李 靜，王子涵，余春賢，韓佐悅，孫博華

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022）

汽車電控系統(tǒng)開發(fā)［1］的實(shí)質(zhì)是在汽車行駛所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中完成電控系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器與電控單元等軟硬件的匹配調(diào)校，最終使電控系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器監(jiān)測信息，將汽車實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)改變?yōu)轭A(yù)期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前大型汽車狀態(tài)模擬器成本較高，因此具有低成本優(yōu)勢的硬件在環(huán) （Hardware－in－the－loop，HIL）［2－3］作 為 一 種實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于汽車電控單元（ECU）的研發(fā)［4－8］。

將HIL技術(shù)應(yīng)用于整車運(yùn)動(dòng)模擬的研究有Dspace公司的Simulator實(shí)驗(yàn)臺(tái) 但該實(shí)驗(yàn)臺(tái)成本較高，為了開發(fā)具有相同功能且成本較低的HIL實(shí)驗(yàn)臺(tái)，本文設(shè)計(jì)了HIL整車運(yùn)動(dòng)模擬裝置的跟隨控制系統(tǒng)的主環(huán)控制器和伺服環(huán)控制器，通過典型工況試驗(yàn)，將本系統(tǒng)采集的實(shí)際信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)對比，證明了使用本文設(shè)計(jì)的控制器可以實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的硬件在環(huán)模擬。

1 整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬HIL試驗(yàn)臺(tái)

圖1為整車運(yùn)動(dòng)模擬裝置HIL試驗(yàn)臺(tái)（簡稱HIL試驗(yàn)臺(tái)）。其主要包括：①上位機(jī)，嵌有步進(jìn)電機(jī)控制和信號(hào)處理［10－11］軟件；②下位機(jī)（研華PCL－818L工控機(jī)），提供16路A／D和16路數(shù)字I／O；③集電環(huán)，防止三維運(yùn)動(dòng)裝置上的信號(hào)導(dǎo)線因裝置運(yùn)動(dòng)而發(fā)生纏繞；④運(yùn)動(dòng)模擬裝置（3個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)），實(shí)現(xiàn)模擬并為汽車電控系統(tǒng)提供整車運(yùn)動(dòng)信號(hào)；⑤電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，接收下位機(jī)傳來的整車運(yùn)動(dòng)模擬控制指令，相應(yīng)產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；⑥集成有傳感器和執(zhí)行器的電控單元（待測試）。

圖1 HIL試驗(yàn)臺(tái)組成示意圖Fig.1 Components of HIL test bench

試驗(yàn)臺(tái)工作原理如下：上位機(jī)內(nèi)運(yùn)行模擬裝置的控制程序，經(jīng) Matlab軟件的RTW（Real time workshop）轉(zhuǎn)化為C代碼并下載到下位機(jī)。由Xpc target［12］（其運(yùn)行界面見圖2）完成已定義下位機(jī)相應(yīng)硬件端口輸出運(yùn)動(dòng)模擬裝置的控制信號(hào)，上、下位機(jī)基于TCP／IP協(xié)議且通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

圖2 Xpc target的運(yùn)行界面Fig.2 Running interface of Xpc target

2 HIL試驗(yàn)臺(tái)整車狀態(tài)跟隨控制系統(tǒng)

2.1 HIL試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬的轉(zhuǎn)換原理

汽車電控系統(tǒng)的控制目標(biāo)為整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括質(zhì)心縱向加速度ax、側(cè)向加速度ay及繞質(zhì)心的橫擺角速度ωr。HIL試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬的轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。首先，定義試驗(yàn)件動(dòng)坐標(biāo)系為O′X′Y′Z′，原點(diǎn)O′位于電控單元中心。規(guī)定運(yùn)動(dòng)模擬裝置初始狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)件平板平面平行地面，即X′平行地面（X′亦平行于一級電機(jī)軸線），且規(guī)定遠(yuǎn)離電機(jī)方向?yàn)槠湔较?，Z′過O′且垂直于試驗(yàn)件平面，以指向上方為正，Y′與X′、Z′符合右手定則。其次，定義試驗(yàn)臺(tái)坐標(biāo)系OXYZ，原點(diǎn)O與原點(diǎn)O′重合，且二者在運(yùn)動(dòng)模擬裝置運(yùn)動(dòng)過程中相對慣性坐標(biāo)系固定不動(dòng)。規(guī)定運(yùn)動(dòng)模擬裝置初始狀態(tài)下，試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸與試驗(yàn)件動(dòng)坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸對應(yīng)重合，且正方向一致，該坐標(biāo)系不隨試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)而改變。此外，定義一級電機(jī)繞自身軸線相對水平位置轉(zhuǎn)角為φ1；二級電機(jī)繞Y軸相對水平位置轉(zhuǎn)角為φ2；角速度為ω2；三級電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω3，其中ω2、ω3符合右手定則。

