一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺，其特征在于，所述仿真平臺包括半實物仿真測試組件和開發(fā)駕駛一體化組件，所述半實物仿真測試組件包括實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器；所述開發(fā)駕駛一體化組件包括開發(fā)主機、視景主機、監(jiān)控主機和駕駛模擬操作臺；所述實時仿真機1和實時仿真機2之間通過高速同步總線進行通信；所述開發(fā)主機、視景主機、實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器之間通過UDP/IP總線進行信息交互。本發(fā)明實現(xiàn)了對電動機、發(fā)電機特性的高速、高精度仿真，大幅提高運算速度，滿足電機高速高精度實時仿真的需求。
【專利說明】
一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種半實物仿真平臺，具體涉及一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴重，以及電機技術(shù)、電池技術(shù)和電控技術(shù)的不斷發(fā)展，混合動力車輛的應(yīng)用越來越廣泛。不同于采用“內(nèi)燃機-機械/液力變速”方案的傳統(tǒng)車輛，混合動力車輛的動力系統(tǒng)包含有發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)等系統(tǒng)部件，其系統(tǒng)更復(fù)雜、涉及領(lǐng)域更多元化;控制器種類也更多，如整車控制器、發(fā)動機控制器、發(fā)電機控制器、電動機控制器等，且電動機/發(fā)電機控制器所需要的控制頻率更高。另一方面，21世紀的汽車市場要求產(chǎn)品的研發(fā)更加高效、迭代周期更短、投入成本更低，這也對混合動力車輛的開發(fā)流程提出了更高的要求，需要一種能夠適應(yīng)上述新特點、新需求的開發(fā)模式和開發(fā)平臺來支撐混合動力車輛的研發(fā)。
[0003]在復(fù)雜系統(tǒng)的控制開發(fā)過程中采用半實物仿真環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，以盡量小的成本發(fā)現(xiàn)并糾正可能出現(xiàn)的問題。半實物仿真技術(shù)同時也是汽車產(chǎn)品研發(fā)的“V型”開發(fā)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在汽車核心系統(tǒng)的研發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用?；旌蟿恿囕v以其復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多樣化的系統(tǒng)部件，對半實物仿真平臺提出了更高的技術(shù)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺。本發(fā)明實現(xiàn)了對電動機、發(fā)電機特性的高速、高精度仿真，大幅提高運算速度，滿足電機高速高精度實時仿真的需求。
[0005]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0006]—種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺，所述仿真平臺包括半實物仿真測試組件和開發(fā)駕駛一體化組件，所述半實物仿真測試組件包括實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器;所述開發(fā)駕駛一體化組件包括開發(fā)主機、視景主機、監(jiān)控主機和駕駛模擬操作臺；所述實時仿真機I和實時仿真機2之間通過高速同步總線進行通信;所述實時仿真機2和發(fā)動機信號模擬器之間通過模擬信號和數(shù)字信號通道進行信息交互;所述開發(fā)主機、視景主機、實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器之間通過UDP/IP總線進行信息交互，所述駕駛模擬操作臺通過數(shù)字量、模擬量和車載總線接入所述半實物仿真測試+組件。
[0007]優(yōu)選的，所述實時仿真機I采用多核CPU和FPGA計算板卡，用于在微秒級的計算步長下運行高精度的電動機/發(fā)電機模型；
[0008]所述實時仿真機2采用多核CPU，用于在百微秒級的計算步長下并行運行發(fā)動機、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)模型；
