蒋鑫、郑磊
中国第一汽车股份有限公司技术中心
摘要：应用模型平台仿真软件AMESim对某A级车建立整车实时仿真模型。在Matlab/Simulink IO模型、VeriStand上位机软件及NI实时处理器系统中集成整车模型，建立HIL虚拟车辆测试环境，保证车辆动力系统控制器正常工作，在车辆不同工况下测试控制器功能。 关键词：AMESim、实时仿真、HIL
目前，汽车市场对产品表现出快速性、多样性的需求，这就要求汽车企业快速开发出多样性的产品，缩短产品开发周期，并行开发。产品开发过程中，需对其进行一系列的测试，然而有些测试项目，比如失效测试、故障测试，很难在真实环境中进行并且测试危险、费用高、周期长，因此许多工程师都把硬件在环仿真作为缩短开发周期和降低开发成本的有效手段。硬件在环仿真HIL(Hardware in the loop)测试需要车辆模型在嵌入式实时硬件系统运行，模拟真实车辆环境，它们的广泛应用，促使着车辆模型从 MIL仿真进入到HIL仿真。本文详述一汽利用AMESim软件和美国NI（National Instruction）硬件系统建立HIL系统的方法和过程。
AMESim是SIEMENS公司开发的模型软件平台，拥有丰富的机械库、内燃机库、传动库、动力学库、液压库、电子库等整车仿真所需模块，能够根据具体的建模车辆结构及配置快速搭建包括发动机、传动系及车辆动力学模型在内的整车模型，提供VeriStand接口，方便与IO模型及HIL实时系统集成，车辆模型编译成实时运行文件后下载至实时处理机中，使车辆控制器能够正常运行，实现整车HIL系统仿真。
1 HIL系统及测试需求
基于HIL的半实物仿真技术是一种对电子控制单元的功能、系统集成和通讯进行测试的方法。汽车行业中，基于HIL仿真的测试环境针对被测车型进行建模仿真，并将其运行于与控制器闭环工作的实时环境中，实现对各个电控单元的复杂测试。
传统的控制器测试中，ECU和真实被控对象（实车或台架）形成闭环系统进行测试和验证；在HIL仿真测试中，ECU和仿真系统（硬件和软件）形成闭环系统进行测试和验证。由于HIL仿真系统使用了仿真模型替代真实的被控对象，因此模型必须精确地仿真被控对象的性能，包括其输入、输出特性，响应特性等等。实时仿真需要专业的实时仿真硬件，以及在仿真硬件上运行的实时操作系统。实时模型需要增加硬件IO接口模块，与实时操作系统一起经过目标平台编译器编译后，才能构成完整的HIL实时仿真系统。
图1 整车电控系统示意图
HIL系统中包括硬件部分及软件部分，前者主要包括：上位机PC、NI PXI实时组件、信号调理板卡、EFI故障注入单元、可编程电源、真实车辆负载元件、电子负载等，后者主要包括：AMESim车辆仿
- 1 -
真模型、Simulink IO模型、上位机控制软件NI VeriStand、自动化测试软件等.
