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基于V_v开发模型研制双轴并联混合动力客车整车控制器

来源：世旅网

第39卷　第4期2009年7月

吉林大学学报(工学版)

JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)

　Vol.39　No.4　July2009

基于V+v开发模型研制双轴并联

混合动力客车整车控制器

孙立宁1,穆春阳1,2,杜志江1,陈燕春2

(1.哈尔滨工业大学机器人研究所,哈尔滨150001;2.中国第一汽车集团公司技术中心,长春130011)

摘　要:使用基于模型和自动代码生成技术研究整车控制器(VCU)的控制策略和算法及其代码化,结合软件开发平台技术,按照V+v开发模型对双轴并联混合动力客车的VCU进行了开发。分析讨论了V+v模型中每个节点的关键技术,全新开发了VCU的控制策略和算法,基于相同模型利用多种仿真模式对自动生成的产品质量代码进行了测试。以符合OSEK标准的OS为核心构建了适用于32位微控制器的软件开发平台。最后,在半车试验台和整车上对VCU进行了功能测试和验证,结果表明采用V+v模型开发VCU可以提高开发质量、缩短开发周期、降低开发成本。

关键词:自动控制技术;整车控制器;V+v开发模型;双轴并联混合动力客车;软件开发平台中图分类号:TP273　　文献标识码:A　　文章编号:1671297(2009)0421012207

VCUdevelopmentfor22axesparallelhybridbus

withV+vdevelopmentmodel

SUNLi2ning1,MUChun2yang1,2,DUZhi2jiang1,CHENYan2chun2

(1.RobotResearchInstitute,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.R&DCenter,ChinaFAWGroupCorporation,Changchun130011,China)

Abstract:Thecontrolstrategyandalgorithmaswellasitscodingofthevehiclecontrolunit(VCU)werestudiedusingthemodel2basedandtheautocodetechnique.AVCUwasdevelopedfora22axesparallelhybridbusbasedontheV+vmodelusingthesoftwaredevelopmentplatformtechnology.ThekeyissuesofeachnodeintheV+vmodelwereanalyzedanddiscussed,andabrand2newcontrolstrategyandalgorithmweredevelopedfortheVCU,andtheautomaticallygeneratedproductqualitycodewastestedusingdifferentsimulationmodesofthesamemodel.Asoftwaredevelopmentplatformcompatiblewitha322bitmicro2controllerwasbuiltwithOSEK2compliantoperatingsystem.ThefunctionsofthedevelopedVCUweretestedonahalf2vehiclebenchandarealvehiclerespectively,andtheresultsshowthatthedevelopmentofVCUwithV+vmodelimprovesthedevelopmentquality,shortensthedevelopmentcycle,andcutsthedevelopmentcost.

Keywords:automaticcontroltechnology;vehiclecontrolunit(VCU);V+vdevelopmentmodel;22axesparallelhybridbus;softwaredevelopmentplatform

收稿日期:2008204223.

基金项目“:863”国家高技术研究发展计划项目(2003AA1Z2141,2005AA501500).

作者简介:孙立宁(192),男,教授,博士生导师.研究方向:机电一体化技术,机器人智能控制,MEMS技术.

E2mail:lnsun@hit.edu.cn

第4期孙立宁,等:基于V+v开发模型研制双轴并联混合动力客车整车控制器

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　　整车控制器(Vehiclecontrolunit,VCU)是混合动力客车控制系统的核心部件,它的性能直接影响到整车的性能和燃油经济性。在研发初期,很难找到适合VCU的测试环境,增加了VCU的试验验证难度,造成研发成本升高。当前,基于模型和自动代码生成技术日渐成熟,这些技术可以缩短控制器开发周期,提高控制器质量[122]。文献[3]利用传统的汽车V型开发模型研制混合动力客车的整车控制器,它采用了基于模型的快速原型开发方法,但在VCU后续开发过程中没有充分利用快速原型阶段的模型成果为控制策略生成产品质量代码,以及对该代码进行测试。文献[4]提出了一种基于V+v模型开发电控柴油机控制器的方法,它将开发过程分成2个主要过程,控制工程师利用基于模型和自动代码生成技术开发新的控制器算法;同时,平台工程师构建以OSEK/VDX为核心的控制器开发平台;最后,利用集成开发环境(IDE)将算法代码“安装”到开发平台上完成软件集成,从而达到快速生成目标机文件的目的。该方法的主要优点在于利用合理选择的工具链和开发方法,使开发过程中的上游工作产品在下游开发过程中得到充分利用;控制模型成为可执行的规格说明书,可在较早阶段发现设计缺陷,同时可以避免传统开发过程中所需的大量接口文档;而且,基于相同微控制器进行开发时,软件开发平台的实现工作可以大为简化,此时的开发工作主要表现为新算法的开发;这些都有利于提高控制器的开发效率和可靠性。