[0009]所述發(fā)動機信號模擬器用于模擬電控發(fā)動機的傳感器信號，代替執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)控制指令。
[0010]優(yōu)選的，所述駕駛模擬操作臺包含視景顯示器、儀表顯示器、多功能方向盤、加速踏板和制動踏板；
[0011]所述視景顯示器用于向駕駛員顯示模擬駕駛過程中的視景信號；
[0012]所述儀表顯示器根據(jù)開發(fā)者和駕駛員的需求顯示仿真過程中的模型關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)信息；
[0013]所述多功能方向盤、加速踏板和制動踏板用于接收駕駛員的操作意圖，并將其傳輸至所述實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器和各被測控制器。
[0014]優(yōu)選的，所述開發(fā)主機安裝有建模和開發(fā)調(diào)試軟件，用于仿真模型的搭建和修改、模型向?qū)崟r仿真機中的下載和調(diào)試、發(fā)動機信號模擬器的配置和監(jiān)控。
[0015]優(yōu)選的，所述視景主機安裝有視景軟件，與實時仿真機中運行的車輛模型進行數(shù)據(jù)交互，將視景信息傳給所述駕駛模擬操作臺，通過視景顯示器為駕駛員顯示模擬的駕駛視景，并將駕駛場景中的坡度、路面附著系數(shù)和風(fēng)速信息回傳至實時仿真機參與車輛狀態(tài)的計算。
[0016]優(yōu)選的，所述監(jiān)控主機通過總線通道、數(shù)字信號通道和模擬信號通道采集系統(tǒng)運行過程中的各類仿真數(shù)據(jù)，將儀表信息傳送給所述駕駛模擬操作臺，通過儀表顯示器反饋給駕駛員和開發(fā)者，并以文件的形式存儲至硬盤中。
[0017]優(yōu)選的，所述仿真平臺還包括被測試件，包括電動機/發(fā)電機控制器、整車控制器和發(fā)動機控制器；
[0018]所述整車控制器通過模擬信號通道獲取駕駛模擬操作臺的加速踏板和制動踏板信息;所述整車控制器和實時仿真機2之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互；
[0019]所述電動機/發(fā)電機控制器和所述實時仿真機I之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互；
[0020]所述發(fā)動機控制器和所述發(fā)動機信號模擬器之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0022]本發(fā)明基于電機本體的有限元設(shè)計結(jié)果進行實時仿真，不僅能夠精確描述電機的特性，還能將電機本體的設(shè)計環(huán)節(jié)與電機控制、整車控制的設(shè)計環(huán)節(jié)緊密結(jié)合形成閉環(huán)。利用FPGA板卡的硬件計算能力實現(xiàn)高精度電機模型的實時仿真，能夠大幅提高運算速度，滿足電機高速高精度實時仿真的需求。
[0023]本發(fā)明將不同頻率特性的子系統(tǒng)分別建模，并根據(jù)仿真步長的要求將各子系統(tǒng)模型配置至實時仿真機的FPGA或CPU核中實現(xiàn)并行計算，并通過高速同步總線實現(xiàn)不同步長仿真數(shù)據(jù)之間的交互。
[0024]本發(fā)明配置自由度高，能夠靈活滿足不同開發(fā)階段、不同系統(tǒng)范疇的仿真測試需求。具有多功能的駕駛模擬操作臺，能夠?qū)崿F(xiàn)開發(fā)者和駕駛員一體化的“人-車-路”閉環(huán)仿真測試。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明提出的用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0026]圖2是本發(fā)明提供的駕駛模擬操作臺結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖3是本發(fā)明提供的構(gòu)建混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺的流程圖
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明提出的用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖，所述平臺基于高性能實時仿真機進行搭建，包括:實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器、開發(fā)主機、視景主機、監(jiān)控主機、駕駛模擬操作臺、電動機/發(fā)電機控制器(可選)、整車控制器(可選)、發(fā)動機控制器(可選)、各功能模塊之間的信息交互渠道。
