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通過硬件在環(huán)仿真加快斯巴魯混合動力車的測試速度

2018-02-27 14:52:48·  
　
挑戰(zhàn):基于自動化測試開發(fā)新的驗證系統(tǒng)來滿足斯巴魯?shù)谝豢盍慨a(chǎn)混合動力車Subaru XV Crosstrek Hybrid的電子控制單元(ECU)質(zhì)量控制等級要求，并建立了使用真實機器難以實現(xiàn)的嚴(yán)苛測試環(huán)境。解決方案:使用NI FlexRIO平臺開發(fā)一個驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動執(zhí)行所有可能的測試模式，并且復(fù)制某些最嚴(yán)苛的測試環(huán)境，盡可能保障最
挑戰(zhàn):
基于自動化測試開發(fā)新的驗證系統(tǒng)來滿足斯巴魯?shù)谝豢盍慨a(chǎn)混合動力車Subaru XV Crosstrek Hybrid的電子控制單元(ECU)質(zhì)量控制等級要求，并建立了使用真實機器難以實現(xiàn)的嚴(yán)苛測試環(huán)境。
 
解決方案:
使用NI FlexRIO平臺開發(fā)一個驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動執(zhí)行所有可能的測試模式，并且復(fù)制某些最嚴(yán)苛的測試環(huán)境，盡可能保障最高的用戶安全等級，同時達到所需的控制等級、滿足嚴(yán)苛的時間進度要求。
 
作者:
Mr. Tomohiro Morita - FUJI Heavy Industries, Ltd.
如今，汽車配備了大量的ECU來管理汽車的豐富功能和高級控制需求。 對于混合動力車，馬達ECU發(fā)揮著更復(fù)雜的角色，除了要管理自身的動力系統(tǒng)之外，還要管理傳統(tǒng)引擎和電子馬達之間的交互。
 
富士重工業(yè)株式會社是斯巴魯?shù)哪腹荆_發(fā)出首款混合動力車：Subaru XV Crosstrek Hybrid。 我們最初的想法是為日本國內(nèi)和北美市場提供一款量產(chǎn)的混合動力車款。 我們的工程師開發(fā)出用于早期混合原型的馬達ECU，不過該組件無法滿足嚴(yán)苛的汽車上市需求。 量產(chǎn)車型的ECU必須具備豐富的控制功能，才能夠在各種運行條件下避免車體損壞、確保駕駛員與乘客安全，即使是在實體硬件測試中不可能出現(xiàn)或不切實際的情況也是一樣。
 
例如，在路面結(jié)冰的駕駛條件下，車輪在加速過程中可能會突然失去牽引力。 這可能會造成加速期間馬達速度急劇增加，需要小心操控車輛。 然而，測功儀無法完全復(fù)制這種安全性行為，而且在測試跑道上復(fù)制這一行為會非常耗時，難度也很高。 由于這類特定安全條件所需的復(fù)雜控制算法必須經(jīng)過開發(fā)與驗證，因此在測試過程中需要考慮外界運行條件才能滿足量產(chǎn)車款的質(zhì)量等級要求。
 
一種全新的方法
我們的工程師把ECU連接至實時電動機仿真來測試和驗證各種條件，包含在傳統(tǒng)機械測試中可能會損壞系統(tǒng)的極端外界條件。 他們開發(fā)出一種機制來確保這種軟件仿真方法能夠?qū)崿F(xiàn)成功測試的三個主要目標(biāo)：
 
● 在各種條件下驗證ECU的功能，包含難以建立或復(fù)制的極端環(huán)境
● 將測試用例與需求關(guān)聯(lián)起來，確保完整的測試覆蓋范圍
● 輕松執(zhí)行回歸測試，以便快速驗證設(shè)計迭代
 
為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，我們的工程團隊采用V型模式來啟動設(shè)計與驗證過程(圖 1)。 圖中顯示的是一種適用于嵌入式軟件設(shè)計與部署驗證的分段式方法，其中包含了每個階段的測試點。 在設(shè)計過程的多個階段中，團隊會需要使用硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)，通過可精確模擬真實汽車發(fā)動機的實時發(fā)動機仿真來驗證發(fā)動機ECU。 此外，HIL系統(tǒng)還可幫助我們的工程師自動記錄測試結(jié)果，并在ECU修改過后自動執(zhí)行回歸測試，從而滿足可追溯性需求。
圖 1. 發(fā)動機ECU的開發(fā)過程（V型模式）

