基于实时虚拟仪器的发动机硬件在环仿真信号模拟器

丁会利 高升 肖锌铭

摘 要：针对目前发动机信号模拟器实时性差、模拟信号类型单一的问題，提出一种基于实时虚拟仪器的发动机硬件在环仿真（HIL）信号模拟器的实现方法。首先阐述了模拟器的总体架构方案;其次给出发动机信号调理的硬件方法，详述了油门踏板等传感器的硬件连接;然后以曲轴、凸轮轴信号发生器为例阐述LabView和Simulink混合编程技术在发动机信号软件模拟中应用;最后给出系统调试结果。该信号模拟器完全满足实际使用需求。

关键词：硬件在环仿真（HIL）;发动机;信号模拟器;LabView;Simulink

中图分类号：TM938.7+1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-54-03

Signal Simulator for Motor Hardware-In-Loop Based

on Realtime Virtual Instrument

Ding Huili， Gao Sheng， Xiao Xinming

（ Huayu Automotive System Co.， Ltd， Shanghai 201620 ）

Abstract： For the purpose of solving the weakness in real time and single type of signal in current motor signal simulator， a Hardware-In-Loop signal simulator based on virtual instrument was proposed. In the first place， the general structure was sketched. After that， the hardware design of motor signal processing was introduced by specified in hardware connection of gas pedal and other sensors， and the software design was clarified by illustrating the crankshaft and camshaft signal generating in using LabView and Simulink. Finally the debugging result was given which proved that this signal simulator met the real requirements.

Keywords： Hardware-In-Loop; Motor; Signal Simulator; LabView; Simulink

CLC NO.： TM938.7+1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-54-03

前言

发动机硬件在环仿真（HIL，Hardware-in-Loop）模拟器是集成测试台架的重要组成部分，它将发动机ECU、传感器、执行器硬件与发动机模型连接，组成硬件回路进行仿真，该技术可重复性高，极大降低了开发和测试成本。已有的模拟器存在实时性差、模拟信号类型单一、与整车线束对接困难等问题[1-3]。

实时虚拟仪器技术是在以Labview为平台的传统虚拟仪器技术的基础上发展而来。实时虚拟仪器以LabView提供的RTW（Realtime Workshop）为核心，实现了FPGA硬件与Simulink模型的无缝连接，从而能够模拟各类发动机信号，并满足实时性要求[4-7]。本文以实时虚拟仪器技术为基础，介绍发动机硬件在环仿真模拟器的开发方法。

1 硬件在环仿真模拟器总体方案

发动机硬件在环仿真系统由发动机控制器（MSG）、发动机真实执行器、车身传感器与执行器、驾驶踏板、刹车灯和模拟器组成[8，9]。模拟器通过配线盘来接收和发送发动机信号，并与整车线束连接，是整个系统的核心，用来模拟EA211 1.4T发动机在各个工况下的信号和控制逻辑，其开发步骤如下：

（1）在Simulink平台下开发发动机模型，通过RTW编译生成可以实时运行的DLL文件;

（2）在Labview平台下完成测控主程序与前面板设计;

（3）下位机程序设计，将FPGA端口连接到相应的变量，编译下载下位机程序;

（4）通过SIT Connection Manager将Labview面板上的控件与模型中的端口连接起来，实现两者通信。

2 基于FPGA的信号模拟硬件设计

2.1 硬件接口设计

硬件在环仿真模拟器的硬件基础是NI公司的RIO-7833 FPGA板卡，由于其只能提供统一的3.3V数字IO通道，且端口驱动能力很低，因此需要在FPGA板卡与其他硬件之间加入信号调理电路[9]。

对于数字量信号，采用继电器驱动方式。运用一个三极管驱动继电器在GND与Vcc间切换，通过一个单刀双掷开关还可以灵活的切换输出的电压等级。模拟信号采用一片OP07运放组成电压跟随器。电压跟随器的高输入阻抗能够匹配阻抗、提升驱动能力，并隔离现场信号，保护FPGA板卡。脉宽调制（PWM）信号通过反向器来提高驱动能力，反向器输出端用上拉电阻稳定输出电压。反向器比电压跟随器的优势在于建立跳变沿的延时更短。电阻阻值信号用数字电位计实现。

2.2 驾驶踏板接口设计

驾驶踏板包括油门踏板、离合器踏板、制动踏板，需要实现虚拟仿真和真实控制两种接口。模拟器采用先采集后模拟的方式，三个踏板的电源和地与整车线束直接连接，模拟器采集信号线上的电压，如果真实踏板无行程电压信号，则模拟器输出控制界面上的行程值。油门踏板接口连线方式如图2所示，两个通道的信号互为备用。制动踏板和离合器踏板的接法与油门踏板类似，但是离合器踏板还需要向电子稳定系统ESP发送一路由行程控制的脉宽调制信号。

