[发明专利]一种车用发动机硬件在环仿真过程中的信号匹配方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种车用发动机硬件在环仿真测试技术领域，具体涉及一种车用发动机硬件在环仿真过程中的信号匹配方法及装置。

背景技术

现代汽车电子开发流程往往采用V字型模式，相比传统的开发流程具有开发效率高，省时、省力、开发风险低的优点，硬件在环仿真属于V字型开发流程中的一个环节。在车用发动机控制系统的开发过程中，利用硬件在环仿真的技术主要是指利用发动机实时仿真模型代替实物发动机作为控制对象，通过数据采集卡或者其他类型的接口转换电路将仿真模型的运行结果转换成真实电信号，与真实发动机ECU控制器连接调试。

已知发动机的仿真模型有很多种，其中应用广泛且具有代表性的仿真方法有两种。一种是基于计算流体动力学(CFD)的建模方法如GT-Power、AVLBOOSTre、Fluent、KIVA等商业软件，其主要关注发动机工作过程中的流体的流动特性和燃烧状态，适用于对发动机工作过程的模拟计算以及性能的预测和评价，但是由于其复杂的求解过程不具有实时性，在应用中不适用于控制系统的设计与实现。另一种是基于平均值模型思想的建模方法，该模型忽略了不同曲轴转角所对应的缸内变化，采用数个发动机循环中变量的平均值来描述发动机的动态过程，通过进气歧管压力模型、燃油蒸发与补偿模型、动力输出模型，描述发动机瞬态和稳态的工作状态，如dSPACE公司的发动机实时模型、TESIS公司提供的enDYNA发动机模型、SimuQuest公司提供的Enginuity等商业模型以及国内外学者在Matlab Simulink平台上搭建的自有模型，但是这些模型的实时仿真需要依赖实时仿真平台，是发动机控制系统开发中硬件在环仿真的主要技术方法。

发动机控制过程中需要依赖各种传感器的信号，但是发动机仿真模型重点关注的是基于发动机工作机理过程的参数计算，相对于传感器信号的更新过程属于宏观表象，其反映了发动机多个工作循环过程中的平均现象。而表征发动机运行过程中的曲轴、凸轮轴传感器、喷油器驱动、点火线圈驱动脉冲信号重点表征一共工作循环内的控制过程，其信号的更新频率远高于发动机仿真模型所描述的发动机参数更新频率，因此相对于发动机仿真模型可以定义为高速信号，其他类型的传感器和执行器信号数据更新频率可以与发动机仿真模型的数据频率一致，定义为低速信号。

真实发动机ECU控制器需要依赖同步的发动机曲轴、凸轮轴传感器信号实现发动机曲轴位置以及判缸功能的实现，计算发动机实际转速，并在此基础上控制喷油和点火时刻。而发动机仿真工具包往往忽略发动机的微观变化情况，与实际发动机运行所能测量的传感器信号之间存在差别：仿真生成的数据直接是发动机转速，而不是实际的曲轴、凸轮轴传感器信号；发动机仿真模型的需要的控制参数点火提前角是数字量，而实际系统中该参数是通过点火驱动信号相对应的曲轴位置和气缸上止点位置的角度差进行表征的；发动机仿真模型的需要的控制参数喷油脉宽是数字量，而实际系统中则是由喷油器驱动信号的导通电平时间表征，因此发动机仿真模型无法直接通过AD、DA转换的方式与ECU控制器接口，各自所需的控制信号在形式上有所差别。同时，硬件在环仿真平台的工作电压往往在0-5V之间，而实际车用发动机ECU控制器的驱动信号的工作范围在0-12V或者0-24V之间，需要实现传感器信号的电压匹配。由上可见，在发动机硬件在环仿真过程中，需要进行信号的匹配处理。

根据国内外文献显示，已知硬件在环仿真的信号匹配方法有如下：1)针对曲轴、凸轮轴信号发生直接利用硬件在环仿真平台计算生成并且通过数据采集卡输出，但是这种方法对实时仿真平台的运算速度要求较高，且在转速较高时会出现采样率低造成的失真；2)利用曲轴、凸轮轴信号模拟发生的方式，包括使用FPGA、CPLD等高速可编程逻辑器件实现的曲轴、凸轮轴信号模拟发生和利用模拟电路实现的两种方法，前者利用专用的数据板卡实时计算成本较高且功能单一应用不灵活，后者电路结构固定无法模拟不同种类的传感器；3)对ECU控制器修改数据接口，利用通信接口的方式或者简化传感器信号使其满足硬件在环仿真平台的数据类型，但是这种方法已经修改了真实发动机控制ECU的功能，没有办法对产品的全部功能进行测试，应用有局限。

以上现有的已知发动机硬件在环仿真用的信号匹配方法尚有缺点。若采用仿真平台直接处理这些仿真过程中的高速信号，需要实时仿真平台具有更高的运算速度，在相同仿真步长和运算速率下，发动机仿真模型的数据更新频率较低，消耗大量的实时仿真运算资源用于高速信号的生成。

发明内容