15年汽车工程会集ev018

２０１５ＣＧ 郑翔斌【摘要】硬件在环仿真系统以其良好的可重复性广泛地应用于控制器的开发ꎮ本文从车用电机控制器的硬件及控制特性出发ꎬ阐述了其硬件在环仿真系统的架构和实时性特征ꎬ并分析了满足仿真可信度所需要的实时性需求ꎬ【关键词】硬件在环电机控制器Ｒ＆ＤＣｅｎｔｅｒｏｆＤｏｎｇｆｅｎｇＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＣｏꎬＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｆｏｒｉｔｓｇｏｏｄｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙꎬｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐ(ＨＩＬ)ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬａｎｄｅｘｐｏｕｎｄｓｉｔｓｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｒｅａｌｔｉｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙｎｅｅｄｅｄｔｏｍｅｅｔｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｒｉａｌｃｏｍｐａｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｔｈｅｃａｒｗｉｔｈｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＨＩＬꎬｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬｒｅａｌ 随着能源与环境的问题日渐突出ꎬ各国政府均加大了对新能源汽车的推广强度作为新能源汽车的核心零部件之一ꎬ大功率高转速的驱动电机在汽车上的应用也越来越广泛对于车用电机而言ꎬ由于构型的多种多样ꎬ其用途也是多样的:用于纯电动汽车的动力驱动制动回收ꎻ用于混合动力汽车的发电控制辅助驱动起停控制ꎻ用于自动变速器的空载调速控制车用电机的功能多样化使其控制系统比工业电机复杂许多ꎬ而先进车辆上广泛使用的其他电子控制系统也为车用电机控制的实时性可靠性提出了更高的要求专用于车载电机控制器的硬件在环仿真系统拥有良好的可重复性反应迅速测试自动化程度高且试验成本低的特点ꎬ所以能够高效地测试电机控制器的性能从而辅助电机控制器产品的开发但由于电机控制器的被控对象如功率驱动及传感器如旋转变压器)都有响应时间因此电机控制器的平台能否再现电机对于控制的响应特性ꎬ不仅取决于电机数学模型的准确度ꎬ更取决于采用单片机与芯片搭建了交流电机的硬件在环仿真平台ꎬ并就其实时性进行了验证但该平台仿真步

的特殊应用本文从实际工程应用的角度出发ꎬ结合试验测试结果分析了车用电机控制器硬件在环仿真系统的实时性特性及其带来的实际影响１电动汽车/混合动力汽车用电机对于控制精度要求高于工业电机ꎬ因此电机控制器的配置会较高一般来说ꎬ电机控制器的硬件在环仿真平台基本组成如图１所示ꎬꎬ文献[２][３]从不同方面分析了半实物仿真系统的实时性能的评价指标ꎬ一是仿真系统的最小仿真步长ꎬ二是时间同步精度但上述文献仅从理论上对半实物仿真系统的实时性做出了分析ꎬ并未涉及实际的应用ꎬ尤其是电机控制图 被控对象指电机控制器的控制目标直接控制目标包括电机与逆变器ꎻ间接控制目标还包括与电机及逆变器相关的物理对象ꎬ如动力电池电机负载或者整车模型被控对象ꎬ ２０１５ＣＧ的角度出发考虑ꎬ被控对象的模型计算步长应该控制在较短的时间周期内ꎬ该时间周期受模型的质量仿真器芯片的计算速车用电机的控制ꎬ无论是感应电机永磁电机还是开关磁阻电机ꎬ都需要按照电机转子与定子的相对位置来进行控制这样ꎬ检测电机转子位置的位置传感器就会尤其重要一般而言ꎬ车用电机的位置传感器多数选用旋转变压器来实现旋转变压器是模拟信号输出ꎬ为绝对式位置传感器从实时性的角度来看ꎬ车用旋转变压器一般输出的正余弦信号参考~２０ｋＨｚ由于电机位置是精确控制的变量ꎬ因此电压电流传感器用于检测电机的输入端直流母线电压电流以及三相输出电压电流ꎬ以便于进行更精确的控制车用电压电流传感器一般采用霍尔传感器ꎬ模拟信号输出ꎬ其测量频率能达到１００ｚ电压电流检测多用于逻辑门限控制ꎬ因此它对实时性的要求一般程上最常用的温度传感器为ＰＴ１００和ＰＴ１０００ＰＴ１００温度传感器输出模拟信号其热响应速率多数为１ｓ左右再加上温度信号仅仅用于故障检测控制ꎬ因此它对实时性的要求极低电机的控制离不开大功率大电流高耐压电压驱动的半导体器件ＩＴꎬ在实际应用中ꎬ为达到特定的控制效果ꎬＩＧＢＴ的驱动控制一般采用调幅控制或脉冲调制控制ꎬ对于不同的控制ꎬＩＧＢＴ的驱动输入都是ＰＷＭ脉冲信号ꎬ并且具有高频率的特点ＧＢＴ器件允许开关频率一般

