一种ABS ECU硬件在回路测试台的介绍

摘要：本文介绍了dSPACE 实时仿真系统和Tesis仿真模型，并介绍了德国奥迪汽车公司基于dSPACE的ABS ECU硬件在回路测试台。
关键词：ABS；dSPACE；硬件在回路仿真

1  引言

对现代汽车而言，汽车的安全性相当依赖于防抱死制动系统(ABS)的电控单元的性能。防抱死制动系统的控制器（ABS ECU）的软件也越来越复杂，以至于在ABS开发的早期就需进行详细测试。对ABS ECU 进行实车的测试的代价是非常昂贵的，为了进行极限情况下的测试，通常需要寒冷或炎热的环境，对于测试人员来说很难实现，而且会造成一定的人生安全的威胁。另外如果缺乏原型车，不得不导致试验推迟，这是与并行工程的原则相违背的。并且用真实汽车进行测试存在可重复性差、不能复现同一测试条件等缺点。但无论如何，面对市场对车辆的可靠性和安全性的严格要求以及避免车辆被召回的危险，ABS ECU 的测试在ABS开发过程中占据关键的地位。面对这样的难题，国内外很多厂商都利用了硬件在回路仿真（HILS）系统来实现对ABS ECU的测试。本文主要介绍一种德国奥迪汽车公司基于dSPACE的防抱死制动系统的工业型硬件在回路测试台。

2 dSPACE实时仿真系统

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试的软件和硬件工作平台。
dSPACE系统的硬件主要包括基于PowerPC或DSP(如TI公司的TMS320C40 DSP和TMS320F240 DSP等)的处理器板，它用于实现对用户设计的算法或仿真模型的实时运行；在处理板之外，dSPACE提供一套功能丰富的I/O板，以便于用户对外界物理系统信号的处理，这些I/O的功能包括模拟输入口（ADC）、模拟输出口（DAC）、数字I/0、串行接口、CAN接口、PWM输出口、增量编码器子系统等。在处理器之间、处理器与I/O板之间用户都可以根据需要任意组合构成标准组件系统，也可以采用两者集成在一起的单板系统。
dSPACE软件系统充分利用了Matlab的强大功能，同时在这个基础上进行了扩展。其主要软件组件包括RTI（Real-time Interface）、ControlDesk以及MotionDesk。RTI是连接dSPACE实时系统与软件开发工具MATLAB/Simulink之间的纽带。ControlDesk是dSPACE开发的新一代实验工具软件。利用ControlDesk可以实现对实时硬件的图形化管理、用户虚拟仪表的轻松建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理、实验过程自动化。MotionDesk 可为dSPACE 处理器板上在线仿真的物体提供三维动画效果。
dSPACE实时仿真系统提供了硬件在回路仿真测试平台。HILS就是在控制器开发出来之后，实际的控制器和用来代替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模型的部件（如液压系统）可以保留在闭环中，进行整个系统的仿真测试。dSPACE的Simulator是应用最广泛的硬件在回路仿真器。它是一个集成的测试环境，包括：系统模型（包括发动机，汽车动力学和路面模型等），实时硬件，信号调理，故障模拟单元，负载模拟单元，实验软件（包括实验管理，硬件管理，自动化测试等功能）。dSPACE Simulator （dSPACE仿真器）可以根据任务需要来组成不同尺寸不同功能的系统。从手提系统到19’机柜，dSPACE 公司已提供了超过800套Simulator。硬件在回路仿真利用该仿真器模拟一个虚拟的车辆，在测试过程中保证仿真的实时性以及加入一些真实的部件，负载，并且模拟出一些故障，从而实现对ABS ECU 的仿真测试。

3 Tesis仿真模型

在ABS ECU的硬件在回路仿真测试中，要求提供一个精确的汽车动力学模型，然而，汽车动力学模型的强非线性使得它的准确建模成为了一件极为困难的事，对于测试人员来说，不可能有精力来构建这样一个模型。德国TESIS公司、Mathworks以及dSPACE公司密切合作，开发了一套适合于用户仿真的动力学模型，其产品分为两大部分：车辆动力学模型（ve-DYNA）和发动机动力学模型（en-DYNA）。
ABS ECU测试中只使用ve-DYNA就足够了，ve-DYNA 是专门的实时应用和离线研究使用的快速车辆动力学仿真软件。软件核心包括一个高精度的车辆模型、不同操纵控制、三维路面和虚拟驾驶员。车辆动力学模型刻画了汽车运动学特性，其中驱动系模型描述了汽车动力学和发动机控制（包括ABS 控制单元）所需的重要的速度和扭矩值等；机动控制器包括用于纵向和侧向的开环控制和简单的闭环控制的控制器；高级道路模型提供了完全的三维道路剖面，并充分考虑了道路的几何和表面特征；驾驶员模型是导引车辆在路面上沿给定的轨迹（以轨迹点的方式设定）行驶的控制器。
ve-DYNA具有开发的模块化的结构,内核采用C编写，数据流和接口以Simulink模块来表示。这使得外部或用户定义的模型的加入变得非常容易。它的模型定义和仿真控制都是通过一个图形化的用户接口来进行的，图形化的预处理和后处理功能通过基于Matlab的用户界面来实现，使用户的操作变得十分简单。
在测试中， ve-DYNA模型与dSPACE Simulator联合使用是最佳的实时应用集成环境。通过半隐式积分算法和优化的车辆模型等式能够保证仿真的数据稳定性和效率。在仿真时能够对多达1500个模型参数进行跟踪和记录用于进一步数据分析和可视化。大部分的参数可以实时进行修改，仿真的结果借助MotionDesk进行三维动画显示。
4   测试台简介

