NI CompactRIO在混合动力轿车整车标定系统中的开发与应用

介绍

混合动力汽车由于使用了新能源力量，目前已经得到广泛的发展。其整车控制器（VCU）是混合动力汽车中的控制中枢，是实现混合动力车性能的关键因素之一，必须进行相应的优化和标定工作。

车用电控单元标定是一个十分复杂的过程，一方面是由于被控系统工作状况的复杂性；另一方面是许多控制参数之间存在着影响。电控单元的运行参数和控制参数的优化需要使用专门的工具进行分析和修改，于是诞生了电控单元的标定系统。标定系统的选用关系到标定质量、标定时间和标定成本。因此选用一个完善、适用的电控单元标定系统是电控系统开发成功的关键因素之一。综合以上因素，最终选择了NI CompactRIO系统，在此平台之上开发混合动力汽车整车标定系统，其小巧的外形可放置在车厢任何空余位置而不影响整车空间；坚固的设计使得在汽车行驶工况比较恶劣的情况下依然可以稳定的运行；抗干扰措施可以消除行车过程中各种干扰对系统的影响；Labview图形化编程语言将工程师从复杂的编程工作中解放出来，大大缩短了开发周期；内置信号调理的可热插播I/O模块使得系统的开放性和灵活性增强，并且工程师可以访问到底层的硬件资源。

混合动力汽车设计方案

本文所研究的单轴并联式混合动力方案是一种前置前驱的中度混合形。经过大量的方案选型和设计，集成发动机、ISG电机、超级电容和双离合器等部件。将盘式一体化ISG电机直接安装在内燃机曲轴输出端，电机转子和发动机曲轴直接连接，定子固定在发动机机体上，电机取代了飞轮以及原有的起动机和发电机。 本方案混合动力系统的动力以内燃机驱动为主，电机辅助驱动。内燃机动力输出动态响应慢、扭矩输出控制精度差，而电机瞬间动力驱动响应快，扭矩输出控制精度高，能量回收效率高，因此利用电机工作特点对发动机工况进行优，制订了怠速停机、快速起动、减速断油、加速助力、电机常发电和减速制动能量回收等混合动力控制策略。

NI CompactRIO系统的优势

NI CompactRIO是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，缩写为RIO) 和FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。其包含一个实时控制器与可重新配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统；还包含热插拔工业I/O模块，内置可直接和传感器/调节器连接的信号调理。这种设计使得低成本的构架具有开放性，用户可以访问到底层的硬件资源。

FPGA(Field Programmable Gate Array)，是PAL、GAL、PLD等可编程器件进一步发展的产物，其逻辑功能由内部规则排列的逻辑单元阵列完成。逻辑单元阵列内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三个部分。工程师可通过软件编程实现FPGA内部的逻辑模块和I/O模块的重新配置，以实现自定义的逻辑。

FPGA技术有很多优势，包括自定义I/O硬件定时和同步、高度可靠性、数字信号处理和分析等。这些优势为快速增长的汽车电子测试技术提供了灵活的低成本解决方案。FPGA可以直接连接到数字和模拟I/O，并可对各通道定义不同的采样率和触发。应用FPGA技术，可对任何传感器信号进行高级信号处理和分析。在很多信号处理系统中，底层的信号预处理算法要处理大量的数据，对处理速度要求很高，但算法相对简单，可用FPGA进行编程实现。此外，可很方便的在FPGA上实现对所采集的信号作数字滤波运算、快速傅立叶变换、加窗等多种信号处理和分析。

系统的设计方案

混合动力整车标定与传统发动机标定有所不同，由于工况和环境更加复杂，因此对标定系统的稳定性有更高的要求，最终开发的标定硬件环境如图1所示。通信主端由便携式PC机与NI CompactRIO系统组成，通信通过TCP/IP完成；通信从端为整车控制器的msCAN。标定方式采用CCP这一基于CAN总线的车用标定协议，故NI CompactRIO系统通过CAN总线与整车控制器连接。