圖3 HIL試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬的轉(zhuǎn)換原理示意圖Fig.3 Principle of motion simulation with HIL Test Bench

由圖4可得：試驗(yàn)件平面（即O′X′Y′平面，圖中以ε平面表示）中心沿X′軸的加速度分量為ax；沿Y′軸的加速度分量為ay；繞Z′軸角速度為ωr。對圖4中試驗(yàn)件的動(dòng)力學(xué)分析可得：

圖4 空間矢量分解圖Fig.4 Decomposition map of space vector

式中：g為重力加速度。

2.2 HIL試驗(yàn)臺(tái)整車狀態(tài)跟隨控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HIL試驗(yàn)臺(tái)整車狀態(tài)跟隨控制系統(tǒng)包括主環(huán)控制器和伺服環(huán)控制器。主環(huán)控制器輸入為控制目標(biāo)與其實(shí)際值的偏差，輸出為電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和方向。伺服環(huán)控制器接受控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)HIL試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)角位移和角速度動(dòng)作。

2.2.1 主環(huán)有限狀態(tài)機(jī)控制器

圖5 電機(jī)恒速控制換向示意圖Fig.5 Diagram of reversing with constant motor speed

為了較好地跟隨目標(biāo)信號(hào)，需要較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速，否則會(huì)出現(xiàn)圖5中OA段間所示狀態(tài)，即目標(biāo)信號(hào)變化率較大，而電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速較低，跟隨效果差。當(dāng)以固定的較高轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟隨時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向過頻。系統(tǒng)每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次信號(hào)采樣，并根據(jù)采集的信息進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)控制。每次采樣間隔內(nèi)控制信號(hào)不變，但目標(biāo)信號(hào)是實(shí)時(shí)變化的，如圖5中B點(diǎn)所示，記為t0（為一采樣時(shí)刻），此時(shí)刻跟隨目標(biāo)信號(hào)大于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)以一固定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)斜率不變，而目標(biāo)信號(hào)斜率較小，導(dǎo)致BC段間電機(jī)信號(hào)超過目標(biāo)信號(hào)，從而在C采樣時(shí)刻進(jìn)行換向。換向之后電機(jī)將以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)斜率大小不變，而目標(biāo)信號(hào)斜率絕對值較小，將導(dǎo)致下一采樣時(shí)刻D時(shí)電機(jī)信號(hào)再次小于目標(biāo)信號(hào)，再次換向，如此往復(fù)導(dǎo)致電機(jī)換向過頻。高速換向過頻一方面增加了電機(jī)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致電機(jī)響應(yīng)較慢；另一方面造成換向速度過快，沖擊和振動(dòng)較大。因此，僅通過方向控制電機(jī)跟隨不能滿足要求，本文選用電機(jī)方向控制和電機(jī)速度控制可以有效地減少換向。

結(jié)合圖6對電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)整機(jī)理進(jìn)行說明。對于正反兩向，均設(shè)置低速、中速和高速三級轉(zhuǎn)速電機(jī)信號(hào)。圖6中時(shí)間點(diǎn)ti為電機(jī)變速時(shí)刻。控制過程中，當(dāng)實(shí)際信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相差較小時(shí)（見圖中0～t1、t4～t5、t5～t6階段），此時(shí)若轉(zhuǎn)速過高，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨，電機(jī)將不斷換向，實(shí)際信號(hào)以反復(fù)穿過目標(biāo)信號(hào)的形式完成跟隨，換向次數(shù)多，控制效果較差。當(dāng)實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)相差較大時(shí)（見圖中t1，t6時(shí)刻），若達(dá)到一定門限值時(shí)，為了使實(shí)際信號(hào)接近目標(biāo)信號(hào)，進(jìn)行中速跟隨。若實(shí)際信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)差值繼續(xù)增大，達(dá)到第3個(gè)門限值（見圖中t2時(shí)刻），則再次提高轉(zhuǎn)速，進(jìn)行高速跟隨。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)信號(hào)跟隨示意圖Fig.6 Signal following with self－adaptive motor speed

