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动力总成HIL测试的主要考量因素

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标签: NIHIL汽车电子动力总成

安全性、可用性和成本等因素使得使用完整的系统对嵌入式控制设备进行全面测试变得不切实际。硬件在环(HIL) 仿真是一种可更高效地测试这些设备的实时测试技术。进行HIL测试时,连接到嵌入式控制器的物理系统在实时硬件上进行仿真,模拟器的输出可模拟物理系统的实际输出。嵌入式控制器会“认为”它处在一个真实的系统中。 HIL 仿真的目的是在对整个系统进行实际测试之前,先在虚拟环境中对嵌入式控制设备进行全面的测试。 本指南介绍了动力总成HIL测试的最佳工程实践

文档内容节选

NATIONAL INSTRUMENTS APPLICATION NOTES 动力总成HIL测试的主要考量因素 摘要安全性可用性和成本等因素使得使用完整的系统对嵌入式控制设备进行全面测试变得不切实际硬件在环HIL 仿真是一种可更高效地测试这些设备的实时测试技术进行HIL测试时,连接到嵌入式控制器的物理系统在实时硬 件上进行仿真,模拟器的输出可模拟物理系统的实际输出嵌入式控制器会认为它处在一个真实的系统中 HIL 仿真的目的是在对整个系统进行实际测试之前,先在虚拟环境中对嵌入式控制设备进行全面的测试 本指南介绍 了动力总成HIL测试的最佳工程实践 发动机ECU HIL测试介绍 2 什么是HIL仿真 2 通过HIL仿真提高效率2 HIL测试软件基础3 仿真基础 4 对象模型和模型来源 4 不同类型动力系统的关键考虑因素5 内燃动力系统 5 混合动力和纯电动动力系统 9 最大化测试覆盖率10 创建测试用例 10 安全性 10 功能性 12 性能 12 需求创建可追溯性和实现12 需求可追溯性的重要性 12 测试自动化 13 为您的ECU选择合适的HIL系统 13 开放性可扩展性灵活性 13 ......

