電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試平臺及測試方法與流程

2023-05-07 14:48:11 1

本發明涉及電動汽車控制技術領域，尤其涉及一種電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試平臺及測試方法。

背景技術：

隨著電動汽車研發的深入，對電動汽車開發過程中的驗證需求越來越大，尤其是對電動車控制器的驗證需求，電動車的驅動穩定性控制、制動防抱死控制、驅動防滑控制、智能輔助駕駛技術等都基於控制器實現，而現階段關於控制器測試的研究，大部分是用仿真建模的方法或者實車驗證的方法進行測試，採用模擬仿真的測試方法與實際應用情況存在較大差別，而實車驗證需要大型的試驗場地以及完備的試驗整車，因而提高了測試成本，並且由於測試控制器的不成熟存在一定的風險性，因此需要提出一種能夠在低成本條件下進行較為接近實際應用情況的測試方法。

隨著計算機仿真技術的發展，汽車行業形成了較為成熟的整車開發流程，硬體在環測試是開發流程中不可或缺的一部分，硬體在環測試涵蓋了快速控制原型、自動代碼生成等技術，是應用前景較廣闊的測試技術，其特點在於部分硬體採用實物，而車輛其他部件採用實時仿真模型的方法。與開發試驗樣車相比，節約了成本，提高了效率。目前硬體在環仿真分為大型硬體在環測試平臺、中型硬體在環測試平臺、小型硬體在環測試平臺，大型硬體在環測試平臺體積龐大，用整車作為控制對象，用完全封閉的空間及360°環形屏幕模擬汽車行駛環境，這樣的平臺存在體積大、成本高等缺點；中型硬體在環測試平臺採用整車作為控制對象，用半封閉的空間仿真汽車行駛環境，該實驗平臺仍存在成本高的問題；小型硬體在環測試平臺只採用部分汽車部件搭建硬體部分，該類試驗平臺具有成本低、效率高等優點，但有部分臺架採用負載電機、測功機等來模擬汽車驅動工況，存在高壓電危險，還有部分小型硬體在環仿真平臺受限於硬體，存在只能對較少種類的硬體進行在環仿真，對環境仿真效果弱，不能將駕駛員的主觀駕駛意圖納入到測試過程中，應用範圍窄等缺點。

線控電動汽車與傳統電動汽車不同，採用全線控、四輪電機獨立驅動的方式，取消了離合器、變速器、傳動軸、差速器等傳動系統，四輪轉矩獨立控制並分別設計有電機驅動控制器，採用電磁製動方式及電控轉向，由於該類型電動車採用大量線控，因此整車控制方法非常複雜，傳統的集成式控制器由於存在控制耦合已不能滿足控制需求，因此需要設計分層控制器，對於分層控制器的驗證，需要提出新型的硬體在環測試平臺。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試平臺及測試方法，能夠在低成本的前提下對駕駛環境、整車模型進行仿真，對「人-車-路」閉環、控制器進行硬體在環測試；能夠對不同類型的電動汽車整車分層控制器進行硬體在環仿真，應用範圍更廣。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是這樣的：一種電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試平臺，包括臺架基體、駕駛環境模擬系統、路感反饋系統、上位機、目標機、數據採集卡以及待測整車分層控制系統；其特徵在於：

所述臺架基體包括底座，在底座上設有一底架，在底架的前端設有一支撐臺板，在底架的後端設有座椅；

所述駕駛環境模擬系統包括轉向盤、制動踏板、加速踏板、實時動畫顯示器以及音箱；所述轉向盤與一轉向管柱相連，在支撐臺板上設有一轉向盤支架，所述轉向盤支架的上側面為一斜面，所述轉向管柱通過一高度調節支架安裝於轉向盤支架的斜面的上部；所述制動踏板和加速踏板安裝於底架上，並位於支撐臺板下方，在制動踏板和加速踏板對應安裝有制動踏板位移傳感器和加速踏板位移傳感器；在支撐臺板上方安裝有一顯示器支架，所述實時動畫顯示器豎直設置並與顯示器支架中部相連，所述音箱也安裝於該顯示器支架上；在顯示器支架的上部設有一交互顯示器，該交互顯示器朝座椅方向傾斜；