2.2.2 伺服環(huán)電機(jī)控制器

伺服環(huán)的一、二級電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，三級電機(jī)為直流伺服電機(jī)。其中步進(jìn)電機(jī)接收信號(hào)由目標(biāo)角位移與實(shí)際角位移偏差計(jì)算得到，為PWM（Pulse width modulation）、方向及使能脈沖信號(hào)。直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的PID控制器根據(jù)輸入的目標(biāo)角速度與實(shí)際角速度偏差計(jì)算得到。

2.2.3 主控制環(huán)有限狀態(tài)機(jī)

采用Matlab的Xpc和Stateflow模塊，編寫將開發(fā)運(yùn)動(dòng)模擬控制目標(biāo)信號(hào) （ax，ay，ωr）轉(zhuǎn)化為控制目標(biāo)（φ2，φ1，ω2，ω3）的主環(huán)有限狀態(tài)機(jī)控制算法?？紤]到主環(huán)控制器需要根據(jù)控制目標(biāo)的變化率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，所以選定3種電機(jī)轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)機(jī)的有限狀態(tài)（實(shí)際上應(yīng)根據(jù)需要確定狀態(tài)數(shù)量）。

仿真模型在第i（i＝1、2）級步進(jìn)電機(jī)控制中設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器，其值分別記為Di和Mi。分別為在電機(jī)細(xì)分一定時(shí)，從水平位置轉(zhuǎn)到目標(biāo)加速度對應(yīng)角度，所需步數(shù)和該電機(jī)實(shí)際脈沖矢量和（正向?yàn)槔奂?；反向?yàn)闇p）。通過兩值差的絕對值與邏輯門限值Kimax和Kimin進(jìn)行比較來選擇步進(jìn)電機(jī)脈沖周期Periodi，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有限狀態(tài)控制。依據(jù)上述原理建立的主環(huán)有限狀態(tài)機(jī)如圖7所示。

圖7 基于Stateflow的主環(huán)有限狀態(tài)機(jī)控制器Fig.7 Main loop controller with FSM and stateflow

電機(jī)轉(zhuǎn)速的有限狀態(tài)機(jī)控制流程如圖8所示。控制具體流程如下：①初始化，即調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)，使其達(dá)到前述水平位置，定電機(jī)脈沖計(jì)數(shù)器Mi為0；② 針對目標(biāo)加速度信號(hào)根據(jù)式（1）計(jì)算兩步進(jìn)電機(jī)需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并換算為一定細(xì)分下的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)Di；③ 比較Di和Mi，基于有限狀態(tài)機(jī)，確定方向信號(hào)Diri和脈沖周期信號(hào)Periodi，并在電機(jī)動(dòng)作的同時(shí)，得到電機(jī)實(shí)際脈沖矢量和Mi；④工控機(jī)相應(yīng)數(shù)字輸出端口將信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成角位移跟隨。

圖8 目標(biāo)模擬量ax、ay跟隨的電機(jī)控制流程圖Fig.8 Control flow chart about following target signals ax、ay

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，將自主開發(fā)的車輛狀態(tài)Matlab仿真模型嵌入HIL試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，仿真模型如圖9所示。

結(jié)合國家有關(guān)汽車性能檢測法規(guī)［13－14］以及常見電控系統(tǒng)，如TCS（Traction control system）、ABS（Anti－lock brake system）、ESP（Electronic stability program）等工作和測試工況，選擇1s內(nèi)達(dá)到0.6 g／（m·s－2）的縱向加速度信號(hào)為目標(biāo)縱向加速度信號(hào)。若HIL試驗(yàn)臺(tái)可以較好地實(shí)現(xiàn)上述工況下的縱向加速度模擬，則對大部分縱向加速度信號(hào)都可以實(shí)現(xiàn)較好地模擬跟隨。對于側(cè)向加速度信號(hào)，結(jié)合單移線、雙移線等典型工況的側(cè)向加速度變化情況，采用幅值較大的正弦信號(hào)作為目標(biāo)側(cè)向加速度信號(hào)進(jìn)行跟隨。

圖10～圖12為僅采用方向控制下的第二級電機(jī)的實(shí)時(shí)變化的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)D2和實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)M2的時(shí)間歷程圖、換向信號(hào)Dir2以及實(shí)際傳感器采集信號(hào)／目標(biāo)信號(hào)對比圖。從圖10可以看出：電機(jī)步數(shù)可以較好地跟隨，但從圖11和圖12可以看出：實(shí)際過程中換向過于頻繁，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷較大且跟隨信號(hào)波動(dòng)較大，無法很好地滿足信號(hào)跟隨要求。

