、加速助力、電機常發(fā)電和減速制動(dòng)能量回收等混合動(dòng)力控制策略。 NI CompactRIO系統的優(yōu)勢 NI CompactRIO是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫(xiě)為RIO) 和FPGA技術(shù)實(shí)現超高性能和可自定義功能。其包含一個(gè)實(shí)時(shí)控制器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應用系統；還包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內置可直接和傳感器/調節器連接的信號調理。這種設計使得低成本的構架具有開(kāi)放性，用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)到底層的硬件資源。 FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可編程器件進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，其邏輯功能由內部規則排列的邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內部連線(xiàn)三個(gè)部分。工程師可通過(guò)軟件編程實(shí)現FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實(shí)現自定義的邏輯。 FPGA技術(shù)有很多優(yōu)勢，包括自定義I/O硬件定時(shí)和同步、高度可靠性、數字信號處理和分析等。這些優(yōu)勢為快速增長(cháng)的汽車(chē)電子測試技術(shù)提供了靈活的低成本解決方案。FPGA可以直接連接到數字和模擬I/O，并可對各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)。應用FPGA技術(shù)，可對任何傳感器信號進(jìn)行高級信號處理和分析。在很多信號處理系統中，底層的信號預處理算法要處理大量的數據，對處理速度要求很高，但算法相對簡(jiǎn)單，可用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現。此外，可很方便的在FPGA上實(shí)現對所采集的信號作數字濾波運算、快速傅立葉變換、加窗等多種信號處理和分析。 系統的設計方案 混合動(dòng)力整車(chē)標定與傳統發(fā)動(dòng)機標定有所不同，由于工況和環(huán)境更加復雜，因此對標定系統的穩定性有更高的要求，最終開(kāi)發(fā)的標定硬件環(huán)境如圖1所示。通信主端由便攜式PC機與NI CompactRIO系統組成，通信通過(guò)TCP/IP完成；通信從端為整車(chē)控制器的msCAN。標定方式采用CCP這一基于CAN總線(xiàn)的車(chē)用標定協(xié)議，故NI CompactRIO系統通過(guò)CAN總線(xiàn)與整車(chē)控制器連接。 
圖1 標定系統硬件架構 混合動(dòng)力汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )由4個(gè)控制單元組成，其中包括整車(chē)控制器（VCU—Vehicle Control Unit）、發(fā)動(dòng)機管理系統（EMS—Engine Manage System）、電機控制器（MCU—Motor Control Unit）、信息狀態(tài)顯示控制器（DPLY），所有這些控制系統通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。在對整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設計時(shí)，預留了一個(gè)節點(diǎn)用于開(kāi)發(fā)階段的整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )監控，標定系統也是通過(guò)該節點(diǎn)連接至CAN網(wǎng)絡(luò )，從而與整車(chē)控制器VCU建立連接的。主控PC機為標定系統的最上層，可以在線(xiàn)監控整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )數據，并對整車(chē)控制器標定參數進(jìn)行在線(xiàn)修改，從而對系統進(jìn)行統一控制管理。CAN通信模塊采用NI 9853兩通道高速CAN采集模塊采集整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )信號，分辨率達25ns，支持11位和29位任意ID，該方案具有高集成度的特點(diǎn)，節省了設備投入，并使標定人員的工作環(huán)境得到了簡(jiǎn)化。 系統軟件設計 混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)標定系統的軟件設計充分考慮了CompactRIO系統的硬件特性，軟件編程主要包括底層FPGA程序、RT程序以及上位機Host程序三個(gè)部分。 底層FPGA程序實(shí)現各個(gè)板卡的數據采集、各個(gè)IO通道的校正系數的傳遞，數據與RT的DMA傳輸等。RT程序負責與底層FPGA通信，RT系統的指示燈閃爍、用戶(hù)開(kāi)關(guān)的控制，與上位機Host的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信、FTP數據傳輸以及測試數據的標定、解釋以及記錄等功能。上位機Host程序負責配置整體測試系統通道，與RT通信，并可實(shí)時(shí)監控采集板卡的特定通道，查看RT上保存的數據等。 整個(gè)軟件支持不同的采樣率，支持CAN幀的記錄與轉換，以及TDMS文件格式的存儲，控制器的數據記錄通過(guò)前面板指示燈閃爍顯示，并可通過(guò)前面板自定義開(kāi)關(guān)暫停數據記錄。系統已經(jīng)擴展U盤(pán)，數據會(huì )自動(dòng)存儲在U盤(pán)中，下電后只需將U盤(pán)中的數據復制到上位機即可。 在用Labview圖形化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完運行在FPGA目標上的程序之后，對該程序進(jìn)行編譯，并將編譯后的文件下載到FPGA芯片上。RT程序可通過(guò)Labview Real-Time Application工具下載到NI CompactRIO實(shí)時(shí)系統中，這樣系統只要一上電，RT程序就會(huì )自動(dòng)運行。 根據標定系統的基本功能將上位機軟件分為以下幾個(gè)模塊：CAN通信控制模塊、整車(chē)控制器標定模塊、CAN網(wǎng)絡(luò )數據監測模塊。CAN通信配置模塊的主要作用是配置CAN通道的相關(guān)信息，從而驅動(dòng)NI 9853CAN卡，進(jìn)行CAN數據的收發(fā)；標定的大部分工作都是在整車(chē)控制器標定模塊下完成的，該模塊要執行的任務(wù)總體來(lái)說(shuō)有兩個(gè)：讀RAM區域數據，并在PC上顯示、以及下載數據到RAM區域。圖2所示為標定界面，標定過(guò)程中的各項指令均以控件的形式顯示在前面板，用戶(hù)在點(diǎn)擊某項指令時(shí)，該模塊應能夠接收用戶(hù)的標定指令并起動(dòng)管理相應線(xiàn)程。CAN網(wǎng)絡(luò )數據監測模塊的主要作用是將CAN卡獲得的整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )消息進(jìn)行處理，最后顯示在監測界面上。從CAN卡獲得的CAN消息仍然是數據幀的形式，為了給測試人員提供友好的界面，需要在十進(jìn)制數據和控制器中所采用的二進(jìn)制數據之間進(jìn)行轉換，同時(shí)在應用程序中需要根據各控制器發(fā)送的CAN消息的ID號進(jìn)行相應的數據解析，并以盡量直觀(guān)的方式顯示在前面板上，使研發(fā)人員能實(shí)時(shí)了解整車(chē)、發(fā)動(dòng)機和電機的工作狀況。
圖2 標定界面 結論 汽車(chē)在行駛過(guò)程中存在著(zhù)多個(gè)干擾源，例如電機電刷引起的火花放電、某些電路中的脈沖開(kāi)關(guān)接觸所產(chǎn)生的電磁信號、各種電氣設備運行時(shí)發(fā)出的干擾等等。這些噪聲對被測信號以及測試設備存在著(zhù)嚴重的干擾，會(huì )導致很大的數據采集誤差。因此采集設備的抗干擾能力就顯得尤為重要。通過(guò)長(cháng)時(shí)間的實(shí)車(chē)道路試驗，該設備的抗干擾措施可以消除行車(chē)過(guò)程中各種干擾對系統的影響，確保準確可靠地采集整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )數據，并對整車(chē)控制器參數進(jìn)行在線(xiàn)標定。其實(shí)時(shí)性、可靠性得到了驗證，完全滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)標定試驗要求，對于混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略調試起了非常重要的作用。 |
