摘要

本系列文章闡述了HILS技術，該技術已成為車載系統開發中不可或缺的一部分。在本文中，我們將分析執行器的電路和功能，它們是HILS輸入/輸出接口的關鍵組件，同時還將討論上一篇文章中提到的傳感器，并探討用于ECU輸出的HILS接口電路的規格。

接續上一篇文章“HILS 和傳感器”，這次我們將分析執行器的結構和功能，這是 HILS 輸入/輸出接口的關鍵點，并考慮 HILS 信號生成電路的規格。

點擊查閱：硬件在環HIL（一）：什么是HILS？

點擊查閱：硬件在環HIL（二）：HILS的工作原理

點擊查閱：硬件在環HIL（三）：硬件在環仿真和傳感器

發電機系統中使用的執行器

表 1列出了本系列第一部分討論的發動機發電機系統的輸出所用的執行器，圖 1顯示了電路。

表1、發動機發電機系統執行器

圖1、ECU輸出電路和執行器

與輸入信號一樣，輸出信號可以是數字信號或模擬信號，但數字信號更常用于輸出，包括脈沖信號輸出。

該發電機系統有兩種類型的數字信號：LED指示燈輸出和燃油泵繼電器驅動輸出。其他輸出，如點火、噴油器和節氣門電機輸出，均為脈沖信號，除點火信號外，其他脈沖的脈沖寬度（稱為占空比）都會發生變化。

硬件在環仿真（HILS）使用兩種類型的電路作為執行器輸出接口。一種是假負載電路，它代替執行器接收輸出信號。該電路使HILS能夠為ECU提供與連接真實設備時類似的電氣環境。許多電路使用電阻器來允許與執行器相同的電流流過。另一種是測量電路，用于檢測輸出狀態。它將電壓檢測為開/關狀態或模擬值，并將其傳遞給HILS計算機。

LED指示燈電路

如圖2所示，發電系統配備綠色和紅色LED指示燈，　用于顯示其運行狀態。發電時，綠色指示燈亮起；不發電時，紅色指示燈亮起。當向ECU輸出端施加電壓時，電流流過LED，使其點亮。ECU輸出電路配備有限流電阻，以確保流過LED的電流適中。

圖2、LED指示燈假負載電路和測量電路

原則上，硬件在環仿真（HILS）使用盡可能接近實際器件的假負載電路。圖 2 中的假負載 A 就是這一理念的一個簡單應用，其中使用 LED 作為負載。LED 點亮時，二極管會產生壓降，但壓降的大小取決于二極管的類型。因此，通過使用與 LED 壓降相同的二極管，可以使電壓和電流與實際器件中的電壓和電流保持一致。二極管并聯一個電阻，以確保 LED 不點亮時輸入電壓為 0V。

更簡便的方法是使用一個采用通用電阻負載的電路，例如假負載 B。ECU 在此電路中可以正常工作。但是，電流和電壓會與實際設備有所不同；ECU 的端電壓將是 ECU 內部限流電阻 (R_ECU) 和假負載電阻 (R_HILS) 分壓后的電壓。

在假負載 A 和 B 中，當 LED 點亮時，ECU 輸出端施加電壓；LED 不亮時，施加 0V 電壓。測量可采用測量電路 C（使用模數轉換器）或測量電路 D（使用數字輸入）。測量電路 C 使用硬件在環 (HILS) 計算機判斷電壓數據并檢測 LED 是否點亮。測量電路 D 配備比較器，即使 LED 點亮時的電壓很小，也能可靠地檢測其點亮狀態。

燃油泵繼電器電路

如圖 1 所示，燃油泵通過繼電器驅動電機。當驅動電流較大時，繼電器會驅動執行器。在該電路中，當輸出導通時，晶體管接地，繼電器線圈通電。通電后，繼電器觸點閉合，燃油泵開始工作。

圖3、燃油泵繼電器假負載電路和測量電路

圖 3展示了　一個偽負載電路的示例。該電路用一個負載電阻代替繼電器線圈連接到 ECU，當 ECU 輸出導通時，電流會從硬件在環路系統 (HILS) 流入。ECU 關閉時，其端電壓為 12V 的電源電壓；開啟時，其端電壓為晶體管的導通電壓（略低于 1V）。

測量電路只需要能夠檢測開和關狀態下的電壓，因此可以使用測量電路 A（使用 AD 轉換器，就像 LED 指示器的情況一樣），或者使用電路 B（結合了比較器和數字輸入）。

點火電路

如圖1所示，點火電路根據發動機的點火正時，從ECU輸出點火脈沖。脈沖接通時，點火器內產生高電壓，使點火塞放電。點火脈沖接通時，電壓等于電池電壓。

圖4、點火偽負載電路和測量電路

圖 4顯示了　一個硬件在環仿真（HILS）假負載電路示例。該假負載采用與點火器輸入端等效的負載電阻。該電路產生的電壓和電流幾乎與實際電路相同。

簡而言之，測量電路只需一個數字輸入即可，但由于我們需要根據曲柄角度測量脈沖開啟的時間，因此我們將使用脈沖測量電路。請注意，這不是普通的基于時間的脈沖測量。比較器會調整脈沖信號的開/關電壓，使其與脈沖測量電路相匹配。