圖9 基于Stateflow控制的simulink模型圖Fig.9 Diagram of Simulink with stateflow control

圖10 僅方向控制下的電機(jī)步數(shù)跟隨效果圖Fig.10 Effect drawing of steps following with motor direction control only

圖11 僅方向控制下的電機(jī)換向信號(hào)圖Fig.11 Effect drawing of reversing signals with motor direction control only

圖12 僅方向控制下的目標(biāo)／實(shí)際信號(hào)對比圖Fig.12 Contrasting pattern between target and practical signals with motor direction control only

圖13 和圖14為本文提出的有限狀態(tài)機(jī)控制算法控制下的第二級電機(jī)D2和M2時(shí)間歷程圖和方向信號(hào)Dir2圖。

圖15和圖16為第一級電機(jī)D1和M1時(shí)間歷程圖和方向信號(hào)Dir1圖。從圖可知，信號(hào)跟隨效果較好，并且大大減少了換向的次數(shù)。通過基于有限狀態(tài)機(jī)的速度控制，在一定延時(shí)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際信號(hào)對理想信號(hào)較好的跟隨，且只在目標(biāo)信號(hào)換向時(shí)改變方向。為了檢測實(shí)際加速度模擬情況，本文通過安裝于試驗(yàn)平臺(tái)上的加速度信號(hào)傳感器對實(shí)時(shí)模擬加速度信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過濾波處理得到實(shí)際加速度信號(hào)，該加速度信號(hào)可認(rèn)為是HIL試驗(yàn)過程中作用于ECU的整車狀態(tài)信號(hào)。通過實(shí)際傳感器信號(hào)和目標(biāo)給定信號(hào)的對比，驗(yàn)證了HIL試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作以及控制算法的有效性。圖17為目標(biāo)縱向加速度信號(hào)與經(jīng)HIL試驗(yàn)臺(tái)模擬后，通過傳感器采集的縱向加速度信號(hào)對比圖。圖18為目標(biāo)縱向加速度和側(cè)向加速度信號(hào)與經(jīng)HIL試驗(yàn)臺(tái)模擬后，通過傳感器采集的真實(shí)縱向加速度與側(cè)向加速度信號(hào)對比圖。

圖13 有限狀態(tài)機(jī)控制下的二級電機(jī)步數(shù)跟隨圖Fig.13 Step following map about motor with FSM control

圖14 有限狀態(tài)機(jī)控制下的二級電機(jī)換向信號(hào)圖Fig.14 Diagram of reversing signals about second order motor with FSM control

圖15 有限狀態(tài)機(jī)控制下的一級電機(jī)步數(shù)跟隨圖Fig.15 Step following map about frist order motor with FSM control

圖16 有限狀態(tài)機(jī)控制下的一級電機(jī)換向信號(hào)圖Fig.16 Diagram of reversing signals about frist order motor with FSM control

圖17 目標(biāo)／實(shí)際縱向加速度對比圖Fig.17 Contrasting pattern between target and practical lateral acceleration signals

圖18 目標(biāo)／實(shí)際側(cè)向加速度對比圖Fig.18 Contrasting pattern between target and practical longitudinal acceleration signals

由圖17和圖18可知：實(shí)際經(jīng)過縱向和側(cè)向加速度傳感器采集回的信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)吻合較好，本文提出的有限狀態(tài)機(jī)控制下的HIL試驗(yàn)臺(tái)可以較好地實(shí)現(xiàn)整車目標(biāo)信號(hào)的跟隨。

4 結(jié) 論

（1）為了更真實(shí)地進(jìn)行ECU開發(fā)，提出了一種成本相對較低的HIL試驗(yàn)臺(tái)，可用于模擬整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）基于多級轉(zhuǎn)速和方向控制的步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)角位移跟隨控制算法可以大大減少換向次數(shù)和沖擊，提出了一種新的步進(jìn)電機(jī)使用和控制方法，并經(jīng)過離線試驗(yàn)以及硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

（3）通過實(shí)際傳感器采集的信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的對比，驗(yàn)證了本文提出的HIL試驗(yàn)臺(tái)以及控制算法的可行性和有效性，為了更真實(shí)的ECU開發(fā)以及其他類似運(yùn)動(dòng)模擬和電機(jī)的控制提出了一種可行的方案。

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