星月城娱乐:动力总成HIL实验的首要考量因素

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  星月城娱乐统对嵌入式控制设备进行全面测试变得不切实际安全性、可用性和成本等因素使得使用完整的系。高效地测试这些设备的实时测试技术硬件在环(HIL)仿真是一种可更。L测试时进行HI,系统在实时硬件上进行仿真连接到嵌入式控制器的物理,物理系统的实际输出模拟器的输出可模拟。它处在一个真实的系统中嵌入式控制器会“认为”。整个系统进行实际测试之前HIL仿真的目的是在对,控制设备进行全面的测试先在虚拟环境中对嵌入式。制系统中在闭环控,过传感器测量馈回控制器被控制系统的当前状态通。车来说对于汽,些测量值来确定适当的执行器值电子控制单元(ECU)使用这,的工作条件以获得所需。如例,、发动机转速和排气氧含量的信息发动机ECU接收有关节气门位置,正时和进气口对应的执行器命令以确定燃油喷射器位置、点火,能和 减少有害尾气排放以保持最大的发动机性。个系统进行物理测试最终还是需要对整;HIL仿真但是通过,发动机的情况下彻底测试ECU工程师 可以在没有车辆甚至,要的信息获取重。ECU交互的物理系统HIL仿真可重现与,结果数据记录等测试执行功能并执行激励信号生成和测试。度(以模拟踩下油门踏板)和车辆载荷(以模拟各种道路状况)发动机ECU的激励生成可能需要创建一系列期望的发动机速。以确保所有组件正确运行同时需要观察整个系统,测试结果并记录,统响应进行比较以便与理想的系。能完全取代物理测试虽然HIL仿真并不,:- 在开发过程中更早地进行测试—更及时地发现设计错误但它确实可通过以下优势来降低测试成本以及提高产品质量,- 降低测试成本—无需使用物理系统减少修正成本以及对上市时间的影响,覆盖率—在无法进行物理测试的极端条件下测试ECU减少测试连接件的购置、维修和维护费用- 增加测试,提高测试灵活性—扩展测试功能避免安全和设备损坏问题- ,如:即使在炎热的夏天无需考虑外部因素(例,冬季道路状况也可以模拟,可重复性—隔离ECU的缺陷以便测试车辆)- 提高测试,在某些情况下才发即使这些缺陷仅生

  提高其开发和测试过程的工作效率组织采用HIL仿真的基本动机是。要能够帮助工程师专注于测试ECU用于HIL仿真的硬件和软件工具需,支持和维护测试系统而不是忙于配置、。兼顾易用性和灵活性HIL测试软件应该,变化的要求以适应不断。节省的时间和提高的产品质量HIL系统的价值取决于所能。市时间要求的行业中在具有极其严格的上,次测量非常重要快速开始进行首。真模型连接到物理I/O设备您必须能够快速轻松地将仿,发生变化时更新配置而且在ECU参数。配置之外除了系统,试配置文件来驱动ECU系统还应可创建和执行测。ECU可能遇到的环境变量的信号模式驾驶虚拟汽车的前提是能够提供代表。如例,A行驶工况测试如果要执行EP,的速度设定值和路况条件就需要生成运行测试所需。生成测试配置文件有多种选项可用于,图形化显示和复杂的数据回放包括传统的编程和脚本语言、。ECU要求而异最佳方法通常因,能够满足这些不同的要求而且HIL测试系统必须。L测试在HI,”被测嵌入式设备(DUT)通常使用仿真模型来“欺骗,控制一个真正的机械系统让DUT觉得自己正在。可使用数学工具来重现机械系统的物理学机制,电线传输并连接到DUT这些工具生成的信号通过。去过,极具挑战性的过程物理仿真是一个,过程相关的数学原理需要深入了解与机械,力特性和材料特性如流体动力学、应。

