摘要

本系列文章闡述了HILS技術(shù)，該技術(shù)已成為車載系統(tǒng)開發(fā)中不可或缺的一部分。在本期中，我們將探討“被測(cè)系統(tǒng)模型”的概念，該模型在HILS內(nèi)部與現(xiàn)實(shí)世界的電信號(hào)和數(shù)字信號(hào)協(xié)同工作。

在本系列的第三篇和第四篇文章中，我們解釋了HILS中真實(shí)世界電信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的接口電路。在本文中，我們將探討與這些信號(hào)相關(guān)的系統(tǒng)模型是什么樣的。

點(diǎn)擊查閱：硬件在環(huán)HIL（一）：什么是HILS？

點(diǎn)擊查閱：硬件在環(huán)HIL（二）：HILS的工作原理

點(diǎn)擊查閱：硬件在環(huán)HIL（三）：硬件在環(huán)仿真和傳感器

點(diǎn)擊查閱：硬件在環(huán)HIL（四）：硬件在環(huán)仿真和執(zhí)行器

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩是如何產(chǎn)生的

圖1概述了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩產(chǎn)生的機(jī)理。該發(fā)電系統(tǒng)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷四個(gè)沖程：（1）進(jìn)氣沖程，（2）壓縮沖程，（3）燃燒/膨脹沖程，以及（4）排氣沖程。

圖1、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩產(chǎn)生機(jī)制

在進(jìn)氣沖程中，如果沒有節(jié)氣門或進(jìn)氣閥的阻力，則會(huì)有與沖程容積相等的空氣流入。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)且時(shí)間緊迫時(shí)，節(jié)氣門或進(jìn)氣閥會(huì)縮小進(jìn)氣通道，從而限制進(jìn)氣流量。節(jié)氣門的作用是控制進(jìn)氣量，全開時(shí)增加進(jìn)氣量，關(guān)閉時(shí)減少進(jìn)氣量。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過噴油器噴射燃油，以達(dá)到與進(jìn)氣量相匹配的混合氣爆炸所需的濃度。噴油量的控制是通過調(diào)節(jié)噴油時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

點(diǎn)火塞在壓縮沖程末期、上止點(diǎn)之前放電，點(diǎn)燃空燃混合氣。放電正時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃混合氣的量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在“燃燒膨脹沖程”中，空氣-燃料混合物發(fā)生爆炸性燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體。溫度和壓力的升高程度取決于吸入的空氣-燃料混合物的量和濃度，以及點(diǎn)火正時(shí)。高溫高壓氣體推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，并通過曲軸產(chǎn)生扭矩。

物理模型

通過運(yùn)用工程技術(shù)，基于上述機(jī)制的物理定律建立計(jì)算模型，可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化。這種模擬方法稱為物理模型。

構(gòu)建物理模型需要對(duì)各種現(xiàn)象有廣泛的專業(yè)知識(shí)，例如進(jìn)氣和排氣流動(dòng)、溫度和壓力變化、燃燒和熱量產(chǎn)生、壓力引起的扭矩產(chǎn)生，以及編寫幾十到幾百個(gè)必要的計(jì)算公式。

如今，一維仿真工具可以高效地創(chuàng)建計(jì)算模型，同時(shí)補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)。CAE軟件也可用于構(gòu)建更精確的工廠模型。

物理模型的一個(gè)特點(diǎn)是，只要擁有目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，即使實(shí)際機(jī)器不存在，也可以創(chuàng)建工廠模型。即使模型非常精確，只要計(jì)算能在周期時(shí)間內(nèi)完成，就可以將其集成到HILS測(cè)試中。反之，如果無(wú)法理解目標(biāo)系統(tǒng)的物理機(jī)制或無(wú)法獲得設(shè)計(jì)規(guī)范，則無(wú)法創(chuàng)建物理模型。

