一種ABS ECU硬件在回路測試臺的介紹

摘要：本文介紹了dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和Tesis仿真模型，并介紹了德國奧迪汽車公司基于dSPACE的ABS ECU硬件在回路測試臺。
關(guān)鍵詞：ABS；dSPACE；硬件在回路仿真

1  引言

對現(xiàn)代汽車而言，汽車的安全性相當(dāng)依賴于防抱死制動系統(tǒng)(ABS)的電控單元的性能。防抱死制動系統(tǒng)的控制器（ABS ECU）的軟件也越來越復(fù)雜，以至于在ABS開發(fā)的早期就需進(jìn)行詳細(xì)測試。對ABS ECU 進(jìn)行實(shí)車的測試的代價(jià)是非常昂貴的，為了進(jìn)行極限情況下的測試，通常需要寒冷或炎熱的環(huán)境，對于測試人員來說很難實(shí)現(xiàn)，而且會造成一定的人生安全的威脅。另外如果缺乏原型車，不得不導(dǎo)致試驗(yàn)推遲，這是與并行工程的原則相違背的。并且用真實(shí)汽車進(jìn)行測試存在可重復(fù)性差、不能復(fù)現(xiàn)同一測試條件等缺點(diǎn)。但無論如何，面對市場對車輛的可靠性和安全性的嚴(yán)格要求以及避免車輛被召回的危險(xiǎn)，ABS ECU 的測試在ABS開發(fā)過程中占據(jù)關(guān)鍵的地位。面對這樣的難題，國內(nèi)外很多廠商都利用了硬件在回路仿真（HILS）系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對ABS ECU的測試。本文主要介紹一種德國奧迪汽車公司基于dSPACE的防抱死制動系統(tǒng)的工業(yè)型硬件在回路測試臺。

2 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的軟件和硬件工作平臺。
dSPACE系統(tǒng)的硬件主要包括基于PowerPC或DSP(如TI公司的TMS320C40 DSP和TMS320F240 DSP等)的處理器板，它用于實(shí)現(xiàn)對用戶設(shè)計(jì)的算法或仿真模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行；在處理板之外，dSPACE提供一套功能豐富的I/O板，以便于用戶對外界物理系統(tǒng)信號的處理，這些I/O的功能包括模擬輸入口（ADC）、模擬輸出口（DAC）、數(shù)字I/0、串行接口、CAN接口、PWM輸出口、增量編碼器子系統(tǒng)等。在處理器之間、處理器與I/O板之間用戶都可以根據(jù)需要任意組合構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)，也可以采用兩者集成在一起的單板系統(tǒng)。
dSPACE軟件系統(tǒng)充分利用了Matlab的強(qiáng)大功能，同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。其主要軟件組件包括RTI（Real-time Interface）、ControlDesk以及MotionDesk。RTI是連接dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與軟件開發(fā)工具M(jìn)ATLAB/Simulink之間的紐帶。ControlDesk是dSPACE開發(fā)的新一代實(shí)驗(yàn)工具軟件。利用ControlDesk可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)硬件的圖形化管理、用戶虛擬儀表的輕松建立、變量的可視化管理、參數(shù)的可視化管理、實(shí)驗(yàn)過程自動化。MotionDesk 可為dSPACE 處理器板上在線仿真的物體提供三維動畫效果。
dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)提供了硬件在回路仿真測試平臺。HILS就是在控制器開發(fā)出來之后，實(shí)際的控制器和用來代替真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的仿真模型一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)，難以建立數(shù)學(xué)仿真模型的部件（如液壓系統(tǒng)）可以保留在閉環(huán)中，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真測試。dSPACE的Simulator是應(yīng)用最廣泛的硬件在回路仿真器。它是一個(gè)集成的測試環(huán)境，包括：系統(tǒng)模型（包括發(fā)動機(jī)，汽車動力學(xué)和路面模型等），實(shí)時(shí)硬件，信號調(diào)理，故障模擬單元，負(fù)載模擬單元，實(shí)驗(yàn)軟件（包括實(shí)驗(yàn)管理，硬件管理，自動化測試等功能）。dSPACE Simulator （dSPACE仿真器）可以根據(jù)任務(wù)需要來組成不同尺寸不同功能的系統(tǒng)。從手提系統(tǒng)到19’機(jī)柜，dSPACE 公司已提供了超過800套Simulator。硬件在回路仿真利用該仿真器模擬一個(gè)虛擬的車輛，在測試過程中保證仿真的實(shí)時(shí)性以及加入一些真實(shí)的部件，負(fù)載，并且模擬出一些故障，從而實(shí)現(xiàn)對ABS ECU 的仿真測試。