  天今,工具可用为物理和电气系统建模有许多商用现成(COTS),构建的基础数学原理而且不需要了解系统。车动力总成HIL测试领域而设计其中有许多物理仿真工具专门为汽。公司开发的 GT-SUITE 软件—GT-SUITE 是一款仿真软件工具常见的汽车建模工具及其主要用途包括:Gamma Technology ,供了多种功能和库为汽车工程应用提,/组件分析、设计优化以及根本原因调查等包括快速概念设计、详细的系统或子系统。一无二的系统集成模型构建功能GT-SUITE架构提供了独,域和模型等级进行集成可以跨子系统、物理。软件—BOOST 是一款完全集成的虚拟发动机仿真工具AVL 公司开发的 BOOST 和 CRUISE ,机性能、噪声和废气处理装置的效率提供了先进的模型来准确预测发动。程中借助该软件在发动机开发过,优化排放、油耗和乘客舒适度(噪声和瞬态工况)您可以提供给定汽车概念所需的扭矩和功率以及。一款系统级仿真工具CRUISE 是,过程中的日常车辆系统和传动系统分析任务适用于从概念规划到产品发布等一整个开发。高度先进的混合动力系统和纯电动汽车其应用范围涵盖了传统车辆动力系统、。数优化和组件匹配功能CRUISE提供了参,且可行的解决方案可帮助您实现实用。tion X标准软件用于评估所有技术系统组件之间的相互作用ITI 公司开发的 SimulationX—Simula,富的模型库提供了丰,动、热力学、电气学、电气驱动、磁学和控制学等领域适用于一维机械、三维多体系统、动力传动、液压、气。应建模、仿真和分析的通用CAT工具SimulationX是用于物理效。m 软件—CarSim 用于模拟乘用车、赛车、轻卡和多功能车的动态行为.Mechanical Simulation 公司开发的 CarSi。图和分析或导出到Excel等其他软件它可生成动态仿线个计算变量来进行绘。真能否准确反映ECU周边环境HIL测试的有效性取决于仿。对ECU命令进行准确的响应仿真模型必须通过数学计算,围必须与所仿真的机械系统一致并且这些响应所发生的时间范。此因,用实时系统执行确定性操作大多数HIL应用都需要使。统来执行实时测试序列您还可以使用实时系,和稳健性相关的信息以了解ECU功能。确定地代表机械系统如果实时系统可以,高的保真度并具有足够,U参数进行校准则可以对EC,个闭环系统的性能以优化和调整整。以从测功机转移到实验室的测试量实时系统的性能很大程度取决于可,试成本和上市时间因为这直接影响测。

  行HIL测试对系统提出了新的要求在动力总成控制模块(PCM)上执。专业化特性由于其高度,通用微控制器外PCM除了依赖,用协处理器还依赖于专。如例,理特定的高速发动机信号内燃发动机PCM必须处,压力和精确执行器控制[2]例如转动位置、爆震、气缸。独特的I/O和协处理器PCM测试需处理这些。此因,测试系统PCM,测组件如待,协处理器来提供足够的I/O复杂性使用相应复杂的测试系统来测专用。外此,新的PCM硬件和软件尽管公司会不断发布,要具有多年使用寿命但测试系统通常需。统的一个最基本要求如今高度灵活性便成为测试系,些需求的理想器件FPGA是满足这,先进PCM快速变化的测试需求[3]其高性能和灵活性非常适合满足当今。有显着优势FPGA具,引脚的响应时间、设计可移植性和终身可升级性例如并行处理、设计可扩展性、超快的引脚到。建强大的自适应测试系统所有这些优势都有助于构。是但,非常专业的工程师才懂FPGA编程通常只有,师非常稀缺但这类工程。PGA库极大地提高了部署基于FPGA的测试系统的可行性高级别抽象的FPGA编程软件的出现以及易于访问的现成F。质上说从本,用是让发动机转动内燃机ECU的作。此为,供的传感器反馈来监测发动机的位置ECU通过精心设计的编码器轮提,示的曲轴轮如图4所,火花塞来产生电能并激活喷油器和。

  用复杂的pattern图4. 现在的曲轴轮采,rn非常独特且不断变化如图中所示的patte。用途除了测量踏板等用户输入之外内燃机ECU HIL测试仪的,成这些燃烧信号还用于测量和生。发动机ECU信号表1显示了典型的。

  测试仪的框图(不包含负载和开关)图5显示了一个典型发动机ECU。U上运行的实时OS测试仪包含了在CP,Hz-10 kHz)建模用于执行低中速(1 k。线通信等独立I/O结合CPU与模拟、数字和总,型的执行进行同步更新可让低中速信号随着模。ECU测试系统不管对于哪类,核心组件这些都是,CU测试的特定要求但为了满足内燃机E,ngle processing unit还需要增加一个用于实例化角度处理单元(a,PGA协处理器APU)的F。

  了在FPGA上进行实例化的APU协处理器图5. 典型的发动机ECU测试仪框图包含。高保真的发动机转动仿真APU用于执行高速、。受速度输入值的过程转动仿真是一个接,间的推移随着时,布转动位置的仿真值0到360度连续发。于其转动位置控制发动机由于ECU编程为相对,ECU时因此验证,并进行与转动位置相关的测量需要在测试仪中模拟转动位置。

  U上剥离出来有许多好处将转动仿真任务从CP。先首,用硬件使用专,以高速运行APU可,(如线程调度程序)的干扰不受高级实时操作系统任务。在10为了,0.1度 的分辨率下000 rpm下实现,z的频率运行转动仿线 H,上是不可能实现的这在通用CPU。