整车HIL模型是基于HIL技术的车辆仿真测试平台的核心内容之一，用于实现真实电控系统在整车半实物仿真平台的闭环实时运行。整车模型及必要的实际电气负载模拟各电控系统的输入信号和负载，各电控系统的输出和必要的输入信号传输至实时模型及负载，通过上述方式实现整车各电控系统与实时模型的集成运行。整车半实物仿真平台用于完成电控系统及整车的各种测试和评估工作，虚拟整车各模型必须满足整车电控系统控制、测试和车辆基本性能评估的全部要求。
图2 HIL系统模型开发流程
用于完成整车装备的电控系统在各运行工况和各种环境下功能测试、协调控制测试、整车通信测试、各类故障模式下的测试；验证整车的安全性、协调性控制；为整车动力性、经济性和排放等整车性能的定性评估提供依据。 2 整车HIL实时模型
车辆模型根据车型总成配置情况分为发动机、传动系、车辆动力学（包括轮胎、悬架、制动、转向及车身动力学模块）模型，此外HIL模型还包括驾驶员模型、道路及交通场景模型。在获取到目标车辆各总成的功能及建模参数后，进行总成离线模型的搭建，离线模型需要进行功能验证及仿真精度验证，由于实时系统采用定步长求解器，因此需要在满足仿真精度要求的情况下对离线的总成模型进行简化，满足设定的步长要求（通常HIL仿真模型步长需要≤1ms），保证计算收敛。在HIL系统仿真中车辆模型将车辆仿真信号经IO模型传送到真实的控制器中，因此需要添加VeriStand信号接口，用来与IO模型连接，进行信号传递。 2.1发动机实时模型
针对HIL模型的实时性要求，采用MVEM (Mean Value Engine Model)均值发动机模型，在满足发动机模型功能的前提下，减少处理器资源的消耗。
发动机模型主要包括燃烧模型、热模型、摩擦模型、电器负载模型、失火模型、排放模型。
根据模型需求，搭建离线总成模型验证功能及精度。进行模型简化，简化后验证功能及精度。完成模型简化后添加上位机软件的实时接口，接口包括AMESim模型间（发动变机模型与传动模型、传动模型与车辆动力学模型、车辆动力学模型与发动机模型）的信号传输，AMESim模型与simulink IO模型接口，AMESim模型与VeriStand控制界面间的接口，并将在上位机软件中需要观测的变量设置为watch parameters或watch variables。
- 2 -
图3 发动机实时模型
2.2传动系实时模型
传动系模型包括行星排模型、离合器制动器及液压执行器模型、液力变矩器及闭锁离合器模型，液压模块、热模型、及接口模块等，模拟各种工况下自动变速器的运行状态。模型从需求定义到离线模型建立，模型实时简化，接口模块添加过程与发动机模型类似。
模型能够模拟不同挡位的转动惯量，可以计算变速箱温度变化。模拟车辆传动系离合器扭矩与转速传递，离合器扭转刚度与阻尼、离合器的温度变化、离合器滑摩过程，模拟变矩器的液力变矩、传动效率特性、变矩器全工况特性，传动液温度变化对液力变矩器扭矩传递特性的影响，正确实现换挡操纵过程，模拟执行器动作时间、选换挡离合器与制动器模型滑摩过程，实现与控制器的闭环控制。
图4 传动系实时模型
2.3 车辆动力学实时模型
动力学模型包括：底盘模型、悬架模型、轮胎模型、道路模型、ABS/ESP制动模型、EPS转向模型、预设的标准操纵工况及AMESim驾驶员模型。
采用15自由度底盘模型，模型车身三方向平动、三方向转动、四个车轮的转动及跳动、及方向盘转动齿条位移变化。能够体现质心位置、转动惯量对车辆动态响应的影响。悬架模型基于KC试验数据，模拟车轮运动状态变化及悬架系统的弹性变形对车辆行驶状态动态响应的影响。转向系模型能够模拟车
- 3 -
辆各工况下转向盘力矩, 具备模拟转向回正工况的能力。能实现转向盘转角输入及转向盘力矩输入两种转向输入方式。制动系统模型包含蓄能器、液压泵、制动缸、控制阀等ESP液压制动系元件，模拟液压油节流特性。轮胎模型采用Pacejka 5.2模型，模拟稳态、非稳态工况下轮胎侧向力、纵向力、回正力矩、滚动阻力的变化，模拟轮胎外倾角对轮胎力的影响，大侧偏角和大外倾角工况下的轮胎力。
图5 车辆动力学实时模型
3 整车模型集成及调试
A级车整车HIL集成中车辆模型、IO模型、HIL硬件关系如图6所示，车辆模型与IO模型间进行
信号数据交互，维持控制器硬件正常工作的信号由IO模型发送，并从硬件中转换信号传递给IO模型，至车辆模型，用于车辆模型仿真，实现HIL系统的闭环。
- 4 -
图6 AMESim车辆模型 IO模型与硬件信号传递关系
3.1 IO模型
IO 模型基于Matlab/Simulink 建立，每个带有处理器板卡的机柜单独有一个IO 模型。IO 模型主要进行信号调理、连接车辆模型与HIL硬件板卡，将电信号值转换为模型需要的物理量、或将模型输出的物理量转为控制器、信号调理板卡能够接收的电信号量（包括：数字量信号、模拟量信号、PWM信号、电阻信号、CAN LIN总线信号等）。是车辆模型与HIL硬件之间交互数据的桥梁。
图7 IO模型示例
同时，IO模型中还需仿真控制器需要但没有在车辆模型中模拟仿真的信号，保证控制器正常工作。HIL硬件的控制也是通过IO模型实现的，如对控制器供电设置、负载板卡、信号板卡的上电等。