作者借鉴V+v开发模型的思想,以符合OSEK/VDX标准的实时操作系统(RTOS)为核心构建软件开发平台,同时利用基于模型和自动代码生成技术开发控制策略和算法,研制双轴并联混合动力客车的整车控制器。

图1　双轴并联混合动力客车的结构

Fig.1　Structureof22axesparallelhybridbus

图2　混合动力客车CAN网络拓扑结构Fig.2　TopologicalstructureofhybridbusCANnetwork

VCU和IPK桥接在2个网段上;Tools是为VCU外接的运行于PC机上的用于诊断、测量和

标定的工具,在整车正常工作时是不接入的。从整车需求和所选混合动力客车的结构特点出发,要求VCU能够实现如下主要功能:①在停车情况下使用电动机起动发动机;②变速器处于空档位置时,利用发动机经由电动机对电池充电;③控制发动机,配合变速器实现升降档;④能量分配和能量回收;⑤诊断和跛行回家;⑥作为连接2个网段的网关。

1.2　VCU建模和仿真验证

开发过程中控制工程师使用的工具链如下:建模/仿真采用Matlab/Simulink/Stateflow;自动代码生成和测试采用Matlab/Simulink/TargetLink/CME2555;算法验证采用Matlab/Simulink/Autobox。

在Matlab/Simulink/Stateflow环境下对VCU进行建模。VCU的全部输入和输出均通过CAN总线进行交换,统一由CAN通信处理模块实现;来自其他控制器的信号(如发动机转速、加

1　VCU控制策略和算法开发

1.1　系统需求和功能分析

双轴并联混合动力客车的结构形式如图1所示,采用逻辑门限值控制方法设计VCU的控制

策略,VCU从驾驶员获得整车需求转矩,按照控制策略和算法,实时计算分配给发动机和电动机的转矩,实现能量分配[5]。

整车CAN网络被分成2个网段(见图2),柴油机、变速器和防滑刹车系统的控制器连接在网段A上;电动机、电池的控制器连接在网段B上;

速踏板开度、档位和电动机转速等)经由参数计算

模块处理后,进入VCU控制策略和算法处理模块,具体进入哪种模式,由工况模式判断模块根据当前实际车况计算得到的VCU工作模式确定(见图3)。

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通过对Simulink模型的仿真来验证VCU控制策略的逻辑、算法结构和程序执行框架,必要时使用基于dSPACE公司的Autobox进行快速原

型验证。图4是起机模式中,起动机起动发动机的控制策略和算法Simulink模型,在自动代码生成阶段还将用到该模型。

图3　VCU控制策略和算法逻辑框图

Fig.3　LogicdiagramofVCUcontrolstrategyandalgorithm

图4　起机模式下“电起机”模型

Fig.4　Modelof“startenginebymotor”instartenginemode

1.3　自动代码生成和测试

dSPACE公司的TargetLink是目前汽车领

(model2in2the2loop)、SIL(software2in2the2loop)

和HIL(hardware2in2the2loop)。MIL仿真实际就是基于Simulink模型所进行的仿真,它被用作SIL和HIL仿真的基准。SIL仿真是在开发PC

域比较流行的自动代码生成工具,V2.2以上版本提供了对AUTOSAR标准的支持,所生成代码的质量、可靠性和执行效率可以与一般的手写代码相比[627]。

在生成代码之前需要做如下准备工作[4,7]:①将控制策略和算法的Simulink模型转换为TargetLink模型;②利用TargetLink的数据字典(DD)统一管理与模型对应的数据,并在DD中为