圖 2展示了一個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型。圖中顯示了創(chuàng)建系統(tǒng)模型之前的功能模塊和數(shù)據(jù)流。需要注意的是，HILS系統(tǒng)模型不僅需要產(chǎn)生上述扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)本身，還需要執(zhí)行器和傳感器的子模型。執(zhí)行器模型接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 的輸出信號(hào)，生成發(fā)動(dòng)機(jī)所需的物理量，并將其傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，為了將系統(tǒng)模型的狀態(tài)傳遞給 ECU，還需要一個(gè)傳感器模型，用于根據(jù)系統(tǒng)模型的狀態(tài)生成 HILS 傳感器信號(hào)生成電路所需的數(shù)據(jù)。雖然執(zhí)行器和傳感器模型不如發(fā)動(dòng)機(jī)本身復(fù)雜，但在構(gòu)建模型之前，仍然需要分析它們的物理機(jī)制。

圖2、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)裝置模型圖像

節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和物理模型

讓我們來(lái)考慮一下節(jié)氣門是如何根據(jù)來(lái)自 ECU 的節(jié)氣門電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖而移動(dòng)的。

節(jié)氣門執(zhí)行器假定采用直流有刷電機(jī)。當(dāng)在電機(jī)端子施加電壓時(shí)，根據(jù)電機(jī)的電磁特性，電流會(huì)流過轉(zhuǎn)子線圈，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參考電機(jī)手冊(cè)，但可以計(jì)算出ECU內(nèi)部H橋電路的工作順序：→電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的電流→轉(zhuǎn)子線圈與磁場(chǎng)之間的磁力→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。

如果驅(qū)動(dòng)脈沖頻率較低，電機(jī)扭矩會(huì)間歇性產(chǎn)生。如果頻率較高，電機(jī)電流會(huì)更加平穩(wěn)，并產(chǎn)生一個(gè)大致恒定的扭矩，該扭矩與驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比成正比。

電機(jī)扭矩通過執(zhí)行器的機(jī)械部分（即減速齒輪）傳遞至節(jié)氣門。節(jié)氣門受到進(jìn)氣氣流產(chǎn)生的空氣動(dòng)力作用（該力的方向隨閥門位置和進(jìn)氣量而變化）。電機(jī)、齒輪、閥門和位置傳感器中也會(huì)產(chǎn)生摩擦力。電機(jī)扭矩試圖克服這些力并轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)氣門。由于所有部件旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度，從而改變閥門的開度。

通過對(duì)該過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，我們可以創(chuàng)建執(zhí)行器和節(jié)氣門的物理模型。

圖3、節(jié)氣門機(jī)構(gòu)和物理模型

噴油器機(jī)構(gòu)和物理模型

讓我們來(lái)考慮一下ECU的噴油器驅(qū)動(dòng)脈沖是如何驅(qū)動(dòng)噴油器并實(shí)現(xiàn)噴油的。

噴油器由燃油泵提供低壓燃油。當(dāng)ECU輸出晶體管關(guān)閉時(shí)，噴油器針閥在彈簧力和燃油壓力的作用下被壓緊在閥座上，燃油停止流動(dòng)。

當(dāng)輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流流過螺線管，產(chǎn)生磁力。螺線管的磁力吸引針閥頂部的磁芯，克服彈簧力和燃油壓力，打開針閥。燃油從閥座經(jīng)噴嘴噴出。

這個(gè)過程可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述，從而建立噴油器的物理模型。

圖4、噴油器機(jī)構(gòu)及物理模型圖

點(diǎn)火機(jī)理和物理模型

表圖 5顯示了 ECU 的點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)脈沖如何使點(diǎn)火器產(chǎn)生高電壓，然后點(diǎn)火塞放電。

當(dāng)ECU的脈沖輸出（①）持續(xù)一段時(shí)間后，電流會(huì)流過點(diǎn)火器內(nèi)部的初級(jí)線圈，線圈中的電流會(huì)顯著增大（②-1）。當(dāng)脈沖輸出關(guān)閉時(shí)，初級(jí)線圈中的電流被切斷，由于自感作用，初級(jí)線圈中會(huì)產(chǎn)生數(shù)百伏的高壓（②-2）。與磁路共享磁通的次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生數(shù)十千伏的放電啟動(dòng)電壓，足以使點(diǎn)火塞放電（③-1）。放電幾乎與點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)脈沖的關(guān)閉同時(shí)開始。