3 Tesis仿真模型

在ABS ECU的硬件在回路仿真測試中，要求提供一個(gè)精確的汽車動力學(xué)模型，然而，汽車動力學(xué)模型的強(qiáng)非線性使得它的準(zhǔn)確建模成為了一件極為困難的事，對于測試人員來說，不可能有精力來構(gòu)建這樣一個(gè)模型。德國TESIS公司、Mathworks以及dSPACE公司密切合作，開發(fā)了一套適合于用戶仿真的動力學(xué)模型，其產(chǎn)品分為兩大部分：車輛動力學(xué)模型（ve-DYNA）和發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型（en-DYNA）。
ABS ECU測試中只使用ve-DYNA就足夠了，ve-DYNA 是專門的實(shí)時(shí)應(yīng)用和離線研究使用的快速車輛動力學(xué)仿真軟件。軟件核心包括一個(gè)高精度的車輛模型、不同操縱控制、三維路面和虛擬駕駛員。車輛動力學(xué)模型刻畫了汽車運(yùn)動學(xué)特性，其中驅(qū)動系模型描述了汽車動力學(xué)和發(fā)動機(jī)控制（包括ABS 控制單元）所需的重要的速度和扭矩值等；機(jī)動控制器包括用于縱向和側(cè)向的開環(huán)控制和簡單的閉環(huán)控制的控制器；高級道路模型提供了完全的三維道路剖面，并充分考慮了道路的幾何和表面特征；駕駛員模型是導(dǎo)引車輛在路面上沿給定的軌跡（以軌跡點(diǎn)的方式設(shè)定）行駛的控制器。
ve-DYNA具有開發(fā)的模塊化的結(jié)構(gòu),內(nèi)核采用C編寫，數(shù)據(jù)流和接口以Simulink模塊來表示。這使得外部或用戶定義的模型的加入變得非常容易。它的模型定義和仿真控制都是通過一個(gè)圖形化的用戶接口來進(jìn)行的，圖形化的預(yù)處理和后處理功能通過基于Matlab的用戶界面來實(shí)現(xiàn)，使用戶的操作變得十分簡單。
在測試中， ve-DYNA模型與dSPACE Simulator聯(lián)合使用是最佳的實(shí)時(shí)應(yīng)用集成環(huán)境。通過半隱式積分算法和優(yōu)化的車輛模型等式能夠保證仿真的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和效率。在仿真時(shí)能夠?qū)Χ噙_(dá)1500個(gè)模型參數(shù)進(jìn)行跟蹤和記錄用于進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析和可視化。大部分的參數(shù)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行修改，仿真的結(jié)果借助MotionDesk進(jìn)行三維動畫顯示。
4   測試臺簡介

該例描述了一個(gè)用于測試防抱死制動系統(tǒng)的工業(yè)型硬件在回路測試臺，該測試臺已安裝在德國奧迪汽車股份公司（Audi AG）。

4.1  測試臺原理

Audi HIL 測試工作臺中使用了TESIS公司開發(fā)的ve-DYNA 三維汽車動力學(xué)模型，將真實(shí)的Audi A8型液壓制動系統(tǒng)或Audi A8 Quattro四輪驅(qū)動的液壓制動系統(tǒng)置于一測試架上，該測試架與ABS ECU和dSPACE Simulator及PC主機(jī)等同時(shí)相連構(gòu)成硬件在回路測試臺，如圖2所示。為在仿真最復(fù)雜的汽車配置和操縱時(shí)，象真實(shí)的汽車一樣給ABS ECU 提供I/O 信號，整個(gè)模型的仿真要在1ms 步長內(nèi)執(zhí)行完畢（小于ABS 控制器的采樣時(shí)間），該測試臺中dSPACE Simulator采用了5 個(gè)TMS320C40 DSP處理器聯(lián)合進(jìn)行。主DSP 負(fù)責(zé)計(jì)算驅(qū)動軌跡模型；用兩個(gè)DSP 來建立軸系；其它兩個(gè)DSP 向4 個(gè)從處理器寫入和讀取信號，五個(gè)DSP并行，在不同配置下，模型的仿真執(zhí)行時(shí)間從650µs 到940µs 不等。dSPACE Simulator中DDS負(fù)責(zé)產(chǎn)生的輪速傳感器的復(fù)雜仿真信號，標(biāo)準(zhǔn)I/O負(fù)責(zé)其他信號的輸入與輸出。

