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Development of Vehicle Calibration System for Hybrid Electric Vehicle Using NI CompactRIO 作者：邵斌 職務(wù)：測(cè)試工程師 公司：上海華普汽車 應(yīng)用領(lǐng)域：自動(dòng)化測(cè)試 挑戰(zhàn)：針對(duì)混合動(dòng)力汽車的特性，開發(fā)了基于NI CompactRIO的混合動(dòng)力汽車整車標(biāo)定系統(tǒng)，在臺(tái)架及整車調(diào)試階段，可以利用該系統(tǒng)對(duì)整車控制器內(nèi)部的標(biāo)定參數(shù)變量進(jìn)行在線修改，以達(dá)到優(yōu)化整車各項(xiàng)性能的目的。 應(yīng)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)開發(fā)該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。 使用的產(chǎn)品： Labview 8.5 軟件開發(fā)平臺(tái) 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(jī)箱 NI 9853 2-Port High-Speed CAN Module 介紹 混合動(dòng)力汽車融合了傳統(tǒng)車和電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，其做為較成熟的新能源力量，已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展。其整車控制器（VCU）用于實(shí)現(xiàn)整車能量管理和動(dòng)力系統(tǒng)控制，是混合動(dòng)力車的控制中樞。VCU中的控制參數(shù)是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力車性能的關(guān)鍵因素之一，必須進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和標(biāo)定工作。 車用電控單元標(biāo)定是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，一方面是由于被控系統(tǒng)工作狀況的復(fù)雜性；另一方面是許多控制參數(shù)之間存在著影響。電控單元的運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)化需要使用專門的工具進(jìn)行分析和修改，于是誕生了電控單元的標(biāo)定系統(tǒng)。標(biāo)定系統(tǒng)的選用關(guān)系到標(biāo)定質(zhì)量、標(biāo)定時(shí)間和標(biāo)定成本。因此選用一個(gè)完善、適用的電控單元標(biāo)定系統(tǒng)是電控系統(tǒng)開發(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(tǒng)，在此平臺(tái)之上開發(fā)混合動(dòng)力汽車整車標(biāo)定系統(tǒng)，其小巧的外形可放置在車廂任何空余位置而不影響整車空間；堅(jiān)固的設(shè)計(jì)使得在汽車行駛工況比較惡劣的情況下依然可以穩(wěn)定的運(yùn)行；抗干擾措施可以消除行車過程中各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響；Labview圖形化編程語(yǔ)言將工程師從復(fù)雜的編程工作中解放出來(lái)，大大縮短了開發(fā)周期；內(nèi)置信號(hào)調(diào)理的可熱插播I/O模塊使得系統(tǒng)的開放性和靈活性增強(qiáng)，并且工程師可以訪問到底層的硬件資源。 混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)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(qū)的中度混合形 。經(jīng)過大量的方案選型和設(shè)計(jì)，集成發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、超級(jí)電容和雙離合器等部件。將盤式一體化ISG電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端，電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接連接，定子固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，電機(jī)取代了飛輪以及原有的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。 本方案混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、扭矩輸出控制精度差，而電機(jī)瞬間動(dòng)力驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快，扭矩輸出控制精度高，能量回收效率高，因此利用電機(jī)工作特點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行優(yōu)，制訂了怠速停機(jī)、快速起動(dòng)、減速斷油、加速助力、電機(jī)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(tǒng)的優(yōu)勢(shì) NI CompactRIO是一種小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫為RIO) 和FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(dú)立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；還包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號(hào)調(diào)理。這種設(shè)計(jì)使得低成本的構(gòu)架具有開放性，用戶可以訪問到底層的硬件資源。 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(nèi)部規(guī)則排列的邏輯單元陣列完成。邏輯單元陣列內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分。工程師可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實(shí)現(xiàn)自定義的邏輯。 FPGA技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，包括自定義I/O硬件定時(shí)和同步、高度可靠性、數(shù)字信號(hào)處理和分析等。這些優(yōu)勢(shì)為快速增長(zhǎng)的汽車電子測(cè)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(shù)字和模擬I/O，并可對(duì)各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)。應(yīng)用FPGA技術(shù)，可對(duì)任何傳感器信號(hào)進(jìn)行高級(jí)信號(hào)處理和分析。在很多信號(hào)處理系統(tǒng)中，底層的信號(hào)預(yù)處理算法要處理大量的數(shù)據(jù)，對(duì)處理速度要求很高，但算法相對(duì)簡(jiǎn)單，可用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。此外，可很方便的在FPGA上實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的信號(hào)作數(shù)字濾波運(yùn)算、快速傅立葉變換、加窗等多種信號(hào)處理和分析。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 混合動(dòng)力整車標(biāo)定與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定有所不同，由于工況和環(huán)境更加復(fù)雜，因此對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性有更高的要求，最終開發(fā)的標(biāo)定硬件環(huán)境如圖1所示。通信主端由便攜式PC機(jī)與NI CompactRIO系統(tǒng)組成，通信通過TCP/IP完成；通信從端為整車控制器的msCAN。標(biāo)定方式采用CCP這一基于CAN總線的車用標(biāo)定協(xié)議，故NI CompactRIO系統(tǒng)通過CAN總線與整車控制器連接。 
