基于NI CompactRIO混合動力轎車整車標(biāo)定系統(tǒng)的開發(fā)

應(yīng)用領(lǐng)域：自動化測試

挑戰(zhàn)：針對混合動力汽車的特性，開發(fā)了基于NI CompactRIO的混合動力汽車整車標(biāo)定系統(tǒng)，在臺架及整車調(diào)試階段，可以利用該系統(tǒng)對整車控制器內(nèi)部的標(biāo)定參數(shù)變量進行在線修改，以達到優(yōu)化整車各項性能的目的。

應(yīng)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(fā)該自動化測試系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：

Labview 8.5 軟件開發(fā)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(tǒng)車和電動汽車的優(yōu)勢，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)用于實現(xiàn)整車能量管理和動力系統(tǒng)控制，是混合動力車的控制中樞。VCU中的控制參數(shù)是實現(xiàn)混合動力車性能的關(guān)鍵因素之一，必須進行相應(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。電控單元的運行參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)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(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)定時間和標(biāo)定成本。因此選用一個完善、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)，在此平臺之上開發(fā)混合動力汽車整車標(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;堅固的設(shè)計使得在汽車行駛工況比較惡劣的情況下依然可以穩(wěn)定的運行;抗干擾措施可以消除行車過程中各種干擾對系統(tǒng)的影響;Labview圖形化編程語言將工程師從復(fù)雜的編程工作中解放出來，大大縮短了開發(fā)周期;內(nèi)置信號調(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，并且工程師可以訪問到底層的硬件資源。

混合動力汽車設(shè)計方案

本文所研究的單軸并聯(lián)式混合動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，集成發(fā)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(nèi)燃機曲軸輸出端，電機轉(zhuǎn)子和發(fā)動機曲軸直接連接，定子固定在發(fā)動機機體上，電機取代了飛輪以及原有的起動機和發(fā)電機。

本方案混合動力系統(tǒng)的動力以內(nèi)燃機驅(qū)動為主，電機輔助驅(qū)動。內(nèi)燃機動力輸出動態(tài)響應(yīng)慢、扭矩輸出控制精度差，而電機瞬間動力驅(qū)動響應(yīng)快，扭矩輸出控制精度高，能量回收效率高，因此利用電機工作特點對發(fā)動機工況進行優(yōu)，制訂了怠速停機、快速起動、減速斷油、加速助力、電機常發(fā)電和減速制動能量回收等混合動力控制策略。

NI CompactRIO系統(tǒng)的優(yōu)勢

NI CompactRIO是一種小巧而堅固的工業(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)實現(xiàn)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(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)器連接的信號調(diào)理。這種設(shè)計使得低成本的構(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)部連線三個部分。工程師可通過軟件編程實現(xiàn)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊的重新配置，以實現(xiàn)自定義的邏輯。

FPGA技術(shù)有很多優(yōu)勢，包括自定義I/O硬件定時和同步、高度可靠性、數(shù)字信號處理和分析等。這些優(yōu)勢為快速增長的汽車電子測試技術(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，并可對各通道定義不同的采樣率和觸發(fā)。應(yīng)用FPGA技術(shù)，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(tǒng)中，底層的信號預(yù)處理算法要處理大量的數(shù)據(jù)，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(xiàn)。此外，可很方便的在FPGA上實現(xiàn)對所采集的信號作數(shù)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(tǒng)的設(shè)計方案

混合動力整車標(biāo)定與傳統(tǒng)發(fā)動機標(biāo)定有所不同，由于工況和環(huán)境更加復(fù)雜，因此對標(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)

混合動力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)由4個控制單元組成，其中包括整車控制器(VCU—Vehicle Control Unit)、發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS—Engine Manage System)、電機控制器(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總線進行通信。在對整車CAN網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計時，預(yù)留了一個節(jié)點用于開發(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)，并對整車控制器標(biāo)定參數(shù)進行在線修改，從而對系統(tǒng)進行統(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，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(jié)省了設(shè)備投入，并使標(biāo)定人員的工作環(huán)境得到了簡化。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

混合動力汽車整車標(biāo)定系統(tǒng)的軟件設(shè)計充分考慮了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Host程序三個部分。

底層FPGA程序?qū)崿F(xiàn)各個板卡的數(shù)據(jù)采集、各個IO通道的校正系數(shù)的傳遞，數(shù)據(jù)與RT的DMA傳輸?shù)?。RT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Host的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信、FTP數(shù)據(jù)傳輸以及測試數(shù)據(jù)的標(biāo)定、解釋以及記錄等功能。上位機Host程序負(fù)責(zé)配置整體測試系統(tǒng)通道，與RT通信，并可實時監(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，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)擴展U盤，數(shù)據(jù)會自動存儲在U盤中，下電后只需將U盤中的數(shù)據(jù)復(fù)制到上位機即可。

在用Labview圖形化語言開發(fā)完運行在FPGA目標(biāo)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(tǒng)中，這樣系統(tǒng)只要一上電，RT程序就會自動運行。

根據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)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(biāo)定模塊、CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。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NI 9853CAN卡，進行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)總體來說有兩個：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(yīng)能夠接收用戶的標(biāo)定指令并起動管理相應(yīng)線程。CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的主要作用是將CAN卡獲得的整車CAN網(wǎng)絡(luò)消息進行處理，最后顯示在監(jiān)測界面上。從CAN卡獲得的CAN消息仍然是數(shù)據(jù)幀的形式，為了給測試人員提供友好的界面，需要在十進制數(shù)據(jù)和控制器中所采用的二進制數(shù)據(jù)之間進行轉(zhuǎn)換，同時在應(yīng)用程序中需要根據(jù)各控制器發(fā)送的CAN消息的ID號進行相應(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)人員能實時了解整車、發(fā)動機和電機的工作狀況。

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(guān)接觸所產(chǎn)生的電磁信號、各種電氣設(shè)備運行時發(fā)出的干擾等等。這些噪聲對被測信號以及測試設(shè)備存在著嚴(yán)重的干擾，會導(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。通過長時間的實車道路試驗，該設(shè)備的抗干擾措施可以消除行車過程中各種干擾對系統(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)，并對整車控制器參數(shù)進行在線標(biāo)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(biāo)定試驗要求，對于混合動力汽車的控制策略調(diào)試起了非常重要的作用。