NATIONAL INSTRUMENTS APPLICATION NOTES 动力总成HIL测试的主要考量因素 摘要安全性、可用性和成本等因素使得使用完整的系统对嵌入式控制设备进行全面测试变得不切实际。硬件在环(HIL) 仿真是一种可更高效地测试这些设备的实时测试技术。进行HIL测试时,连接到嵌入式控制器的物理系统在实时硬 件上进行仿真,模拟器的输出可模拟物理系统的实际输出。嵌入式控制器会“认为”它处在一个真实的系统中。 HIL 仿真的目的是在对整个系统进行实际测试之前,先在虚拟环境中对嵌入式控制设备进行全面的测试。 本指南介绍 了动力总成HIL测试的最佳工程实践 发动机ECU HIL测试介绍 ....................................................................................................................................................2 什么是HIL仿真? ...............................................................................................................................................................2 通过HIL仿真提高效率.........................................................................................................................................................2 HIL测试软件基础.................................................................................................................................................................3 仿真基础 ..............................................................................................................................................................................4 对象模型和模型来源 .......................................................................................................................................................4 不同类型动力系统的关键考虑因素...................................................................................................................................5 内燃动力系统 ...................................................................................................................................................................5 混合动力和纯电动动力系统 ...........................................................................................................................................9 最大化测试覆盖率............................................................................................................................................................10 创建测试用例 ................................................................................................................................................................10 安全性 ............................................................................................................................................................................10 功能性 ............................................................................................................................................................................12 性能 ................................................................................................................................................................................12 需求创建、可追溯性和实现..............................................................................................................................................12 需求可追溯性的重要性 ................................................................................................................................................12 测试自动化 ....................................................................................................................................................................13 为您的ECU选择合适的HIL系统 ......................................................................................................................................13 开放性、可扩展性、灵活性 ............................................................................................................................................13 HIL测试系统灵活性的重要性..........................................................................................................................................13 全球服务和支持................................................................................................................................................................14 TOC Next ni.com/hil | 1 发动机ECU HIL测试介绍 什么是HIL仿真? 在闭环控制系统中,被控制系统的当前状态通过传感器测量馈回控制器。对于汽车来说,电子控制单元(ECU)使用这些测量值 来确定适当的执行器值,以获得所需的工作条件。 例如,发动机ECU接收有关节气门位置、发动机转速和排气氧含量的信息,以 确定燃油喷射器位置、点火正时和进气口对应的执行器命令,以保持最大的发动机性能和 减少有害尾气排放。最终还是需要对 整个系统进行物理测试; 但是通过HIL仿真,工程师 可以在没有车辆甚至发动机的情况下彻底测试ECU,获取重要的信息。 