所述路感反饋系統包括轉向軸、行程限位開關、磁粉制動器、減速機構、力矩電機、路感反饋控制器；所述轉向軸的一端通過一萬向節與轉向管柱相連，在轉向軸上設有轉向盤轉矩傳感器和轉向盤轉角傳感器；所述力矩電機和減速電機安裝於轉向盤支架的斜面的下部，且力矩電機與減速電機相連，該減速電機經磁粉制動器後與轉向軸的另一端相連；在轉向軸上還設有一行程限位開關，該行程限位開關與轉向盤支架的斜面的下部固定連接；所述路感反饋控制器同時與力矩電機和磁粉制動器相連；

所述實時動畫顯示器、交互顯示器、音箱以及目標機均與上位機相連；所述制動踏板位移傳感器、加速踏板位移傳感器、轉向盤轉矩傳感器以及轉向盤轉角傳感器經數據採集卡採集後與目標機相連，同時，轉向盤轉矩傳感器和轉向盤轉角傳感器還與路感反饋控制器相連，該路感反饋控制器與目標機相連；所述待測整車分層控制系統通過can總線與目標機相連。

進一步地，在底座的前部還設有一外罩。

進一步地，所述磁粉制動器包括殼體、定子摩擦盤以及轉子摩擦盤，其中，殼體及定子摩擦盤與轉向軸空套，轉子摩擦盤與轉向軸同步轉動連接。

一種電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試方法，其特徵在於：包括如下步驟：

1）在上位機中建立整車模型及路面模型，同時，建立待測整車分層控制系統模型，其中，整車模型包括輪胎模型、車身模型、輪轂電機模型、電磁製動器模型、懸架模型、電控轉向系模型；所述待測整車分層控制系統模型包括整車動力學協調控制模型、轉矩分配控制模型、路面識別模型、電磁製動控制模型、電控轉向控制模型、驅動電機控制模型；對建立的模型進行離線仿真，然後評估該離線仿真結果是否符合控制要求，若不符合控制要求，則對控制模型進行調整；

2）將第1）步中建立的整車動力學協調控制模型、轉矩分配控制模型、路面識別模型、電磁製動控制模型、電控轉向控制模型、驅動電機控制模型分別寫入到整車動力學協調控制器、轉矩分配控制器、路面識別器、電磁製動控制器、電控轉向控制器、驅動電機控制器中，形成待測整車分層控制系統；其中，所述路面識別器、轉矩分配控制器、電磁製動控制器、電控轉向控制器分別與整車動力學協調控制器連接，驅動電機控制器為四個，並同時與轉矩分配控制器連接；

3）建立路感反饋控制模型，並將該路感反饋控制模型寫入到路感反饋控制器中，在駕駛仿真過程中提供轉向阻力力矩及回正力矩；

4）將整車模型寫入到目標機中；

5）駕駛員通過操作加速踏板、制動踏板、轉向盤輸入控制信號；

6）加速踏板位移傳感器、制動踏板位移傳感器、轉向盤轉交傳感器以及轉向盤轉矩傳感器採集的信號經數據採集卡a/d轉換後傳入目標機中，實現對目標機中整車模型的轉向、加速、制動參數輸入；

7）目標機輸出整車模型模擬的傳感器信號，並輸入到待測整車分層控制系統中；待測整車分層控制系統根據該傳感器信號，通過整車動力學協調控制器控制路面識別器、轉矩分配控制器、電磁製動控制器、電控轉向控制器以及驅動電機控制器協同工作；

8）上位機根據目標機中整車模型的運行情況輸出實時模擬動畫，使得測試人員對仿真結果有直觀、實時的了解；

9）測試人員根據實時動畫顯示的結果對待測整車分層控制系統進行評價及修改。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1）造價低廉，不需要大型的實車測試場地，佔用資源少，針對冰雪路面等特定的路面條件，不受時間地點的限制，開展試驗方便。