[0030]實時仿真機l和實時仿真機2可以是dSPACE、RT-Lab、N1、ETAS等公司的高性能仿真設(shè)備，為了滿足高精度電機模型的高速運行需求，實時仿真機I配備了具有高速運算能力的FPGA計算板卡;實時仿真機I和實時仿真機2均配備有高性能多核CPU，可實現(xiàn)仿真模型中多個子系統(tǒng)模塊的并行計算。發(fā)動機信號模擬器能夠模擬電控發(fā)動機(汽油機、柴油機)的曲軸轉(zhuǎn)速、凸輪軸轉(zhuǎn)角等各類傳感器信號，代替電磁閥、火花塞等執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)控制指令，并且能夠通過模擬量、數(shù)字量信號與被測的發(fā)動機控制器進行信息交互形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)車輛混合動力系統(tǒng)的開發(fā)需求，將電動機控制器、發(fā)電機控制器、整車控制器、發(fā)動機控制器等被測控制器通過模擬量、數(shù)字量、車載總線等信號通道接入半實物仿真平臺中，實現(xiàn)閉環(huán)的半實物仿真測試。
[0031]開發(fā)主機是仿真平臺與混合動力車輛開發(fā)者的主要交互渠道，裝有Matlab/Simulink等主流的計算建模軟件、實時仿真機的上位機軟件、發(fā)動機信號模擬器的配置軟件等，可實現(xiàn)車輛混合動力系統(tǒng)建模、實時仿真機和發(fā)動機模擬器的控制、模型下載與監(jiān)控等功能。視景主機中安裝有視景軟件，能夠根據(jù)車輛仿真模型的狀態(tài)實時生成駕駛場景的模擬圖像，并通過駕駛模擬操作臺的視景顯示器向駕駛員顯示，還可將駕駛場景中的坡度、路面附著系數(shù)、風(fēng)速等數(shù)據(jù)回傳至實時仿真機參與車輛狀態(tài)的計算。監(jiān)控主機上可安裝CANoe等車載總線監(jiān)控軟件以及Matlab、Lab View等具有⑶I界面開發(fā)功能的軟件，可將總線上采集的信號通過駕駛模擬操作臺的儀表顯示器向駕駛員顯示。
[0032]如圖2所示，本發(fā)明提供的駕駛模擬操作臺結(jié)構(gòu)示意圖。所述駕駛模擬操作臺包括視景顯示器、儀表顯示器、多功能方向盤、加速踏板和制動踏板。視景顯示器通過視頻信號線與視景主機連接，向駕駛員顯示實時仿真過程中視景軟件模擬的駕駛場景。儀表顯示器通過視頻信號線與監(jiān)控主機連接，將實時仿真過程中監(jiān)控主機采集的模型各主要狀態(tài)參數(shù)，通過CANoe、Matlab、Lab View等軟件的⑶I界面向駕駛員顯示。多功能方向盤接收駕駛員的轉(zhuǎn)向、換擋、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)使能、駕駛模式切換等操作意圖，通過車載總線接入半實物仿真平臺。加速踏板和制動踏板接收駕駛員的加速、制動操作意圖，通過模擬量信號或數(shù)字量信號的形式接入半實物仿真平臺。
[0033]如圖3所示，本發(fā)明提供的構(gòu)建混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺的流程圖。在混合動力車輛開發(fā)過程中，在動力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計及參數(shù)匹配的基礎(chǔ)上進行子系統(tǒng)分解，將系統(tǒng)分解為電動機、發(fā)電機、發(fā)動機、動力電池、傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)等子模塊并分別進行建模。根據(jù)各子系統(tǒng)模型的復(fù)雜度、運行步長要求、精度要求等因素將其分配至仿真平臺中的各個計算模塊一一實時仿真機I的FPGA板卡、實時仿真機I的各個CPU核、實時仿真機2的各個CPU核、發(fā)動機信號模擬器，并聯(lián)合組成車輛混合動力系統(tǒng)的實時模型?；谀M量信號、數(shù)字量信號、通信總線等渠道將被測整車控制器、電動機控制器、發(fā)電機控制器、發(fā)動機控制器等與仿真平臺中的混合動力系統(tǒng)實時模型連接，并將駕駛模擬操作臺接入，實現(xiàn)半實物仿真測試。本實施例中的半實物仿真測試結(jié)果一方面可以為混合動力車輛構(gòu)型設(shè)計及參數(shù)匹配、電動機/發(fā)電機本體設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計反饋，實現(xiàn)整車設(shè)計流程的前期閉環(huán)，另一方面也可以基于駕駛員的駕駛體驗為系統(tǒng)控制策略的設(shè)計提供反饋。