Test System sync feedback Measurement and Logging ECU Stimulus set point Simulation 图1. 硬件在环测试系统包含了模拟ECU工作环境所需的几个关键功能 通过HIL仿真提高效率 HIL仿真可重现与ECU交互的物理系统,并执行激励信号生成和测试结果数据记录等测试执行功能。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度(以模拟踩下油门踏板)和车辆载荷(以模拟各种道路状况)。同时需要观察整个系统以确保 所有组件正确运行,并记录测试结果,以便与理想的系统响应进行比较。 虽然HIL仿真并不能完全取代物理测试,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: ■■ 在开发过程中更早地进行测试—更及时地发现设计错误,减少修正成本以及对上市时间的影响 ■■ 降低测试成本—无需使用物理系统,减少测试连接件的购置、维修和维护费用 ■■ 增加测试覆盖率—在无法进行物理测试的极端条件下测试ECU,避免安全和设备损坏问题 ■■ 提高测试灵活性—扩展测试功能,无需考虑外部因素(例如:即使在炎热的夏天,也可以模拟冬季道路状况,以便测试车辆) ■■ 提高测试可重复性—隔离ECU的缺陷,即使这些缺陷仅在某些情况下才发生 TOC Back Next ni.com/hil | 2 1 U 2 U 5 U 4 U 5 U 5 U 5 U 5 U 5 U 5 U 2 U 42 U 800 Front View Power Isolation 380 unallocated Breakout Box 172 254 210 Switch, load and signal conditioning unallocated 257 213 Custom Loads 196 522 Switch, load and signal conditioning Switch, load and signal conditioning 257 213 213 257 177 PXI Chassis 213 490 177 DUT Power Supply Power Distribution Unit 380 433 44 800 Side View 图2. 典型的HIL测试系统包含许多常见的硬件组件 HIL测试软件基础 组织采用HIL仿真的基本动机是提高其开发和测试过程的工作效率。用于HIL仿真的硬件和软件工具需要能够帮助工程师专注 于测试ECU,而不是忙于配置、支持和维护测试系统。 HIL测试软件应该兼顾易用性和灵活性,以适应不断变化的要求。 HIL系统 的价值取决于所能节省的时间和提高的产品质量。 在具有极其严格的上市时间要求的行业中,快速开始进行首次测量非常重要。您必须能够快速轻松地将仿真模型连接到物理I/O 设备,而且在ECU参数发生变化时更新配置。除了系统配置之外,系统还应可创建和执行测试配置文件来驱动ECU。驾驶虚拟汽 车的前提是能够提供代表ECU可能遇到的环境变量的信号模式。例如,如果要执行EPA行驶工况测试,就需要生成运行测试所需 的速度设定值和路况条件。有多种选项可用于生成测试配置文件,包括传统的编程和脚本语言、图形化显示和复杂的数据回放。 最佳方法通常因ECU要求而异,而且HIL测试系统必须能够满足这些不同的要求。 TOC Back Next ni.com/hil | 3 仿真基础 对象模型和模型来源 在HIL测试,通常使用仿真模型来“欺骗”被测嵌入式设备(DUT),让DUT觉得自己正在控制一个真正的机械系统。机械系统的物 理学机制可使用数学工具来重现,这些工具生成的信号通过电线传输并连接到DUT。过去,物理仿真是一个极具挑战性的过程, 需要深入了解与机械过程相关的数学原理,如流体动力学、应力特性和材料特性。 图3. 使用各种建模环境来确保高效且有效的HIL测试 今天,有许多商用现成(COTS)工具可用为物理和电气系统建模,而且不需要了解系统构建的基础数学原理。其中有许多物理仿 真工具专门为汽车动力总成HIL测试领域而设计。常见的汽车建模工具及其主要用途包括: Gamma Technology 公司开发的 GT-SUITE 软件—GT-SUITE 是一款仿真软件工具,为汽车工程应用提供了多种功能和库,包 括快速概念设计、详细的系统或子系统/组件分析、设计优化以及根本原因调查等。 GT-SUITE架构提供了独一无二的系统集成模 型构建功能,可以跨子系统、物理域和模型等级进行集成。 AVL 公司开发的 BOOST 和 CRUISE 软件—BOOST 是一款完全集成的虚拟发动机仿真工具,提供了先进的模型来准确预测发 动机性能、噪声和废气处理装置的效率。在发动机开发过程中借助该软件,您可以提供给定汽车概念所需的扭矩和功率以及优 化排放、油耗和乘客舒适度(噪声和瞬态工况)。 CRUISE 是一款系统级仿真工具,适用于从概念规划到产品发布等一整个开发过程中的日常车辆系统和传动系统分析任务。其 应用范围涵盖了传统车辆动力系统、高度先进的混合动力系统和纯电动汽车。 CRUISE提供了参数优化和组件匹配功能,可帮助 您实现实用且可行的解决方案。 ITI 公司开发的 SimulationX—Simulation X标准软件用于评估所有技术系统组件之间的相互作用,提供了丰富的模型库,适用 于一维机械、三维多体系统、动力传动、液压、气动、热力学、电气学、电气驱动、磁学和控制学等领域。SimulationX是用于物理效 应建模、仿真和分析的通用CAT工具。. Mechanical Simulation 公司开发的 CarSim 软件—CarSim 用于模拟乘用车、赛车、轻卡和多功能车的动态行为。它可生成动 态仿真测试,并输出超过800个计算变量来进行绘图和分析或导出到Excel等其他软件。 通过确定性确保准确的仿真 HIL测试的有效性取决于仿真能否准确反映ECU周边环境。仿真模型必须通过数学计算对ECU命令进行准确的响应,并且这些响 应所发生的时间范围必须与所仿真的机械系统一致。因此,大多数HIL应用都需要使用实时系统执行确定性操作。您还可以使用 实时系统来执行实时测试序列,以了解ECU功能和稳健性相关的信息。如果实时系统可以确定地代表机械系统,并具有足够高 的保真度,则可以对ECU参数进行校准,以优化和调整整个闭环系统的性能。实时系统的性能很大程度取决于可以从测功机转 移到实验室的测试量,因为这直接影响测试成本和上市时间。 TOC Back Next ni.com/hil | 4 不同类型动力系统的关键考虑因素 在动力总成控制模块(PCM)上执行HIL测试对系统提出了新的要求。由于其高度专业化特性,PCM除了依赖通用微控制器外,还 依赖于专用协处理器。例如,内燃发动机PCM必须处理特定的高速发动机信号,例如转动位置、爆震、气缸压力和精确执行器控制 [2]。 PCM测试需处理这些独特的I/O和协处理器。因此,PCM测试系统,如待测组件,使用相应复杂的测试系统来测专用协处理器 来提供足够的I/O复杂性。此外,尽管公司会不断发布新的PCM硬件和软件,但测试系统通常需要具有多年使用寿命。高度灵活性 便成为测试系统的一个最基本要求 如今,FPGA是满足这些需求的理想器件,其高性能和灵活性非常适合满足当今先进PCM快速变化的测试需求[3]。 FPGA具有显着 优势,例如并行处理、设计可扩展性、超快的引脚到引脚的响应时间、设计可移植性和终身可升级性。所有这些优势都有助于构建 强大的自适应测试系统。但是,FPGA编程通常只有非常专业的工程师才懂,但这类工程师非常稀缺。高级别抽象的FPGA编程软件 的出现以及易于访问的现成FPGA库极大地提高了部署基于FPGA的测试系统的可行性。 内燃动力系统 从本质上说,内燃机ECU的作用是让发动机转动。为此,ECU通过精心设计的编码器轮提供的传感器反馈来监测发动机的位置, 如图4所示的曲轴轮,并激活喷油器和火花塞来产生电能。 图4. 现在的曲轴轮采用复杂的pattern,如图中所示的pattern非常独特且不断变化。 内燃机ECU HIL测试仪的用途除了测量踏板等用户输入之外,还用于测量和生成这些燃烧信号。 表1显示了典型的发动机 ECU信号。 名称 气流 油门踏板位置 (APP) 进气歧管压力 (IMP) 进气歧管温度(IMT) 油压 曲轴 凸轮轴 Lambda/O2 节气门体位置 节气门体命令 点火 喷油器 类型和测试仪信号方向 模拟/数字输出(取决于传感器类型) 模拟输出 模拟输出 模拟输出 模拟输出 模拟/数字输出(取决于传感器类型) 模拟/数字输出(取决于传感器类型) 模拟输出 模拟输出 数字PWM输入 模拟或数字输入 模拟或数字输入 测量进入发动机的空气质量 描述 驾驶员脚踏板 影响空气密度 影响空气密度 影响喷油器开启持续时间的燃油分配 高速信号; 旋转位置信息 高速信号; 旋转位置信息 排气化学反馈 节气门体反馈 ECU的油门设定值 放电位置 高速信号; 脉冲边缘是指相对于发动机位置的充电开始和 高速信号; 脉冲边缘是指相对于发动机位置的加油开始和结 束持续时间;每缸每圈可以包含多个脉冲 表1. 在开发测试仪时应考虑这些常见的发动机ECU信号。 TOC Back Next ni.com/hil | 5
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非常好的科普资料,感谢分享!
2020-03-05 23:01:14回复
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