能够达到１００ｋＨｚ然而实际控制时的开关频率大小需要考虑工作电路噪声大小以及开关损耗一般建议采用１０ＫＨｚ以下的驱动频率ＩＧＢＴ的驱动输入直接影响电机的输出特性以及电压电流波形ꎬ因此它对实时性要求是最高的硬件在环仿真系统不同于传统的计算机仿真ꎬ而是严格的实时仿真计算机仿真是在Ｃ机的操作系统中执行的ꎬ仿真的推进机制不是由实际时钟控制ꎬ而由积分器类型和积分步长等因素决定仿真的一帧也就是积分器的一个步长仿真运算和推进需要计算每一帧的状态值ꎬ当前帧的状态值是根据上一帧的值和当前状态产生的依次计算ꎬ直到仿真结束所以仿真时间和实际的时钟时间不是严格一致的ꎬ一个１０ｓ的仿真ꎬ往往实际上用不到１０ｓ运行时间取决于很多因素ꎬ比如模型的复杂度积分器类型积分的步长以及计算机的速度等实时的硬件在环仿真推进机制由实际时钟控制ꎬ即在一个周期内ꎬ此周期一般为１００ｕｓ以内的实际时间ꎬ仿真器与控制器相互协调ꎬ共同完成计算ꎬ最终得到被控对象的响应特征此周期越短ꎬ被控对象响应就越准确ꎬ但对于实时仿真平台实时仿真要求仿真系统的运行满足一定的时间约束条件ꎬ如果实时仿真系统的实时性得不到保证ꎬ仿真系统的运行将进入一种不确定的状态ꎬ系统的行为将不可控制ꎬ系统的运行结果将不可预测ꎬ这样就很难保证仿真结果的可信性因此实时仿真结果的可信性ꎬ不仅取决于仿真的逻辑运算结果的正确性ꎬ而且取决于仿真运行中每项工作完成的时机ꎬ即对时间约束条件的满足程度(这里的工作包括仿真运行过程中每步长的帧计算数据传输和对外设的访问等内容根据电机控制器硬件在环仿真系统的结构和控制特点ꎬ可将其时间分配模型简化如图２所示图 从图中可以看出仿真器每一个步长的计算时间即其ｔｔｓ＝ｔｉ＋ｔｓ＋

的方式执行ꎬ其周期一般满足以下特点ｔｂ１≤ｔｂ２< 论上仿真器的计算周期应该小于控制器的最高采样 控制２０１５ＣＧ

ｔｔｓ≤ｔｂ１≤ｔｂ２<

ｔｂ１≤ｔｔｓ≤ｔｂ２< ３最高频率为１００ｋＨｚꎬ即周期为１０μｓ仿真器要在如此短的时间内完成复杂模型的计算往往成本较高为降低成本ꎬ工程上要求仿真器的计算周期满足式(４)的要求来实现ＨＩＬ系