[0034]本發(fā)明提出的仿真平臺使用靈活，有多種實施例，下面主要介紹其中四種。
[0035](I)整車控制器開發(fā)驗證:基于Matlab/Simulink軟件搭建基于集總參數(shù)的電動機及其控制器、發(fā)電機及其控制器、發(fā)動機及其控制器、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)等子系統(tǒng)的仿真模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建混合動力車輛的仿真模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機2的多核CPU中。將被測整車控制器通過圖1所示的方式接入半實物仿真平臺中，使被測整車控制器、實時仿真機2中運行的實時模型、駕駛模擬操作臺形成測試閉環(huán)，實現(xiàn)對整車控制器的開發(fā)驗證。
[0036](2)電動機/發(fā)電機控制器開發(fā)驗證:利用電動機及發(fā)電機本體開發(fā)過程中基于ANSYS或J-MAG軟件設(shè)計的有限元模型，生成可以在FPGA計算板卡中高速運行的高精度電動機及發(fā)電機模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機I的FPGA中；基于Matlab/Simulink軟件搭建整車控制器、發(fā)動機及其控制器、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)等子系統(tǒng)的仿真模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機2的多核CPU中；利用高速同步總線將下載至實時仿真機I和實時仿真機2中的各子系統(tǒng)模型聯(lián)合構(gòu)建混合動力車輛的實時仿真模型。將被測電動機控制器和發(fā)電機控制器通過圖1所示的方式接入半實物仿真平臺中，使被測電動機控制器、被測發(fā)電機控制器、實時仿真機I和實時仿真機2中運行的實時模型、駕駛模擬操作臺形成測試閉環(huán)，實現(xiàn)對電動機控制器和發(fā)電機控制器的開發(fā)驗證。
[0037](3)發(fā)動機控制器開發(fā)驗證:基于發(fā)動機信號模擬器配置仿真所需的發(fā)動機模型；基于Matlab/Simulink軟件搭建集總參數(shù)的電動機及其控制器、發(fā)電機及其控制器、整車控制器、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)等子系統(tǒng)的仿真模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機2的多核CPU中；利用圖1所示的方式將發(fā)動機信號模擬器和實時仿真機2中的實時模型聯(lián)合構(gòu)建混合動力車輛的實時仿真模型。將被測發(fā)動機控制器通過圖1所示的方式接入半實物仿真平臺中，使被測發(fā)動機控制器、發(fā)動機信號模擬器、實時仿真機2中運行的實時模型、駕駛模擬操作臺形成測試閉環(huán)，實現(xiàn)對發(fā)動機控制器的開發(fā)驗證。
[0038](4)整車混合動力系統(tǒng)多控制器聯(lián)調(diào)驗證:利用電動機及發(fā)電機本體開發(fā)過程中基于ANSYS或J-MAG軟件設(shè)計的有限元模型，生成可以在FPGA計算板卡中高速運行的高精度電動機及發(fā)電機模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機I的FPGA中；基于Matlab/Simulink軟件搭建動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)等子系統(tǒng)的仿真模型，通過開發(fā)主機下載至實時仿真機2的多核CPU中；基于發(fā)動機信號模擬器配置仿真所需的發(fā)動機模型;利用圖1中所示的信息交互渠道將下載至實時仿真機I和實時仿真機2中的實時模型、發(fā)動機信號模擬器聯(lián)合構(gòu)建整車混合動力系統(tǒng)的實時仿真模型。將被測整車控制器、被測電動機控制器、被測發(fā)電機控制器、被測發(fā)動機控制器通過圖1所示的方式接入半實物仿真平臺中，使被測整車控制器、被測電動機控制器、被測發(fā)電機控制器、被測發(fā)動機控制器、實時仿真機I和實時仿真機2中運行的實時模型、發(fā)動機信號模擬器、駕駛模擬操作臺形成測試閉環(huán)，實現(xiàn)對整車混合動力系統(tǒng)多控制器的聯(lián)調(diào)驗證。
