“汽车电子控制系统仿真与设计”课程实验设计

张新丰， 王春濛， 李健聪， 陈 慧

(同济大学 汽车学院， 上海 201804)

“汽车电子控制系统仿真与设计”课程实验设计

张新丰， 王春濛， 李健聪， 陈 慧

(同济大学 汽车学院， 上海 201804)

本文以“汽车电子控制系统仿真与设计”课程为依托，以现代汽车电子控制器开发的基本流程为主要内容进行实验设计。介绍了V型控制器开发模式的主要方法和开发步骤；并以电机调速控制为对象设计了一个简化的实验系统，明确了主要实验步骤。实验结果表明，此项实验设计可以提升学生对控制器开发过程的理解。

V型开发模式；实验教学； 电机调速控制

0 引言

嵌入式控制系统在各种工业产品中，已经越来越普及。一辆现代车辆的嵌入式控制器数量一般在20～30个，而高端车上已突破150个，其价值已经占汽车总成本的30%[1]。随着汽车电子控制技术的日益发展，控制器开发方法的研究和教育变得越来越重要。

为此，不少院校本科阶段都开设了与汽车控制系统仿真相关的课程，并以实践教学方式提高学生对汽车电子控制系统设计方法的理解[2，3]。

本文以我校车辆工程专业的“控制系统仿真与设计”必修课程为依托，以直流电机调速控制器设计为对象，讲述V型开发流程的实验教学。

1 控制器V型开发模式教学内容

很多情况下，要缩短控制器开发时间，就要求多个开发任务的同时进行，例如并行工程。软件开发中，并行工程意味着对一个软件功能的分析、说明、设计、实现和集成之后进行测试和校准工作，同时还进行其它的软件功能开发工作。不仅如此，还要针对不同的开发环境进行适当调整。控制器V型开发模式便能适应上述需求，使得软硬件开发能并行进行，大大提高了效率[2]。

控制器V型开发模式解决了传统开发的诸多问题，已成为汽车行业广泛采用的控制器开发模式。因此，控制器V型开发模式教学对于推广控制器设计工程领域的先进方式和方法，培养从事机电系统开发的工程师，具有越来越重要的意义。V型开发模式的基本内容如图1所示。

图1 V型模式开发模式

V型开发流程分为如下5个阶段：

(1) 功能定义与离线仿真。根据系统的功能要求，对系统的性能进行定义，包括传感器和执行器信号接口、控制目标和控制精度等，并在数字仿真软件中进行建模，建立控制器模型和被控对象模型，并进行离线仿真，开发符合系统功能要求的控制器和被控对象模型；

(2) 快速控制器原型。移除离线仿真模型的被控对象模型，接入快速控制器原型，建立实时仿真模型。所谓快速控制器原型是一类通用控制器硬件系统，包含丰富的I/O通道、AD/DA通道和相应的PWM通道等嵌入式控制器外围接口电路，并具有类似于嵌入式控制器的CPU工作环境，能模拟控制器在嵌入式控制器中的运行和接口输入输出，利用快速控制器原型机替代最终的目标电子控制单元，能实现对控制器算法的快速在线验证，并验证控制系统软硬件方案的可行性；

(3) 自动代码生成。自动代码生成是将离线仿真设计并通过快速控制器原型验证过的图形化控制器代码自动生成嵌入式目标系统的代码，这种代码不需要进行手工修改，便可直接通过编译器编译下载到最终的目标系统；

(4) 硬件在环仿真测试。被控对象或者系统运行环境部分采用实际物体，部分采用仿真模型来模拟，进行整个系统的仿真测试。这种测试主要利用已经测试验证过的控制器软件算法，针对电子控制单元的硬件进行测试；

(5) 系统集成与标定。标定系统允许用户对电子控制单元进行所有的标定和测试，可在最便利的情况下及最短的时间内对控制器的参数进行最后的调整。

控制系统V 型开发模式的整个过程，控制对象及控制算法并不是教学的关键，关键在于整个实践环节的的完整性，即从V 型开发模式的离线仿真到在线标定过程的完整性。只有这样才能使学生更加深入领悟V 型开发模式的意义[4]。

2 实验对象及实验系统

控制器开发方法的实践性很强，然而由于V型开发模式需要控制系统数字仿真软件、快速原型设备、自动代码生成工具、硬件在环仿真测试系统等工具的支持，若使用商业开发设备进行教学显然在资金上会遇大极大困难[5]。

为此，本文设计了一套直流电机调速实验系统，用于V型开发模式教学实验。在实验中，以有刷直流伺服电机为应用对象，学生需熟悉并掌握直流电机的调速控制，理解直流电机速度反馈系统，了解直流电动机的工作原理，学会在Matlab/Simulink中建立以及PID控制器的数学模型，并会在该环境下离线仿真。

该实验可让学生通过实际操作，了解并掌握V型开发设计流程。尤其了解离线仿真、快速控制器原型、自动代码生成等开发流程。

直流电机调速实验系统由实验工具箱和带I/O板卡的PC机组成。实验工具箱如图2所示，工具箱包含电源模块、直流电机驱动模块、目标选择接口模块、输入输出模块和嵌入式系统模块。而PC机上安装Matlab/Simulink软件，用于离线仿真；I/O板卡用于电机控制信号输出和速度脉冲信号采集。PC机与之构成了基于Realtime Windows Target的快速控制器原型工具。