成功的系統(tǒng)
我們開發(fā)了一個全新的驗證系統(tǒng)，由一個真實發(fā)動機ECU和一個仿真發(fā)動機運行的HIL系統(tǒng)組成，如圖2所示。 HIL系統(tǒng)可通過設(shè)置電感和電阻等物理參數(shù)來模擬馬達各種運行條件。 此外還可以設(shè)置故障條件等各種電力電子參數(shù)以及不同的測試情境，比如說不同負(fù)載扭矩和轉(zhuǎn)速的組合。 只需在測試期間修改一個參數(shù)，HIL系統(tǒng)就可以輕松仿真復(fù)雜的測試情境，例如上述失去牽引力的情況，甚至是可能會損壞實體硬件的逆變器電力電子故障。 如果操作人員需要某種測試模式，HIL系統(tǒng)就會像實際發(fā)動機一樣進行響應(yīng)，而且還可以交叉引用整體系統(tǒng)響應(yīng)，以便確認(rèn)控制人員可安全操控測試用例。
圖2. 基于HIIL系統(tǒng)的驗證環(huán)境
由于這個過程所需的計算性能非常高，我們認(rèn)為NI是唯一 能夠滿足這些需求的供貨商。 我們的核心系統(tǒng)硬件采用NI FlexRIO FPGA模塊，這是一款搭載FPGA芯片且基于PXI的控制器。 這些模塊會執(zhí)行一個用于模擬發(fā)動機運行的模型，所有程序均使用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件進行部署。
我們以Excel電子表格的形式創(chuàng)建了一個測試情境，順序執(zhí)行每個測試模式。 我們把執(zhí)行時間步長設(shè)置為1 ms，并且按照時間先后順序在Excel電子表格中描述測試條件，包括扭矩和轉(zhuǎn)速。 發(fā)動機ECU會根據(jù)這些條件運行，并將信號（如脈寬調(diào)制信號）發(fā)送至HIL系統(tǒng)。 HIL系統(tǒng)收到這些信號后，就會仿真實際發(fā)動機的運行。 具體來說，運算過程執(zhí)行后，結(jié)果將以與實際發(fā)動機相同的速率輸出。 所得出的代表扭矩和三相電流的信號將會返回至發(fā)動機ECU。
 
我們使用LabVIEW自動執(zhí)行驗證過程，讀取和執(zhí)行測試情境的Excel電子表格，并且把獲取到的結(jié)果自動寫入Excel電子表格，以便生成測試報告。 針對此過程，我們的工程團隊在Excel內(nèi)使用Visual Basic for Applications。
 
選擇NI平臺的優(yōu)勢
在HIL系統(tǒng)中，仿真循環(huán)速率 (相當(dāng)于仿真的時間分辨率) 是一個關(guān)鍵要素。 對于發(fā)動機ECU，循環(huán)速率必須低于1.2 µs才能使仿真器運行。 其他廠商的大多數(shù)仿真平臺都會在CPU上執(zhí)行運算，導(dǎo)致循環(huán)速率介于5 µs ~ 50 µs之間。
 
NI FlexRIO使用FPGA進行控制和運算來滿足處理需求，這也給運算處理性能帶來了極大的優(yōu)勢。 我們之所以決定采用NI FlexRIO平臺主要是因為該平臺可達到1.2 µs的仿真速率。 此外，NI FlexRIO內(nèi)置有高容量的動態(tài)隨機存取內(nèi)存，這允許我們使用JSOL公司的JMAG軟件工具鏈所提供的JMAG-RT模型， 從而使得該系統(tǒng)能夠非常逼真地呈現(xiàn)真實發(fā)動機的高度非線性特性。
 
而且我們的工程師能夠使用NI LabVIEW FPGA模塊在NI FlexRIO設(shè)備上以圖形化方式編程FPGA，從而能夠在短時間內(nèi)使用FPGA技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)，無需學(xué)習(xí)硬件描述語言等基于文本的語言。
 
所有開發(fā)出來的測試模式僅在118個小時內(nèi)就能自動執(zhí)行完畢。 手動執(zhí)行所有測試的話大約需要2,300個小時。 自動化測試還可以降低風(fēng)險，減少因手動測試出錯而多花費的時間。 HIL系統(tǒng)還可大幅減少安裝設(shè)置步驟，例如發(fā)動機測試平臺和測試汽車的準(zhǔn)備工作，從而進一步節(jié)省了開發(fā)時間，而且該系統(tǒng)也不需要測試人員具備高壓設(shè)備操作資格。
 
工程團隊針對每個測試情境都事先準(zhǔn)備一個Excel電子表格，用于測試結(jié)果報告以及每隔1 ms保存一次仿真扭矩和三相電流值。 HIL測試得到的值會按順序?qū)懭隕xcel表格并與預(yù)期的值進行對比來確定測試結(jié)果的質(zhì)量。
 
作者信息:
Mr. Tomohiro Morita
FUJI Heavy Industries, Ltd. 
日本  
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