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Development of Vehicle Calibration System for Hybrid Electric Vehicle Using NI CompactRIO 作者：邵斌 職務：測試工程師 公司：上海華普汽車 應用領域：自動化測試 挑戰：針對混合動力汽車的特性，開發了基于NI CompactRIO的混合動力汽車整車標定系統，在臺架及整車調試階段，可以利用該系統對整車控制器內部的標定參數變量進行在線修改，以達到優化整車各項性能的目的。 應用方案：使用NI公司的CompactRIO實時控制器、Labview Real-Time、Labview FPGA、Labview RIO和Labview Real-Time Application工具來開發該自動化測試系統。 使用的產品： Labview 8.5 軟件開發平臺 Labview Real-Time模塊 Labview FPGA模塊 Labview RIO模塊 NI CompactRIO-9014 帶128MB DRAM的實時控制器 NI CompactRIO-9104 8槽可再配置 嵌入式機箱 NI 9853 2-Port High-Speed CAN Module 介紹 混合動力汽車融合了傳統車和電動汽車的優勢，其做為較成熟的新能源力量，已經得到廣泛的發展。其整車控制器（VCU）用于實現整車能量管理和動力系統控制，是混合動力車的控制中樞。VCU中的控制參數是實現混合動力車性能的關鍵因素之一，必須進行相應的優化和標定工作。 車用電控單元標定是一個十分復雜的過程，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影響。電控單元的運行參數和控制參數的優化需要使用專門的工具進行分析和修改，于是誕生了電控單元的標定系統。標定系統的選用關系到標定質量、標定時間和標定成本。因此選用一個完善、適用的電控單元標定系統是電控系統開發成功的關鍵因素之一。綜合以上因素，最終選擇了NI CompactRIO系統，在此平臺之上開發混合動力汽車整車標定系統，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；堅固的設計使得在汽車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過程中各種干擾對系統的影響；Labview圖形化編程語言將工程師從復雜的編程工作中解放出來，大大縮短了開發周期；內置信號調理的可熱插播I/O模塊使得系統的開放性和靈活性增強，并且工程師可以訪問到底層的硬件資源。 混合動力汽車設計方案 本文所研究的單軸并聯式混合動力方案是一種前置前驅的中度混合形 。經過大量的方案選型和設計，集成發動機、ISG電機、超級電容和雙離合器等部件。將盤式一體化ISG電機直接安裝在內燃機曲軸輸出端，電機轉子和發動機曲軸直接連接，定子固定在發動機機體上，電機取代了飛輪以及原有的起動機和發電機。 本方案混合動力系統的動力以內燃機驅動為主，電機輔助驅動。內燃機動力輸出動態響應慢、扭矩輸出控制精度差，而電機瞬間動力驅動響應快，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對發動機工況進行優，制訂了怠速停機、快速起動、減速斷油、加速助力、電機常發電和減速制動能量回收等混合動力控制策略。 NI CompactRIO系統的優勢 NI CompactRIO是一種小巧而堅固的工業化控制和采集系統，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫為RIO) 和FPGA技術實現超高性能和可自定義功能。其包含一個實時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等可編程器件進一步發展的產物，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三個部分。工程師可通過軟件編程實現FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實現自定義的邏輯。 FPGA技術有很多優勢，包括自定義I/O硬件定時和同步、高度可靠性、數字信號處理和分析等。這些優勢為快速增長的汽車電子測試技術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。應用FPGA技術，可對任何傳感器信號進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，但算法相對簡單，可用FPGA進行編程實現。此外，可很方便的在FPGA上實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 混合動力整車標定與傳統發動機標定有所不同，由于工況和環境更加復雜，因此對標定系統的穩定性有更高的要求，最終開發的標定硬件環境如圖1所示。通信主端由便攜式PC機與NI CompactRIO系統組成，通信通過TCP/IP完成；通信從端為整車控制器的msCAN。標定方式采用CCP這一基于CAN總線的車用標定協議，故NI CompactRIO系統通過CAN總線與整車控制器連接。 
圖1 標定系統硬件架構 混合動力汽車CAN網絡由4個控制單元組成，其中包括整車控制器（VCU—Vehicle Control Unit）、發動機管理系統（EMS—Engine Manage System）、電機控制器（MCU—Motor Control Unit）、信息狀態顯示控制器（DPLY），所有這些控制系統通過CAN總線進行通信。在對整車CAN網絡進行設計時，預留了一個節點用于開發階段的整車CAN網絡監控，標定系統也是通過該節點連接至CAN網絡，從而與整車控制器VCU建立連接的。主控PC機為標定系統的最上層，可以在線監控整車CAN網絡數據，并對整車控制器標定參數進行在線修改，從而對系統進行統一控制管理。CAN通信模塊采用NI 9853兩通道高速CAN采集模塊采集整車CAN網絡信號，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，節省了設備投入，并使標定人員的工作環境得到了簡化。 系統軟件設計 混合動力汽車整車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程序三個部分。 底層FPGA程序實現各個板卡的數據采集、各個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、用戶開關的控制，與上位機Host的TCP/IP網絡通信、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，并可實時監控采集板卡的特定通道，查看RT上保存的數據等。 整個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前面板指示燈閃爍顯示，并可通過前面板自定義開關暫停數據記錄。系統已經擴展U盤，數據會自動存儲在U盤中，下電后只需將U盤中的數據復制到上位機即可。 在用Labview圖形化語言開發完運行在FPGA目標上的程序之后，對該程序進行編譯，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實時系統中，這樣系統只要一上電，RT程序就會自動運行。 根據標定系統的基本功能將上位機軟件分為以下幾個模塊：CAN通信控制模塊、整車控制器標定模塊、CAN網絡數據監測模塊。CAN通信配置模塊的主要作用是配置CAN通道的相關信息，從而驅動NI 9853CAN卡，進行CAN數據的收發；標定的大部分工作都是在整車控制器標定模塊下完成的，該模塊要執行的任務總體來說有兩個：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，標定過程中的各項指令均以控件的形式顯示在前面板，用戶在點擊某項指令時，該模塊應能夠接收用戶的標定指令并起動管理相應線程。CAN網絡數據監測模塊的主要作用是將CAN卡獲得的整車CAN網絡消息進行處理，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，需要在十進制數據和控制器中所采用的二進制數據之間進行轉換，同時在應用程序中需要根據各控制器發送的CAN消息的ID號進行相應的數據解析，并以盡量直觀的方式顯示在前面板上，使研發人員能實時了解整車、發動機和電機的工作狀況。
圖2 標定界面 結論 汽車在行駛過程中存在著多個干擾源，例如電機電刷引起的火花放電、某些電路中的脈沖開關接觸所產生的電磁信號、各種電氣設備運行時發出的干擾等等。這些噪聲對被測信號以及測試設備存在著嚴重的干擾，會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。通過長時間的實車道路試驗，該設備的抗干擾措施可以消除行車過程中各種干擾對系統的影響，確保準確可靠地采集整車CAN網絡數據，并對整車控制器參數進行在線標定。其實時性、可靠性得到了驗證，完全滿足混合動力汽車整車標定試驗要求，對于混合動力汽車的控制策略調試起了非常重要的作用。 |