上使用所生成的产品代码对模型进行仿真,以研

究算法定点后的影响(如量化误差或饱和等)。PIL仿真是通过在真实目标机硬件上执行代码进

行验证,将代码下载到CME2555评估板的MPC555的存储器里进行仿真,研究因目标机编

译器(CodeWarrior)、MPC555处理器引起的误差,并考察仿真时的有关执行时间和栈使用情况。

图5是“电起机”算法的TargetLink模型,在相同测试用例情况下,输入的电动机扭矩变量的精度选取会直接影响到模型中经PI调节得到的输出结果。通过图6的仿真结果可以看出:当电动机扭矩变量的精度取为2-3时,MIL和SIL仿真输出的绝对偏差范围大于±5%,这个结果不能满足控制器算法的需要;将其精度取为2-7时,绝对偏差范围可控制在±0.4%以内,可以满足需

每个变量、图表元素定义数据的类型、定标精度、值域等;③对模型中的所有变量进行定点转换

(VCU的微控制器MPC555被用作定点处理器);④根据需要,将TargetLink模型划分成不同的模块,并指定生成代码时该模块所在的函数体和.c文件。此后,即可一键生成产品质量代码。

尽管TargetLink生成的代码质量很高,但是还是需要对这些代码进行测试。为了方便测试,TargetLink提供了3种不同类型的仿真:MIL

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图5　“电起机”算法的TargetLink模型

Fig.5　TargetLinkmodelof“startenginebymotor”algorithm

图7　VCU软件开发平台结构

Fig.7　StructureofVCUsoftwaredevelopmentplatform

快了VCU的开发进度,并提高了可靠性。

2.1　VCU硬件设计

VCU硬件是控制策略和算法的载体,也是VCU软件平台的物理基础。图8是整车控制器实物照片,微控制器采用MPC555,它具有丰富的I/O端口资源,2个的TouCAN控制器;此

图6　“电起机”模型中扭矩精度对输出结果的影响

Fig.6　Outputeffectsof“startenginebymotor”model

duetodifferentresolutionsofmotortorque

外,MPC555具有448kB的片上FLASH存储空

间,26kB的RAM[8]。可以满足VCU的需要,也简化了VCU硬件的外围设计。

为了满足标定和下线检测过程的需要,VCU

要,由此确定该变量的定点精度为2-7。

基于相同模型,针对不同模块,设计并选择合适的测试用例,之后进行MIL/SIL/HIL仿真,完成全部VCU新控制策略和算法的代码化过程。

2　构建VCU软件平台

图7是VCU的软件开发平台,它由5部分组成:VCU硬件;引导和异常处理代码;OSEKOS/COM;应用程序编程接口库(APIlibrary)以及诊断和标定代码。VCU硬件的微控制器是MPC555,在构建VCU的软件开发平台时借用了电控柴油机软件开发平台的大部分内容[4],这加

图8　整车控制器实物照片

Fig.8　PhotoofVCU

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外扩了1MB的SRAM。VCU不存在对大电流、高电压执行器进行直接控制时所需的驱动电路,这也使VCU的设计变得简洁、可靠。2.2　实时操作系统框架设计

使用符合OSEK/VDX标准的OSEKturboOS设计VCU的系统框架。OSEKturboOS支持3种调度策略,即完全占先调度、非占先调度和混合调度[9210]。使用OIL(OSEK实现语言[11])并采用完全占先调度策略设计VCU的系统框架(见图9),它由3个任务(Task)和2个中断(ISR)组成。

设计VCU内部的监控软件。上位机采用Vector公司的CANape。监控软件工作原理如图10所示,它可以实现数据测量和监控、在线/离线标定、在线编程和身份验证等功能[12]。

图10　监控软件设计原理

Fig.10　Designprincipleofmonitoringsoftware

MPC555的2个TouCAN模块分别用于VCU的网段A和网段B的收发。因此,监控软

图9　VCU系统框架设计Fig.9　DesignofVCUsystemframework

件必须跟其中的一个网段共用一个TouCAN模

块。考虑到VCU两个网段的总线负载,最后,将监控软件设计成与总线负载较小的网段B共用一个TouCAN模块,采用CAN2.0B标准,波特率设置为250kB/s,CRO和DTO[13]的报文ID分别设置为0x256和0x257。发送使用MB0(报文缓冲0)[8],接收使用MB15。