IO 模型需要与硬件板卡或车辆模型连接的信号接口定义为NI VeriStand Inport/Outport，以便在上位机软件VeriStand环境下进行信号连接mapping。 3.2 模型集成
发动机、传动系及动力学模型需要与IO模型定义好之间的接口变量，信号意义、类型、单位、取值范围等，在总成模型建立后，添加VeriStand接口模块，在VeriStand环境下进行信号连接mapping。在HIL系统中需要观测的物理模型信号设置成可观测变量。
车辆模型需要与IO模型连接的变量在AMESim中设置接口模块VeriStand Interface，及可在VeriStand环境下进行连接mapping。
- 5 -
图8 车辆动力学模型与IO模型接口模块
车辆模型中需要观测的状态量需要设置成输出，这样才能在VeriStand环境中找到变量，并在监控界面中关联上变量，进行观测。
车辆模型之间（发动机、变速器、动力学模型）传输的信号也需要在上位机软件中进行连接，将信号通过VeriStand Interface 接口实现。
图9 车辆动力学模型与发动机模型、变速器模型的接口模块
控制信号从VeriStand Dashboard界面上输入给车辆模型，进行对车辆模型的控制及输入量切换。
图10 车辆动力学模型与Dashboard的接口模块
添加好实时接口的发动机、传动系及车辆动力学模型在AMESim环境下进行编译，AMESim软件支持编译主流的实时系统的real-time可执行文件，如dSPACE、NI、xPC等，在这里选择上位机的软件环境VeriStand进行实时文件生成，注意区分AMESim 运行的_dll和上位机的dll文件。同样，IO模型也需要在MATLAB/Simulink环境下编译成相应的dll可执行文件。
- 6 -
图11 实时文件生成
将这些编译好的dll文件加载到VeriStand工程中，对加载的实时模型进行设置，在VeriStand环境下进行集成Mapping，连接所有的车辆模型与IO模型接口变量、车辆模型中需要连接的信号，编辑Dashboard上的控制和观测控件，将AMESim与Dashboard控件进行连接，（在进行模型信号连接前，需要完成IO与硬件间的信号连接和验证），在VeriStand载入每个总成模型后出现以下待连接数据种类：Inport 信号来自IO模型或其他总成模型，Outport 信号输出给IO模型或其他总成模型, Parameters AMESim模型中设定的全局参数,Signals AMESim模型中设定为可观测变量的信号。
图12 发动机模型Dashboard界面
4 整车HIL台架测试及应用
整车模型集成、调试后，进行整车HIL测试，针对控制器的功能可以进行整车级控制器测试、单控制器测试、整车网络通信测试、故障注入测试等。在VeriStand Dashboard进行车辆模型的控制及车辆状态、控制器输入输出信号、各执行器等信号的监测，实现手动测试。通过自动化测试软件关联VeriStand Dashboard上的各控件，执行对HIL系统的配置更改、车辆的操纵及数据的录取等功能，实现自动化测试，满足大量不间断的控制器测试需求。
- 7 -
图13 动画及场景界面
5 结论
本文应用AMESim仿真软件完成整车级HIL实时模型仿真，模型整体性能、仿真功能满足整车HIL测试要求，实现了AMESim车辆模型与Simulink IO模型在NI实时硬件设备上的闭环运行，并能够实时显示仿真车辆运行动画及交通场景，在实时模型应用方面有一定推广价值。
参考文献：
[1]. LMS Imagine.Lab AMESim Rev 13 User’s guide
[2].Kunal Patil, Sisay Kefyalew Molla, Tino Schulze. Hybird Vehicle Model Development using ASM-AMESim-Simscape Co-Simuliation for Real-Time HIL Applications. SAE Paper NO. 2012-01-0932.
[3]. Zhan J, Lu J L, Xu L, et al. The Research on the Embedded Vehicle Dynamics Simulation Method[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 380: 1746-1749.
[4].Amanjot Dhaliwal, Shreyas C. Nagaraj and Syed Ali. Hardware-in-the-Loop Simulation for Hybrid Electric Vehicles – An Overview, Lessons Learned and Solutions Implemented. SAE Paper NO. 2009-01-0735.
- 8 -
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容