2.3 刹车信号接口设计

模拟器在采集到制動有效信号时，向发动机控制器发送两个互为相反的自锁信号BTS、BLS，具体方案是用模拟器发出一个高电平有效的制动信号，通过两个单刀双掷继电器输出两路BTS与BLS信号，其连接方式如图3所示。

3 曲轴凸轮轴信号发生器

3.1 信号特性分析

发动机控制器在上电完成自检后，只要收到曲轴凸轮轴的脉冲信号即可发动。同时曲轴凸轮轴脉冲也是控制点火时间、传递发动机转速的关键信号，因而该信号必须达到高精度、匹配准确和极小的延时误差的要求。EA211发动机为双凸轮轴发动机，控制器发送的分别为曲轴信号、进气凸轮轴信号与排气凸轮轴信号。

发动机曲轴共有58个齿和两个缺齿，其旋转产生的信号为60个周期脉冲，最后两个周期无高电平。每个脉冲对应曲轴转过6°，其周期由转速决定。设发动机转速为n r/min，则每一个齿的周期为  。凸轮轴信号为弧度不等的高低脉冲，曲轴每转两圈凸轮轴旋转一圈，共计720°。

3.2 信号发生器的软件实现

曲轴与凸轮轴信号如果和其他信号一样通过模型给出，则必须设置较大的仿真步长以达到实时性要求。但是较大的仿真步长会降低信号采集频率，产生截断误差[10]。因此采用模型的方法无法兼顾实时性和准确性，唯一可行的方法是将脉冲调制算法放到下位机的FPGA中去运行，并尽量将不必要的运算和判断放到模型中，以减少对FPGA资源的占用。

软件实现的基本思路是：将凸轮轴相位设置为控制量以方便调试，下位机程序分内外两个循环，以曲轴旋转720°为一次外循环，旋转0.1°为一次内循环。这样循环标号i即为当前转过的弧度。凸轮轴相位用一个长度为8的数组来控制，内循环通过查表来确定是否需要置反凸轮轴信号。软件实现的下位机程序框图如图4所示。

3.3 调试结果

根据发动机HIL信号模拟器的总体方案，设计完成系统硬件及软件，并与整车连接进行调试。整车与模拟器使用分离电源，并增加继电保护;信号调理箱的每个电源与地间增加了470uF的电解钽电容以消除输出信号的高频噪声;在曲轴、凸轮轴软件信号发生器中增加延时设置和反相输出设置

以方便调试，其中曲轴信号必须在凸轮轴信号发生后延时500毫秒发出，发动机方能更加平顺地启动;另外部分传感器模拟端口的阻抗应与真实传感器匹配。如图5为曲轴凸轮轴信号调试结果，结果表明曲轴凸轮轴的脉冲信号符合上述要求。

4 结束语

本文介绍了基于实时虚拟仪器的发动机硬件在环仿真方案，详细叙述了其硬件和软件实现方法。硬件在环仿真模拟器充分利用了Simulink建模的便捷性和NI Realtime系统的高实时性，适用于整车厂新车型的整车电器测试，具有测量精度高，实时性好，安全稳定的特点，并能够方便的与早期的实验台架实现兼容对接，达到了该模拟器的设计要求，为后续发动机ECU的研发打下了基础。

参考文献

[1] 程军，高发廷，郭庆波.一种简易实时车辆动力学系统模拟器的开发[J].上海汽车.2000，12： 30-33.

[2] 谭文春，唐航波，梁锋，等.柴油机高压共轨供油系统硬件在环仿真的设计[J].上海交通大学学报.2004，10（38）.1643-1655.

[3] 洪兢，李礼夫.基于虚拟集成技术的ESP硬件在环仿真[J].系统仿真学报.2010.12（22）， 2829-2833.

[4] 彭宇宁，朱后，王静，等.基于RTW的LabVIEW和Simulink混合编程方法[J].计算机应用与软件.2008，10（25）.82-84.

[5] 王欢.基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究[D].南京航空航天大学.2008，12. 32-56.

[6] Darko Hercog. A DSP-Based Remote Control Laboratory [J] .IEEE Transactions on Industrial Electronics.2007，6（54）.23-35.

[7] K. Valarmathia， Devaraja， T.K. Radhakrishnan. Real-coded genetic algorithm for system identification and controller tuning[J].Applied Mathematical Modelling.2008，11.6～11.

[8] 殷平.基于虚拟仪器的发动机测控系统研制[D].南京理工大学. 2010，43-46.

[9] 刘志.通用型硬件在环仿真系统仿真控制器硬件设计与研究[D].上海交通大学.2009， 25-51.

[10] 王月伟，袁荣棣.基于LabVIEW的发动机硬件在环虚拟信号发生器[J].工业控制计算机.2010，3（23）.54-55.