2）路感反饋控制器可以重複使用，不需要重新編程及編譯。

3）通過駕駛環境模擬裝置，將駕駛員的意圖輸入到系統中，測試過程中將駕駛員的主觀感受加入了閉環仿真中，實現了「人-車-路」同步閉環控制。

4）由於具有駕駛環境仿真裝置，可以將更多的圖像、聲音信息反饋給測試人員，測試時更接近實車應用情況。

5）通過路感反饋控制器，測試人員將獲得更為準確的駕駛體驗。

6）測試平臺受到硬體的限制小，可以根據不同的測試車型建立不同的仿真模型，達到對其控制器測試的目的。

7）可用於分層控制器的驗證。

附圖說明

圖1為本發明的硬體結構圖。

圖2為本發明中路感反饋裝置的結構圖。

圖3本發明中待測整車分層控制系統的原理框圖。

圖4為本發明的軟硬體連接框圖。

1—底座，2—底架，3—支撐臺板，4—座椅，51—轉向盤，52—制動踏板，53—加速踏板，54—實時動畫顯示器，55—音箱，56—轉向管柱，57—顯示器支架，58—交互顯示器，61—轉向軸，62—行程限位開關，63—磁粉制動器，64—減速機構，65—力矩電機，66—路感反饋控制器，67—轉向盤轉矩傳感器，68—轉向盤轉角傳感器，7—轉向盤支架，8—上位機，9—目標機，10—外罩。

具體實施方式

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

實施例：參見圖1至圖4，一種電動汽車控制器硬體在環測試平臺，包括臺架基體、駕駛環境模擬系統、路感反饋系統、上位機8（電腦主機）、目標機9（microautobox）、數據採集卡以及待測整車分層控制系統。

所述臺架基體包括底座1，在底座1上設有一底架2，在底架2的前端設有一支撐臺板3，在底架2的後端設有座椅4；具體實施時，座椅4通過座椅調節導軌與底架2連接，可以通過調節座椅調節導軌調整駕駛員坐姿。在底座1的前部還設有一外罩10，從而減少外界對試驗過程的影響。

所述駕駛環境模擬系統包括轉向盤51、制動踏板52、加速踏板53、實時動畫顯示器54以及音箱55；所述轉向盤51與一轉向管柱56相連，在支撐臺板3上設有一轉向盤支架7，所述轉向盤支架7的上側面為一斜面，所述轉向管柱56通過一高度調節支架安裝於轉向盤支架7的斜面的上部。所述制動踏板52和加速踏板53安裝於底架2上，並位於支撐臺板3下方，在制動踏板52和加速踏板53對應安裝有制動踏板52位移傳感器和加速踏板53位移傳感器。在支撐臺板3上方安裝有一顯示器支架57，所述實時動畫顯示器54豎直設置並與顯示器支架57中部相連，所述音箱55也安裝於該顯示器支架57上；在顯示器支架57的上部設有一交互顯示器58，該交互顯示器58朝座椅4方向傾斜。

所述路感反饋系統包括轉向軸61、行程限位開關62、磁粉制動器63、減速機構64、力矩電機65、路感反饋控制器66。所述轉向軸61的一端通過一萬向節與轉向管柱56相連，在轉向軸61上設有轉向盤轉矩傳感器67和轉向盤轉角傳感器68；所述力矩電機65和減速電機安裝於轉向盤支架7的斜面的下部，且力矩電機65與減速電機相連，該減速電機經磁粉制動器63後與轉向軸61的另一端相連。所述磁粉制動器63包括殼體、定子摩擦盤以及轉子摩擦盤，其中，殼體及定子摩擦盤與轉向軸61空套，轉子摩擦盤與轉向軸61同步轉動連接。在轉向軸61上還設有一行程限位開關62，該行程限位開關62與轉向盤支架7的斜面的下部固定連接；所述路感反饋控制器66同時與力矩電機65和磁粉制動器63相連，以控制磁粉制動器63及力矩電機65工作。

所述實時動畫顯示器54、交互顯示器58、音箱55以及目標機9均與上位機8相連；所述制動踏板52位移傳感器、加速踏板53位移傳感器、轉向盤轉矩傳感器67以及轉向盤轉角傳感器68經數據採集卡採集後與目標機9相連，同時，轉向盤轉矩傳感器67和轉向盤轉角傳感器68還與路感反饋控制器66相連，該路感反饋控制器66與目標機9相連；所述待測整車分層控制系統通過can總線與目標機9相連。

所述待測整車分層控制系統包括整車動力學協調控制器、轉矩分配控制器、路面識別器、電控轉向控制器、電磁製動控制器、驅動電機控制器，其中，轉矩分配控制器、路面識別器、電控轉向控制器、電磁製動控制器分別與整車動力學協調控制器相連，四個驅動電機控制器與轉矩協調控制器相連。整車動力學協調控制器協調驅動、制動、轉向的協同工作，驅動方面，路面識別器識別當前路面狀況，為驅動控制提供依據，驅動防滑控制、直接橫擺力矩控制為轉矩分配控制器設定邊界條件，統籌考慮動力性要求，制定轉矩分配方法，各輪轉矩通過驅動電機控制器單獨控制，電控轉向控制器控制電控轉向系統，電磁製動控制器控制四輪的電磁製動。