噴油器電路

噴油器將低壓燃油噴入進氣口。如圖 1 所示，驅動電路控制 ECU 中的吸氣電路通斷。該電路與燃油泵繼電器驅動電路類型相同，但它會根據發動機進氣沖程中的噴油周期循環通斷。通電時驅動電壓為 0V，斷電時為電池電壓。

圖5、注入式假負載電路和測量電路

圖 5展示了一個硬件在　環仿真 (HILS) 假負載電路的示例。噴油器通過電磁閥的磁力打開閥門來噴射燃油。為了獲得與真實發動機相似的電磁瞬態特性，應使用線圈負載假負載 A。然而，對于像本系統這樣的進氣歧管噴射式發動機，對噴射正時的精度要求不高，因此使用簡單的純電阻假負載 B（對于對噴射正時敏感的直噴式發動機，必須仔細考慮瞬態變化來確定假負載的規格）。

該測量電路采用脈沖測量電路，根據曲柄角度測量脈沖的導通時間和占空比（導通時間的比率）。

節氣門電機電路

節氣門電機通過控制節氣門閥的開閉來控制節氣門的開度。為此，ECU配備了如圖1所示的電機驅動電路。該電機驅動電路包含一個稱為H橋的電路（如圖6所示，由四個晶體管組成）和一個邏輯電路。H橋電路將來自CPU的電機旋轉指令值轉換為每個晶體管的運行信號。H橋電路通過同時導通和閉合對角線上的晶體管對來切換施加在電機端子上的電壓方向，從而使電機能夠正向和反向運轉。

圖6、用于電機控制的 H 橋電路

實際機器的電機驅動電流具有以下特點：

1.電機驅動電壓為恒定頻率（幾千赫茲）的脈沖波形，根據旋轉方向施加正負脈沖電壓。

2.當產生較大的驅動力時，占空比（脈沖寬度）會增加（平均電流會增大）；當產生較小的驅動力時，占空比會減小。

3.電機旋轉時產生的反電動勢會降低電機驅動電流。

4.在每個脈沖期間，由于電機線圈和磁路的作用，電機驅動電流會發生瞬態變化。

其中，參數1和2對于確定電機旋轉方向至關重要。電機模型通過獲取脈沖波形的極性和占空比來計算驅動力。根據該結果，計算電機轉速，進而確定節流閥的開度。

關于第3點，反電動勢對于使ECU輸出電流與實際機器的輸出電流相等是必要的。然而，電機模型通常會考慮反電動勢的影響，在這種情況下，電機驅動電流就不需要考慮了。本硬件在環仿真也屬于這種情況，因此不會考慮反電動勢引起的電流減小。

在對電動汽車啟動時的振動和噪聲等問題進行精確控制時，電磁電路引起的瞬態變化是一個不可忽略的現象。然而，對于用于油門控制等小型電機而言，單個脈沖級別的瞬態影響很小，因此本硬件在環仿真（HILS）暫不考慮這一點。如果需要考慮瞬態特性，一種方法是將實際元件而非模型集成到硬件在環仿真中。

接下來，考慮接口電路的要求。

1.響應于 H 橋電路的運行，驅動脈沖電流在正向和反向都有流動，占空比與實際器件的占空比相同。

2.由于 ECU 可能會監控輸出電流，因此流過假負載的電流應該是接近實際設備的平均值，以防止電流過高或過低。

3.測量電路必須能夠區分正驅動脈沖和負驅動脈沖，并測量占空比。

圖7、油門電機假負載電路和測量電路

圖 7展示了一個滿足這些要求的硬件在環 (HILS) 電路示例。該模擬負載電路是一個簡單的電阻器。電阻值根據實際電機運行時的平均電流來設定。

測量電路 A 顯示了一個使用兩組比較器和脈沖測量電路分別測量正脈沖和負脈沖的電路。

測量電路 B 就是一個使用模數轉換器的例子。該電路雖然簡單，但除了需要能夠高速測量電壓外，還需要對硬件在環 (HILS) 計算機施加額外的負載，以便根據電壓數據計算正負占空比。

該 HILS 使用測量電路 A。

原則是，用于ECU輸出的HILS接口應盡可能接近實際設備。然而，與ECU輸入接口電路類似，只要滿足確保ECU正常工作的最低要求，就可以根據測試需求設計盡可能簡單的電路，從而實現易于使用、低成本的HILS。

下一篇，我們想探討一下工廠模型，它是硬件在環系統（HILS）的核心。更多內容，關注牛喀網，學習更多汽車科技。有興趣的朋友，可以添加牛小喀微信：NewCarRen，加入專家社群參與討論。

（添加微信號NewCarRen咨詢）