[0039]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1.一種用于混合動力車輛研發(fā)的半實物仿真平臺，其特征在于，所述仿真平臺包括半實物仿真測試組件和開發(fā)駕駛一體化組件，所述半實物仿真測試組件包括實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器;所述開發(fā)駕駛一體化組件包括開發(fā)主機、視景主機、監(jiān)控主機和駕駛模擬操作臺；所述實時仿真機I和實時仿真機2之間通過高速同步總線進行通信；所述實時仿真機2和發(fā)動機信號模擬器之間通過模擬信號和數(shù)字信號通道進行信息交互；所述開發(fā)主機、視景主機、實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器之間通過UDP/IP總線進行信息交互，所述駕駛模擬操作臺通過數(shù)字量、模擬量和車載總線接入所述半實物仿真測試+組件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述實時仿真機I采用多核CPU和FPGA計算板卡，用于在微秒級的計算步長下運行高精度的電動機/發(fā)電機模型； 所述實時仿真機2采用多核CPU，用于在百微秒級的計算步長下并行運行發(fā)動機、動力電池、機械/液力傳動機構(gòu)、車輛動力學(xué)模型； 所述發(fā)動機信號模擬器用于模擬電控發(fā)動機的傳感器信號，代替執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)控制指令。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述駕駛模擬操作臺包含視景顯示器、儀表顯示器、多功能方向盤、加速踏板和制動踏板； 所述視景顯示器用于向駕駛員顯示模擬駕駛過程中的視景信號； 所述儀表顯示器根據(jù)開發(fā)者和駕駛員的需求顯示仿真過程中的模型關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)信息; 所述多功能方向盤、加速踏板和制動踏板用于接收駕駛員的操作意圖，并將其傳輸至所述實時仿真機1、實時仿真機2、發(fā)動機信號模擬器和各被測控制器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述開發(fā)主機安裝有建模和開發(fā)調(diào)試軟件，用于仿真模型的搭建和修改、模型向?qū)崟r仿真機中的下載和調(diào)試、發(fā)動機信號模擬器的配置和監(jiān)控。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述視景主機安裝有視景軟件，與實時仿真機中運行的車輛模型進行數(shù)據(jù)交互，將視景信息傳給所述駕駛模擬操作臺，通過視景顯示器為駕駛員顯示模擬的駕駛視景，并將駕駛場景中的坡度、路面附著系數(shù)和風(fēng)速信息回傳至實時仿真機參與車輛狀態(tài)的計算。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述監(jiān)控主機通過總線通道、數(shù)字信號通道和模擬信號通道采集系統(tǒng)運行過程中的各類仿真數(shù)據(jù)，將儀表信息傳送給所述駕駛模擬操作臺，通過儀表顯示器反饋給駕駛員和開發(fā)者，并以文件的形式存儲至硬盤中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿真平臺，其特征在于，所述仿真平臺還包括被測試件，包括電動機/發(fā)電機控制器、整車控制器和發(fā)動機控制器； 所述整車控制器通過模擬信號通道獲取駕駛模擬操作臺的加速踏板和制動踏板信息；所述整車控制器和實時仿真機2之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互； 所述電動機/發(fā)電機控制器和所述實時仿真機I之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互； 所述發(fā)動機控制器和所述發(fā)動機信號模擬器之間通過數(shù)字量、模擬量和車載總線信號實現(xiàn)控制與反饋信息的交互。
【文檔編號】G05B17/02GK105938331SQ201610497400
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】帥志斌, 蓋江濤, 劉翼, 萬帆, 馬長軍, 馬田, 袁藝, 生輝
【申請人】中國北方車輛研究所