使用本測試平臺進行測試過程中，駕駛員通過操作轉向盤51、制動踏板52、加速踏板53對測試平臺輸入駕駛員駕駛意圖。上位機8中利用carsim與matlab/simulink搭建的整車仿真模型與目標機9microautobox通訊，在目標機9microautobox中進行編譯生成模型實時代碼，並在目標機9中運行，通過realtimeinterface軟體定義i/o埠，實現待測整車分層控制系統與仿真實時模型之間的通訊及實時代碼下載。加速踏板53位移傳感器採集駕駛員對加速踏板53施加的力，產生一個電信號，制動踏板52位移傳感器採集駕駛員對制動踏板52施加的力，產生一個電信號，通過數據採集卡的a/d轉換，傳入到目標機9microautobox中的實時模型中，實時仿真模型根據輸入的駕駛員加速、制動意圖輸出相應的參數，經目標機9microautobox對整車模型輸出量進行編譯生成實時代碼，通過can總線輸出參數到待測整車分層控制系統，待測整車分層控制系統根據輸入值輸出控制命令，再通過can總線輸入到目標機9microautobox，形成一個閉環。

轉向盤轉角傳感器68與轉向盤51力矩傳感器獲得駕駛員轉向意圖，將產生的電信號傳遞到路感反饋控制器66，經a/d轉換，路感反饋控制器66判斷駕駛員轉向意圖，轉向盤51轉向時，路感反饋控制器66控制磁粉制動器63產生轉向阻力矩，轉向盤51回正時，路感反饋控制器66控制力矩電機65產生回正力矩。在實車上，轉向盤51轉角是有限制的，因此設定轉向盤51左右轉角限值，當轉向盤51轉角達到限值時觸發行程限位開關62，通過磁粉制動器63制動鎖死轉向軸61，轉向盤51力矩傳感器檢測轉向盤51輸入力矩，當力矩反向時，磁粉制動器63鬆開轉向軸61。

一種電動汽車整車分層控制系統硬體在環測試方法，包括如下步驟：

1）在上位機中建立整車模型及路面模型，同時，建立待測整車分層控制系統模型，其中，整車模型包括輪胎模型、車身模型、輪轂電機模型、電磁製動器模型、懸架模型、電控轉向系模型；所述待測整車分層控制系統模型包括整車動力學協調控制模型、轉矩分配控制模型、路面識別模型、電磁製動控制模型、電控轉向控制模型、驅動電機控制模型；對建立的模型進行離線仿真，然後評估該離線仿真結果是否符合控制要求，若不符合控制要求，則對控制模型進行調整，直至符合控制要求。

2）將第1）步中建立的整車動力學協調控制模型、轉矩分配控制模型、路面識別模型、電磁製動控制模型、電控轉向控制模型、驅動電機控制模型分別寫入到整車動力學協調控制器、轉矩分配控制器、路面識別器、電磁製動控制器、電控轉向控制器、驅動電機控制器中，形成待測整車分層控制系統；其中，所述路面識別器、轉矩分配控制器、電磁製動控制器、電控轉向控制器分別與整車動力學協調控制器連接，驅動電機控制器為四個，並同時與轉矩分配控制器連接。

3）建立路感反饋控制模型，並將該路感反饋控制模型寫入到路感反饋控制器中，在駕駛仿真過程中提供轉向阻力力矩及回正力矩。

4）將整車模型寫入到目標機中。

5）駕駛員通過操作加速踏板、制動踏板、轉向盤輸入控制信號。

6）加速踏板位移傳感器、制動踏板位移傳感器、轉向盤轉交傳感器以及轉向盤轉矩傳感器採集的信號經數據採集卡a/d轉換後傳入目標機中，實現對目標機中整車模型的轉向、加速、制動參數輸入。

7）目標機輸出整車模型模擬的傳感器信號，並輸入到待測整車分層控制系統中；待測整車分層控制系統根據該傳感器信號，通過整車動力學協調控制器控制路面識別器、轉矩分配控制器、電磁製動控制器、電控轉向控制器以及驅動電機控制器協同工作。

8）上位機根據目標機中整車模型的運行情況輸出實時模擬動畫，使得測試人員對仿真結果有直觀、實時的了解。

9）測試人員根據實時動畫顯示的結果對待測整車分層控制系統進行評價及修改。

最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。