嵌入式控制系统的目标板采用DSP TMS2802控制器，该芯片受Simulink嵌入式代码生成支持。

3 实验教学应用

本课题的教学演示实验，主要针对图1所示的V型开发模式左半边支路，即功能定义离线仿真、快速控制器原型、自动代码生成。

第一步，在Matlab/Simulink中建立直流电机和控制器，并完成离线仿真；

图2 直流电机调速实验工具箱

第二步， PC机与DSP板卡构成了基于Realtime Windows Target的快速控制器原型工具，实验中，需要完成控制器、直流单机驱动模块等设计与连接；

第三步，利用 Target Support Package模块以及RTW工具完成自动代码生成。

3.1 功能定义离线仿真

在离线仿真环节，首先要理解直流电机速度反馈系统。本实验教学以直流伺服电机为控制对象，采用速度单闭环反馈控制，控制器采用PID控制器，由此闭环控制系统框图如图3所示。

图3 直流电机速度反馈控制系统框图

其次需要学生理解控制系统设计中的各项设计指标，包括系统稳定性、参数敏感性、时域特性、频域特性等等。

教学用实验箱中，已经内置了直流电机，而在Simulink模型中则需根据真实直流电机参数建立相应的数学模型，并设计合适的PID控制器。学生通过建模可以直观感受到功能定义和离线仿真过程，并且运用课程所学实现系统闭环控制。

3.2 快速控制器原型

在基于3.1节直流电机控制的系统模型离线仿真基础之上，加入TI与Mathworks公司联合开发的Target Support Package工具，Target Support Package工具包里面的子模块已经全部由TI与Mathworks进行封装。利用这些模块可以搭建整个直流电机控制系统。其控制程序流程图如图4所示。

PC机与DSP目标板卡构成了基于Realtime

图4 电机驱动流程图

Windows Target的快速控制器原型工具。实验中，需要完成控制器、直流单机驱动模块、显示模块的设计与连接。学生在模块建立与连接中可以更清楚了解控制器原型的含义，并体会其实现的基本步骤。

3.3 自动代码生成

RTW(Real Time Workshop )是Matlab中图形建模以及仿真环境Simulink的一个重要补充功能模块[6]。RTW能直接从通过Simulink建立的数学模型中生成优化的、可移植的、可定制的C/C++代码，从而可以创建独立于Matlab的可执行程序。生成的程序可以在实时系统和非实时系统等众多目标环境中运行仿真。其支持TI C2000的RTW工具正是本课题所需要的自动嵌入式C代码生成的有效工具。当完成上述直流电机控制系统Simulink仿真模型后，就可以利用RTW进行自动代码生成步骤。

通过TI C2000的RTW工具完成自动代码生成，学生对控制器开发过程中代码生成过程有更为直观的了解。

4 结语

本文结合“汽车电子控制系统仿真与设计”课程教学改革实践，总结了如何对嵌入式控制系统，尤其是是控制器设计中出现的新方法流程--V型模式开发流程，进行教学的经验。结果表明，在“汽车电子控制系统仿真与设计”课程中开展V型开发模式实验教学，可以加深学生对控制器开发过程的理解。

(张新丰等文)

[1] 张新丰. 汽车智能电器系统[D]. 北京：清华大学, 2009.

[2] 卢慧芬, 赵建勇, 白亚男, 卢琴芬. 电机系统及控制探究性实验平台的构建[J]. 南京：电气电子教学学报, 2015, 37(6): 71-73.

[3] 周波, 孙倍勇, 马旭东, 戴先中. 实践驱动的“微控制器”课程教学模式探索[J]. 南京：电气电子教学学报, 2015,37(5):20-24.

[4] 张新丰, 陈慧, 孟宗良, 等. 控制V型开发模式实验教学探索[J]. 上海：实验室研究与探索. 2012(2):131-134.

[5] 王莉, 陈虹. “自动控制原理”虚拟实验系统开发[J]. 南京：电气电子教学学报, 2011,33(4):71-73.

[6] The MathWorks, Inc. Target Support Package- TC2 [EB/DK]. Natick, Massachusetts: The MathWorks, Inc. , 2008.

Experiment Design for Automotive Electronics Control System Simulation and Design Course

ZHANG Xin-feng, WANG Cun-meng, LI Jian-cong, CHEN Hui

(SchoolofAutomotivestudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Based on the course of Automotive Electronics Control System Simulation and Design, it introduces experiment design for the development methodology of modern automotive electronics. This paper introduces the V model development method and process. A simplified teaching experimental box is designed of DC motor speed control, as well as experimental teaching process. An experimental teaching class is carried out and the result shows that living experiment had better effect than lectures, which helps to give good understanding of complicated technology.

V model development; teaching of experiments; motor speed control

2016-04-29;

2016-07-16

同济大学实验教学改革项目；国家重大仪器开发专项(2012YQ15025602)

张新丰(1980-)，男，讲师，主要从事汽车电子电器系统开发与应用，E-mail：zhangxinfeng@tongji.edu.cn

TP29

A

1008-0686(2017)02-0117-04