  次其,U可以异步运行APU和CP。间步进间隔运行物理对象模型这可允许CPU以固定的时,实时OS工具链的工作效率有助于提高许多对象建模和,处理器的基于角度的信息同时获得来自APU协。

  后最,靠近I/O引脚的位置通过将APU放置在,数据之间建立低延迟连接可以在转动仿真和相关,真的位置值以关联到仿。时间之间的延迟会直接导致测量误差事件发生的时间及其与位置相关的。这一误差为了避免,/O相同的FPGA芯片可以将APU放在与I。

  PU协处理器以及发动机物理模型相结合前面讨论的ECU信号、FPGA上的A,机ECU HIL测试仪就构成了一个闭环发动。实际执行器负载的数据流图7显示了该系统基于。

  动力系统对于内燃,HIL系统时设计ECU ,燃油喷射器驱动的测量另一个重要考虑因素是。是将真实执行器纳入测试系统实现这一目标的最佳方法之一,真实车辆中一样就像将它们置于。号调理卡连接到喷油器ECU经过电流测量信,GA提供电流测量值并为测试系统的FP。量流经喷油器的电流这可允许FPGA测,关闭电磁阀(图8)以确定何时开启和。

  测量电流才能精确地捕获正确的时机对于汽油喷射器图8. 柴油燃料喷射器的电流和电压曲线表明必须,直接测量ECU的数字输出一个更简单的替代方案是, 被命令打开和关闭以检测喷射器何时。是但,电流可得到更准确的结果测量通过实际喷射器的,要一定量的激活电流因为 打开电磁阀需。外此,连接到喷射器输出如果实际负载没有,会出现诊断故障大多数ECU。

  混合动力系统中在许多全电动或,独立电源产生的电力ECU必须管理多个。如例,多个电动机以及一个内燃发动机混合动力传动系统包含一个或。合动力传动系统类型无论使用的是何种混,可重复的方式控制两个耦合对象都意味着ECU必须以安全且,速度可能截然不同这两个对象的动态,保控制系统的稳定性需要大量测试才能确。

  如例,的驾驶条件下在路面结冰,失去牵引力车轮会突然。速时在加,机速度急剧增加这可能会导致电,全地应对需要安。是但,角度考虑从物理,能在测功机上再现这种安全行为不可,测试跑道上即使是在,时和高难度的也是非常耗。发的复杂控制算法必须进行验证由于针对这种特定安全条件开,极端的驾驶条件测试需要考虑到,辆的质量要求以满足量产车。

  都增加了ECU测试的复杂性混合动力和全电动传动系统。哪种情况不管是,速PWM信号来驱动电力电子硬件驱动电动机都需要ECU产生高。CU的高速数字信号做出正确的响应如果要HIL测试系统对来自被测E,速循环速率运行仿线μs的超快。考虑的方面是另一个需要,杂的非线性行为电动机表现出复,和和齿槽转矩例如磁性饱,很难直接建模这些行为都。试ECU的基本功能线性模型可用于测,为也需要建模但复杂的行,测试、调整和优化才能进行更严格的。

  s的循环速率传统的仿线μ,设计人员的测试能力这限制了控制系统,贵的测功机或现场测试迫使他们严重依于赖昂。力的情况下在失去牵引,所有可能运行条件下的安全性如果要通过现场测试来确保在,昂甚至不可能实现所需的费用非常高。而然,在仿真中进行更多可重复的测试提高仿真速度和保真度有助于,试的时间和成本从而减少物理测。

  s的模拟周期要达到1μ,力电子HIL测试系统的设计需要测试彻底改变电动机和电。的基于处理器的HIL系统一个关键方法是摒弃传统,GA的仿真器采用基于FP。

  理器和I/O分离开由于通信总线将处,供的最大速度仅为50 kHz左右传统的基于处理器的HIL系统可提。个时间步长内在仿真的单,行采样后对输入进,处理器进行处理采样数据传输到,回I/O节点处理结果传输,输出结果并更新。或PXI总线对于PCI,个仿真周期的四分之三通信的延迟通常可占整。A上有助于提高计算速度将计算任务转移到FPG。而然,上并列配置处理节点和I/O节点提高速度的最快方法是在单个设备,化通信延迟这样可最小。

  器进行实时仿真时对高级电机驱动,仿真保真度和速度的平衡面临的另一个挑战是实现。级HIL测试时虽然进行功能,线性模型就足够了简单的常量参数或,试的可靠性以及优化先进电机驱动器但通常需要提高模拟保真度来提高测。度的一个有效方法是使用查找表替换模型参数在不增加计算复杂度的情况下提高模拟保真,代时更新这些参数并在每次仿真迭。