圖1硬件在回路測試臺示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中對ve-DYNA配置好車輛模型和汽車的操縱，讓模型首先靜止1s，然后加速5s，速度達(dá)到80km/h后，保持此速度5s，然后進(jìn)行制動，在此設(shè)置下進(jìn)行硬件在回路仿真即在線測試。當(dāng)制動開始后，dSPACE Simulator將制動信號輸送到制動踏板驅(qū)動機(jī)構(gòu)，執(zhí)行制動踏板動作，制動主缸供給液壓，壓力傳感器測得各制動輪缸的制動壓力信號，各制動壓力信號通過接口轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量送回dSPACE Simulator，這些制動壓力將改變車輛狀態(tài)，然后通過模型計(jì)算出新的車輛狀態(tài)，再由接口轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬及數(shù)字量（如輪速、橫向加速度、發(fā)動機(jī)速度等）發(fā)出給ECU，通過ECU內(nèi)部軟件的邏輯判斷及算法發(fā)出合理的液壓調(diào)節(jié)器的控制命令，然后改變各制動輪缸壓力，壓力傳感器測得新的制動壓力信號再次送回dSPACE Simulator，這樣不斷循環(huán)直到車輛模型完全制動，完成測試實(shí)驗(yàn)。

4.2   實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

實(shí)驗(yàn)時(shí)在ControlDesk中創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)文件，如圖2所示，在線測試時(shí)可以在ControlDesk中采集和監(jiān)控車輛的各個(gè)參數(shù)（如輪速、輪加速度、制動壓力等），通過這些采集的數(shù)據(jù)可以分析ABS ECU的性能。此外還可以很方便在ControlDesk中改變車輛的操縱以及路面信息，例如改變路面的摩擦系數(shù)，改變車輛的行駛時(shí)間，改變道路情況等，從而在各種不同的仿真條件下對ABS ECU進(jìn)行測試。
在ControlDesk中提供了一種自動測試的工具-Test Automaiton，利用它用戶可以方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測試的整個(gè)流程。本試驗(yàn)臺對ABS ECU實(shí)行測試的流程可設(shè)置成：開始測試 –模擬司機(jī)的行為 – 檢查系統(tǒng)響應(yīng) – 診斷掃描 – 自動文檔生成 – 重置 – 改變參數(shù)變量 –重新開始。
在一次試驗(yàn)結(jié)束后，將采集的信號的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到MATLAB 工作區(qū)。對實(shí)驗(yàn)分析來說這些數(shù)據(jù)足夠，但想獲得較為直觀的汽車運(yùn)動情況是很困難的。dSPACE仿真器上配置了MotionDesk 三維動畫程序，如圖3所示。在試驗(yàn)過程中記錄下的圖形畫面可以存入文件中。記錄下來的畫面可以單步重放，從而對極限測試情況進(jìn)行仔細(xì)分析。

圖2 ControlDesk中控制圖                       圖3 MotionDesk中仿真動畫重現(xiàn)圖

實(shí)驗(yàn)中除了采集實(shí)時(shí)的車輛參數(shù)進(jìn)行分析外，還要對ABS ECU 的進(jìn)行故障測試（如電源短路故障）以及ABS ECU負(fù)載工作能力(如電磁閥)測試。在dSPACE 的Simulator 上集成了故障模擬部分以及負(fù)載模擬部分，通過故障模擬模塊能可以對車輛90%的故障進(jìn)行模擬測試。本試驗(yàn)臺是通過接入真實(shí)的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)負(fù)載工作能力的測試。

5   結(jié)束語

本文介紹的德國奧迪汽車股份公司的ABS工業(yè)型硬件在回路測試臺，它利用開發(fā)和測試控制系統(tǒng)的軟硬平臺dSPACE結(jié)合Tesis的模型，實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真的功能，將其應(yīng)用在ABS ECU的測試中，實(shí)現(xiàn)了對ABS ECU各種極限情況和故障情況及負(fù)載測試。這種測試臺的設(shè)計(jì)思路為我們開發(fā)ABS ECU的測試系統(tǒng)提供了可行性。