系统执行过程如下:①VCU上电后,首先执行引导代码,对CPU和外围设备进行初始化,之后跳转到主函数做进一步初始化,继之将系统控制权交给OS;②进入OS后,先执行一次启动任务,完成对控制策略和算法代码的初始化,之后激活工况转换和CAN发送任务的Alarm,在启动任务被挂起之前,打开MPC555的中断;③VCU系统将按表1所列的参数运行,执行VCU的全部功能。

表1　VCU系统框架参数表

Table1　ParametersofVCUsystemframework任务或中断启动工况转换

CAN发送CAN接收(网段A)CAN接收(网段B)

3　VCU软件集成和测试

在完成新控制策略和算法的代码化以及

VCU软件开发平台设计之后,为了最终得到可靠的目标机文件,需要进行软件集成和测试工作。采用文献[4]中的软件集成方法对全部VCU软件进行编译和连接,最终生成控制器可执行文件。

VCU的控制策略和算法代码被“安装”在工况任务中执行,主要完成参数计算、工况模式判断、各模式下的控制策略和算法的计算;与CAN通信有关的代码分成2个部分处理,接收部分分别由2个ISR处理,发送部分被“安装”在CAN发送任务中处理(见图3和图8)。

任务属性单次执行定时器触发定时器触发事件触发事件触发

周期

-1010--

MINT---1010

优先级

5030Level4Level5

4　功能测试和验证

基于模型和自动代码生成技术研发VCU新的控制策略和算法,通过各种仿真和测试方法可以发现98%以上的设计缺陷,从而使VCU的测

　　注:MINT为中断最小到达时间;周期和MINT单位均为

ms。

2.3　监控软件设计

基于CAN总线,采用CAN标定协议(CCP)

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试可以直接进入半车试验台的功能调试和测试;通过半车试验台的测试之后,就可以进一步在整车上进行功能验证和确认测试。

4.1　VCU在混合动力半车试验台上的测试

此阶段的测试分为静态和动态2个阶段。静态测试是在混合动力客车各总成的控制器上电、但不动作的前提下进行的,主要对2个网段的CAN通信及网络状况进行测试和调试,通过CAN总线分析工具解析CAN报文,验证VCU与其他控制器之间通信协议的一致性。动态测试是在混合动力客车半车试验台的各总成(包括柴油机、电动机、电池等)共同作用下运行时进行的测试。按照“起机→停机→能量分配和换档→故障处理”的顺序对VCU的每个功能模块分别进行测试(见图3),图11是利用监控工具记录的起机模式下“电动机起动发动机”功能的测试曲线。

状态,此时VCU工作在能量分配模式,通过给电动机分配负扭矩,经由逆变器为电池充电,从而实

现能量回收功能。

图12　整车滑行能量回收功能的测试曲线

图11　在半车试验台上记录的“电起机”功能测试曲线

Fig.11　“Startenginebymotor”functioncurvesrecorded

onhalf2vehiclebench

Fig.12　Curvesofenergycallbackduringvehiclecoasting

5　结　论

(1)基于平台开发方法,采用模型和自动代码

4.2　VCU在整车上的测试

整车验证和确认是开发者对VCU控制器的

功能和性能的进一步验证,也是站在用户的角度上对VCU质量所做的全面评价。试验人员通过监控工具进行整车测试,图12是通过监控工具记录的一组测试数据,它所表现的测试工况是:驾驶员将油门踩到底,车速不断升高,变速器的档位从1档升至4档,之后松开油门踏板,整车进入滑行

生成技术,提高了开发效率和可靠性,体现了当前控制器开发技术发展趋势。

(2)新控制策略和算法的开发,与构建软件开发平台可并行进行,减少了开发过程的迭代次数,从而有效地缩短开发周期。

(3)基于相同模型,借助多种仿真方法和灵活、全面的测试用例对算法代码进行测试和验证,

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可尽早发现软件设计缺陷,减小测试工作量。

(4)基于同类型微控制器开发时,软件开发平台的大部分内容都可以得到继承,便于软件重用。参考文献:

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