图1 标定系统硬件架构

混合动力汽车CAN网络由4个控制单元组成，其中包括整车控制器（VCU—Vehicle Control Unit）、发动机管理系统（EMS—Engine Manage System）、电机控制器（MCU—Motor Control Unit）、信息状态显示控制器（DPLY），所有这些控制系统通过CAN总线进行通信。在对整车CAN网络进行设计时，预留了一个节点用于开发阶段的整车CAN网络监控，标定系统也是通过该节点连接至CAN网络，从而与整车控制器VCU建立连接的。主控PC机为标定系统的最上层，可以在线监控整车CAN网络数据，并对整车控制器标定参数进行在线修改，从而对系统进行统一控制管理。CAN通信模块采用NI 9853两通道高速CAN采集模块采集整车CAN网络信号，分辨率达25ns，支持11位和29位任意ID，该方案具有高集成度的特点，节省了设备投入，并使标定人员的工作环境得到了简化。

系统软件设计

混合动力汽车整车标定系统的软件设计充分考虑了CompactRIO系统的硬件特性，软件编程主要包括底层FPGA程序、RT程序以及上位机Host程序三个部分。

底层FPGA程序实现各个板卡的数据采集、各个IO通道的校正系数的传递，数据与RT的DMA传输等。RT程序负责与底层FPGA通信，RT系统的指示灯闪烁、用户开关的控制，与上位机Host的TCP/IP网络通信、FTP数据传输以及测试数据的标定、解释以及记录等功能。上位机Host程序负责配置整体测试系统通道，与RT通信，并可实时监控采集板卡的特定通道，查看RT上保存的数据等。

整个软件支持不同的采样率，支持CAN帧的记录与转换，以及TDMS文件格式的存储，控制器的数据记录通过前面板指示灯闪烁显示，并可通过前面板自定义开关暂停数据记录。系统已经扩展U盘，数据会自动存储在U盘中，下电后只需将U盘中的数据复制到上位机即可。

在用Labview图形化语言开发完运行在FPGA目标上的程序之后，对该程序进行编译，并将编译后的文件下载到FPGA芯片上。RT程序可通过Labview Real-Time Application工具下载到NI CompactRIO实时系统中，这样系统只要一上电，RT程序就会自动运行。

根据标定系统的基本功能将上位机软件分为以下几个模块：CAN通信控制模块、整车控制器标定模块、CAN网络数据监测模块。CAN通信配置模块的主要作用是配置CAN通道的相关信息，从而驱动NI 9853CAN卡，进行CAN数据的收发；标定的大部分工作都是在整车控制器标定模块下完成的，该模块要执行的任务总体来说有两个：读RAM区域数据，并在PC上显示、以及下载数据到RAM区域。图2所示为标定界面，标定过程中的各项指令均以控件的形式显示在前面板，用户在点击某项指令时，该模块应能够接收用户的标定指令并起动管理相应线程。CAN网络数据监测模块的主要作用是将CAN卡获得的整车CAN网络消息进行处理，最后显示在监测界面上。从CAN卡获得的CAN消息仍然是数据帧的形式，为了给测试人员提供友好的界面，需要在十进制数据和控制器中所采用的二进制数据之间进行转换，同时在应用程序中需要根据各控制器发送的CAN消息的ID号进行相应的数据解析，并以尽量直观的方式显示在前面板上，使研发人员能实时了解整车、发动机和电机的工作状况。

图2 标定界面

结论

汽车在行驶过程中存在着多个干扰源，例如电机电刷引起的火花放电、某些电路中的脉冲开关接触所产生的电磁信号、各种电气设备运行时发出的干扰等等。这些噪声对被测信号以及测试设备存在着严重的干扰，会导致很大的数据采集误差。因此采集设备的抗干扰能力就显得尤为重要。通过长时间的实车道路试验，该设备的抗干扰措施可以消除行车过程中各种干扰对系统的影响，确保准确可靠地采集整车CAN网络数据，并对整车控制器参数进行在线标定。其实时性、可靠性得到了验证，完全满足混合动力汽车整车标定试验要求，对于混合动力汽车的控制策略调试起了非常重要的作用。