东风商用车技术中心根据产品开发需要自主搭建了一个混合动力商用车用的开关磁阻电机硬件在环仿真系统该系统用于其自主的开发电机控制器ＭＵ的调试及试验平台的基本结构如图３所示图 如图４所示ꎬ该平台基于Ｌａｂ实时控制系统搭建ꎬＭＣＵ)实时仿真系统ａｂ)实际信传感器ＣＡＮ)信号测试设备示波器采集)以及负责编译下载监控的上位机ＰＣ平台运行时ꎬ实时控制系统模拟传感器与执行器与ＭＣＵ之间通过线束进行信号的传输与交互ꎬ示波器用于监控物理线束上的所有信号ꎬ其频率可高于ＲＴＬａｂ的计算频率同时ꎬ实时控制系统将所有计算结果通过ＩＰ/ＩＰＸ协议传输给上位机监控上位机监控信号的最高频率与ＲＴＬａｂ的计算频率图

实时控制系统需要模拟的传感器与执行器ꎬ为保证仿真质量ꎬ所模拟的传感器/执行器信号在幅值与频率上应与实际的物理传感器执行器一致本平台所模拟的传感器执行表 范围３５３工作频率３３３ＤＣ０３ ＩＧＢＴ０最大允许实际控制４为保证仿真结果的准确性与可信性ꎬ仿真平台的设计应考虑下述实时性问题:仿真步长实时性采样实时性数据从本文的第１部分分析可知ꎬ仿真步长的大小决定了仿真的精确度ꎬ同时也决定了系统的成本开关磁阻电机的控制是基于绝对位置的实际控制中ꎬＤＳＰ将转子与定子的相对位置３６０°划分为１ｋｂｉｔ进行处理ꎬ对于一个以３０００ｒ/ｍｉｎ运行的电机而言ꎬ若需要精确到每１ｂｉｔ进行采样则至少需要的采样频率为５０ｋＨｚ即采样周期ｔｂ达到２０ｕｓ以下而从驱动的角度出发ꎬ实际控制中ꎬ的最大开关频率仅用到１０ｋＨｚ以下ꎬ即信号输出周期可达到１００μｓ以下由本文式和式所列条件可知ꎬ平台的仿真步长最理想的范围是１０μｓ以内ꎬ可接受的范围是~μｓ通过测试能够发现ꎬ当平台的仿真步长取１０μｓ时ꎬ ２０１５ＣＧ时控制系统的芯片不足以在如此短时间内完成所有复杂的运算ꎬ出现了数据溢出ꎬ导致电机失控图５显示了平台在１０ｓ步长下运行在低速起动过程所出现的数据溢出故障图６为正常工作的过程图５１０μｓ６２０μｓ进一步的测试发现随着仿真步长的逐步加大仿真平台在进行电机高速运行的仿真时会逐渐失真ꎬ图７和图８分别显示了２００ｍｓ和４ｍｓ采样频率下ꎬ５０μｓ的仿真步长ꎬ进行２５００ｒｍｉｎ仿真时的三相电流波形图可以看出三相电流波形的毛刺明显增多仿真电流波形失真明显２０μｓ仿真步长下ꎬ三相电流波形没有失真现象ꎬ电流波形正常

图７５０μｓ仿真步长下２００ｍｓ图８５０μｓ仿真步长下４ｍｓ显然为保证仿真的精度ꎬ平台的仿真步长应仅可能小ꎬ但不可超出其计算能力本示例平台最终确定的仿真步长为５通过上述分析可以看出ꎬ车用电机控制器的硬件在环仿真系统在设计开发时应充分注意实时性带来的影响ꎬ主要包括如１)应结合被测对象的传感器输入实时特性输出实时特性以及系统各自的运算速率综合考虑硬件在环仿真系统的实时性２)实时仿真系统的仿真速率应尽可能快ꎬ但为了降低成本ꎬ仿真速率最低应能