點(diǎn)火塞的放電特性由放電正時(shí)、放電持續(xù)時(shí)間、放電電壓和電流等參數(shù)決定。其中，放電正時(shí)是影響空燃混合氣燃燒以及溫度和壓力變化的主要因素。而放電持續(xù)時(shí)間和放電電流的影響較小，因此大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型忽略了它們，僅使用放電正時(shí)。在本硬件在環(huán)仿真（HILS）中，放電正時(shí)被視為點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)閉正時(shí)，未采用特殊模型。

圖5、點(diǎn)火器和點(diǎn)火塞的機(jī)械結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)生成電路產(chǎn)生脈沖，ECU 可以通過輸入頻率來(lái)輸入這些脈沖。

脈沖發(fā)生器電路的輸入頻率是通過將被控對(duì)象模型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速乘以一個(gè)常數(shù)得到的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)傳感器齒輪安裝在曲軸上時(shí)，頻率由以下公式給出：

傳感器頻率（赫茲）= 傳感器齒輪齒數(shù)×發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）/ 60

節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)生成電路使用 DA 轉(zhuǎn)換器生成與節(jié)氣門開度相對(duì)應(yīng)的電壓值。

如果節(jié)氣門傳感器電阻與傳感器開度成正比，如圖 6所示，則傳感器產(chǎn)生的電壓可以通過將系統(tǒng)模型的節(jié)氣門開度乘以一個(gè)常數(shù)來(lái)獲得，如下式所示。

傳感器電壓 (V) = 傳感器開度 (%) / 100×(完全打開電壓 - 完全關(guān)閉電壓) +完全關(guān)閉電壓

圖6、節(jié)氣門位置傳感器

水溫傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度信號(hào)發(fā)生電路使用 DA 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與水溫等效的電壓，對(duì)應(yīng)于實(shí)際車輛的水溫傳感器電路。

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化，因此并非無(wú)法模擬。然而，雖然水溫被用作ECU控制（例如啟動(dòng)控制和故障檢測(cè)）的控制條件，但在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制等反饋控制回路中，它并不被視為狀態(tài)值。此外，與加速度等反饋回路中的物理量相比，水溫變化較為緩慢。

因此，在本硬件在環(huán)仿真中，雖然與實(shí)際傳熱模型有很大不同，但我們決定盡可能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生溫度變化的功能，并創(chuàng)建了一個(gè)模型，其中與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出成正比的熱量作用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的熱容量。

油壓開關(guān)

油壓開關(guān)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生與油壓開關(guān)信號(hào)電路對(duì)應(yīng)的開/關(guān)輸出。

該開關(guān)的功能是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)），油壓開關(guān)接通并輸出 0V；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)或潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)生故障且沒有壓力時(shí)，開關(guān)斷開并輸出 5V。

總結(jié)

如上所述，HILS系統(tǒng)模型需要?jiǎng)?chuàng)建能夠根據(jù)系統(tǒng)物理機(jī)制運(yùn)行，并由與電子控制單元（ECU）交換的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的模型。根據(jù)所用計(jì)算機(jī)和目標(biāo)物理現(xiàn)象的不同，模型可以達(dá)到不同的精度級(jí)別。同樣，在確定模型規(guī)格之前，必須仔細(xì)考慮HILS的使用方式和測(cè)試目標(biāo)。

在HILS中，由于缺乏設(shè)計(jì)規(guī)范或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能所需的計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，創(chuàng)建物理模型可能十分困難。在這種情況下，一種替代方法是創(chuàng)建一種稱為統(tǒng)計(jì)模型的系統(tǒng)模型，該模型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下一篇文章我們將探討統(tǒng)計(jì)模型。

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