该例描述了一个用于测试防抱死制动系统的工业型硬件在回路测试台，该测试台已安装在德国奥迪汽车股份公司（Audi AG）。

4.1  测试台原理

Audi HIL 测试工作台中使用了TESIS公司开发的ve-DYNA 三维汽车动力学模型，将真实的Audi A8型液压制动系统或Audi A8 Quattro四轮驱动的液压制动系统置于一测试架上，该测试架与ABS ECU和dSPACE Simulator及PC主机等同时相连构成硬件在回路测试台，如图2所示。为在仿真最复杂的汽车配置和操纵时，象真实的汽车一样给ABS ECU 提供I/O 信号，整个模型的仿真要在1ms 步长内执行完毕（小于ABS 控制器的采样时间），该测试台中dSPACE Simulator采用了5 个TMS320C40 DSP处理器联合进行。主DSP 负责计算驱动轨迹模型；用两个DSP 来建立轴系；其它两个DSP 向4 个从处理器写入和读取信号，五个DSP并行，在不同配置下，模型的仿真执行时间从650μs 到940μs 不等。dSPACE Simulator中DDS负责产生的轮速传感器的复杂仿真信号，标准I/O负责其他信号的输入与输出。

图1硬件在回路测试台示意图

实验过程中对ve-DYNA配置好车辆模型和汽车的操纵，让模型首先静止1s，然后加速5s，速度达到80km/h后，保持此速度5s，然后进行制动，在此设置下进行硬件在回路仿真即在线测试。当制动开始后，dSPACE Simulator将制动信号输送到制动踏板驱动机构，执行制动踏板动作，制动主缸供给液压，压力传感器测得各制动轮缸的制动压力信号，各制动压力信号通过接口转换成相应数字量送回dSPACE Simulator，这些制动压力将改变车辆状态，然后通过模型计算出新的车辆状态，再由接口转换成相应的模拟及数字量（如轮速、横向加速度、发动机速度等）发出给ECU，通过ECU内部软件的逻辑判断及算法发出合理的液压调节器的控制命令，然后改变各制动轮缸压力，压力传感器测得新的制动压力信号再次送回dSPACE Simulator，这样不断循环直到车辆模型完全制动，完成测试实验。

4.2   实验结果处理

实验时在ControlDesk中创建实验文件，如图2所示，在线测试时可以在ControlDesk中采集和监控车辆的各个参数（如轮速、轮加速度、制动压力等），通过这些采集的数据可以分析ABS ECU的性能。此外还可以很方便在ControlDesk中改变车辆的操纵以及路面信息，例如改变路面的摩擦系数，改变车辆的行驶时间，改变道路情况等，从而在各种不同的仿真条件下对ABS ECU进行测试。
在ControlDesk中提供了一种自动测试的工具-Test Automaiton，利用它用户可以方便的实现实验测试的整个流程。本试验台对ABS ECU实行测试的流程可设置成：开始测试 –模拟司机的行为 – 检查系统响应 – 诊断扫描 – 自动文档生成 – 重置 – 改变参数变量 –重新开始。
在一次试验结束后，将采集的信号的实时数据传送到MATLAB 工作区。对实验分析来说这些数据足够，但想获得较为直观的汽车运动情况是很困难的。dSPACE仿真器上配置了MotionDesk 三维动画程序，如图3所示。在试验过程中记录下的图形画面可以存入文件中。记录下来的画面可以单步重放，从而对极限测试情况进行仔细分析。

图2 ControlDesk中控制图                       图3 MotionDesk中仿真动画重现图

实验中除了采集实时的车辆参数进行分析外，还要对ABS ECU 的进行故障测试（如电源短路故障）以及ABS ECU负载工作能力(如电磁阀)测试。在dSPACE 的Simulator 上集成了故障模拟部分以及负载模拟部分，通过故障模拟模块能可以对车辆90%的故障进行模拟测试。本试验台是通过接入真实的负载来实现负载工作能力的测试。

5   结束语

本文介绍的德国奥迪汽车股份公司的ABS工业型硬件在回路测试台，它利用开发和测试控制系统的软硬平台dSPACE结合Tesis的模型，实现硬件在回路仿真的功能，将其应用在ABS ECU的测试中，实现了对ABS ECU各种极限情况和故障情况及负载测试。这种测试台的设计思路为我们开发ABS ECU的测试系统提供了可行性。

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