圖1 標(biāo)定系統(tǒng)硬件架構(gòu) 混合動(dòng)力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)控制單元組成，其中包括整車控制器（VCU—Vehicle Control Unit）、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS—Engine Manage System）、電機(jī)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(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行通信。在對(duì)整車CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留了一個(gè)節(jié)點(diǎn)用于開發(fā)階段的整車CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，標(biāo)定系統(tǒng)也是通過該節(jié)點(diǎn)連接至CAN網(wǎng)絡(luò)，從而與整車控制器VCU建立連接的。主控PC機(jī)為標(biāo)定系統(tǒng)的最上層，可以在線監(jiān)控整車CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)整車控制器標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行在線修改，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)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CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，分辨率達(dá)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(jié)省了設(shè)備投入，并使標(biāo)定人員的工作環(huán)境得到了簡(jiǎn)化。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 混合動(dòng)力汽車整車標(biāo)定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)充分考慮了CompactRIO系統(tǒng)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(jī)Host程序三個(gè)部分。 底層FPGA程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)板卡的數(shù)據(jù)采集、各個(gè)IO通道的校正系數(shù)的傳遞，數(shù)據(jù)與RT的DMA傳輸?shù)取T程序負(fù)責(zé)與底層FPGA通信，RT系統(tǒng)的指示燈閃爍、用戶開關(guān)的控制，與上位機(jī)Host的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信、FTP數(shù)據(jù)傳輸以及測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)定、解釋以及記錄等功能。上位機(jī)Host程序負(fù)責(zé)配置整體測(cè)試系統(tǒng)通道，與RT通信，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控采集板卡的特定通道，查看RT上保存的數(shù)據(jù)等。 整個(gè)軟件支持不同的采樣率，支持CAN幀的記錄與轉(zhuǎn)換，以及TDMS文件格式的存儲(chǔ)，控制器的數(shù)據(jù)記錄通過前面板指示燈閃爍顯示，并可通過前面板自定義開關(guān)暫停數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)展U盤，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在U盤中，下電后只需將U盤中的數(shù)據(jù)復(fù)制到上位機(jī)即可。 在用Labview圖形化語(yǔ)言開發(fā)完運(yùn)行在FPGA目標(biāo)上的程序之后，對(duì)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Labview Real-Time Application工具下載到NI CompactRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，這樣系統(tǒng)只要一上電，RT程序就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。 根據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)的基本功能將上位機(jī)軟件分為以下幾個(gè)模塊：CAN通信控制模塊、整車控制器標(biāo)定模塊、CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(qū)動(dòng)NI 9853CAN卡，進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)；標(biāo)定的大部分工作都是在整車控制器標(biāo)定模塊下完成的，該模塊要執(zhí)行的任務(wù)總體來(lái)說(shuō)有兩個(gè)：讀RAM區(qū)域數(shù)據(jù)，并在PC上顯示、以及下載數(shù)據(jù)到RAM區(qū)域。圖2所示為標(biāo)定界面，標(biāo)定過程中的各項(xiàng)指令均以控件的形式顯示在前面板，用戶在點(diǎn)擊某項(xiàng)指令時(shí)，該模塊應(yīng)能夠接收用戶的標(biāo)定指令并起動(dòng)管理相應(yīng)線程。CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊的主要作用是將CAN卡獲得的整車CAN網(wǎng)絡(luò)消息進(jìn)行處理，最后顯示在監(jiān)測(cè)界面上。從CAN卡獲得的CAN消息仍然是數(shù)據(jù)幀的形式，為了給測(cè)試人員提供友好的界面，需要在十進(jìn)制數(shù)據(jù)和控制器中所采用的二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)在應(yīng)用程序中需要根據(jù)各控制器發(fā)送的CAN消息的ID號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析，并以盡量直觀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、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀況。
圖2 標(biāo)定界面 結(jié)論 汽車在行駛過程中存在著多個(gè)干擾源，例如電機(jī)電刷引起的火花放電、某些電路中的脈沖開關(guān)接觸所產(chǎn)生的電磁信號(hào)、各種電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的干擾等等。這些噪聲對(duì)被測(cè)信號(hào)以及測(cè)試設(shè)備存在著嚴(yán)重的干擾，會(huì)導(dǎo)致很大的數(shù)據(jù)采集誤差。因此采集設(shè)備的抗干擾能力就顯得尤為重要。通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)車道路試驗(yàn)，該設(shè)備的抗干擾措施可以消除行車過程中各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，確保準(zhǔn)確可靠地采集整車CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)整車控制器參數(shù)進(jìn)行在線標(biāo)定。其實(shí)時(shí)性、可靠性得到了驗(yàn)證，完全滿足混合動(dòng)力汽車整車標(biāo)定試驗(yàn)要求，對(duì)于混合動(dòng)力汽車的控制策略調(diào)試起了非常重要的作用。 |