  或通过实验得出的表格使用有限元分析结果,杂的非线性行为您可以模拟复,矩或磁饱和例如齿槽转,复杂现象的控制器并设计可正确响应。哪种情况无论是,捕获复杂的行为查找表都可以,直接对其进行建模而无需在仿真中。

  需要设计和测试团队之间密切合作为ECU制定测试计划和测试用例。述是此过程的一个关键步骤对ECU要求进行文档记。常通,类别:安全性、功能性和性能这些要求可以分为三个高级。

  设计中在产品,过程来定性地识别可能的故障及其对系统的整体影响我们应用称为故障模式和影响分析(FMEA)的。试军事系统的可靠性工程师开发的FMEA是20世纪40年代末测,用至今并沿。能的故障时当识别出可,以及计算出的总体风险值(概率和严重程度的乘积)就会详细描述故障并分配相应的概率值、严重程度值。FMEA表的示例表2显示了一个。

  影响分析表作为有效的安全测试起点表2. 设计工程师创建故障模式和。r提供)完成FMEA后(表格由Quanse,减缓识别到的风险最大的故障设计工程师会添加一些功能来。如例,来检测机械组件的故障他们可以添加传感器,辆切换到跛行回家模式然后软件会自动将车,一步损害以防止进。U验证和确认的关键部分测试这些补救措施是EC。设计相应的测试用例如果要为每个故障,障树分析(FTA)需要设计团队提供故。个FTA的例子图10显示一。

  全至关重要的测试用例时图10. 在创建对安,个重要的参考文档故障树分析是一。

  作为流程图使用FTA,测试用例(“足够高”的阈值由产品管理人员设定)您可以为每个具有足够高风险的FMEA项目设计。的危险系数非常高考虑到一些故障,中对这些项目进行测试如果能在HIL仿真,常有价值的投资那将是一项非。

  全要求时在验证安,试准确无误必须确保测,须符合功能安全标准的受管制行业尤其是对于汽车和航空航天等必。入生产和处于安全关键状态时错误的验证可能导致项目在投,不利的后果产生极为。外另,性的不断增加由于电子复杂,要进行的测试增多相同的时间内需,动化验证需求这就引入了自。是但,样正常工作?自行开发测试自动化工具的成本可能非常高我们如何知道所使用的测试自动化工具是否如预期的那,确保工具的功能安全性特别是在设计时需要。之外除此,行详细且全面的文档记述还需要对整个验证过程进。档可能非常耗时正确地创建该文,必须能够生成适当的工件因此所使用的任何工具,工具认证是唯一的方法这使得许多人认为手动。

  求的COTS验证工具可以满足这一需求使用在某些方面符合特定功能安全项目要,试工具充满信心且可让您对测。化软件工具TestStand开发了一款资格鉴定包NI联盟合作伙伴CertTech针对NI测试自动。随时可运行的测试管理软件TestStand是一款,执行和部署自动化测试系统旨在帮助您更快地开发、。监管行业和功能安全标准非常熟悉由于CertTech工程师对受,8C和ISO 26262等标准的合格工具他们很理解用户迫切需要使用符合DO-17。盖了最常用功能的要求和测试种类TestStand鉴定包全面覆,测试以及一个易于扩展的框架提供了验证指定要求的全套,要扩展测试覆盖范围因此用户可以根据需。外此,用工具生成了所需的文档CertTech还使,的必要工件作为合规性。必不可少的这个文档是,保验证过程的完全透明性因为我们的总体目标是确,以快速地重建以便测试可。鉴定包借助,文档所需的时间缩短了95%CertTech将生成该。

  功能安全标准一些较新的,合格工具”来完成一些不需要人工审核的验证和确认任务如ISO 26262和DO-178C要求项目使用“,d这样的合格工具变得更为重要这使得使用像TestStan。测试的工具的总体影响进行评估这些标准需要您对未进行适当,个TCL值然后判定一,( Tool Confidence Level也就是ISO 26262等标准所称的工具置信度,L)TC。响(TI)和工具错误检测(TD)两个主要因素决定了TCL:工具影。是TI的两个级别TI1和TI2。可能违反安全要求时当故障软件工具不,TI1则选择。均选择TI2其他所有情况。、TD2和TD3TD分为TD1。测错误的置信度很高TD1表示工具检,置信度中等TD2表示,置信度很低TD3表示。用户所承担的额外负担也有所不同测试工具的不同TCL等级意味着。

  置信度意味着对工具进行鉴定时的工作量不表3. ISO 26262标准中的工具同

  于用户的价值最大TCL2工具对,是对安全没有任何实质影响因为任何TCL1工具不,有高置信度就是已经具,资格鉴定和文档记述因而不需要额外的。具置信度较低而TCL3工,程度的人工资格鉴定不管如何都需要一定。

  层次来从高。

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