发动机控制器硬件在环仿真测试研究

【摘" 要】文章基于dSPACE和MATLAB/Simulink平台进行发动机控制器ECU的硬件在环仿真试验，主要包括起动、高低怠速、轨压跟随、喷油等功能测试。通过对多次测试结果进行分析，验证该平台可以对发动机软件进行测试，能够有效加快研发进度。

【关键词】硬件在环;ECU;dSPACE

中图分类号：U463.62" " 文献标识码：A" " 文章编号：1003-8639（ 2024 ）06-0069-03

Research on HIL of Engine Control Unit

WANG Wenxia，WANG Dejun，BI Guodong，CAO Hongyan，HAN Luyao

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China）

【Abstract】This paper has conducted hardware-in-loop simulation tests of the Engine Controller（ECU）based on the dSPACE and MATLAB/Simulink platforms，which mainly include functional tests such as starting，high and low idle，rail pressure following，and injection. By analyzing the results of multiple tests，it was verified that the platform could test engine software and effectively accelerate development.

【Key words】HIL;ECU;dSPACE

作者简介

王文霞（1987—），女，高级工程师，硕士，研究方向为发动机电控系统开发和测试;王德军（1984—），男，高级工程师，硕士，研究方向为传动系统开发和测试;毕国栋（1996—），男，助理工程师，硕士，研究方向为发动机电控系统开发和测试;曹红艳（1988—），女，高级工程师，硕士，研究方向为传动系统开发和测试;韩璐瑶（2000—），女，助理工程师，硕士，研究方向为传动系统开发和测试。

发动机控制器ECU是发动机电子控制系统的核心，其作用就像人类的大脑，负责检测、调节、诊断和保护发动机的运行状态，完成各种参数的采集和对于喷油量、喷油定时的控制，决定整个电控系统的功能。在批量应用前，需要对ECU进行全面测试以保证其能够可靠安全地控制车辆。硬件在环（HIL）技术利用仿真技术进行控制器实际工作环境的仿真，不受时间和空间的限制，能够缩短电控单元开发时间，并满足多种极限工况条件的测试，在ECU功能与诊断测试中得到广泛应用[1]，可以对控制器进行策略、标定等验证和优化，提高开发效率和软件品质。

1" 硬件在环仿真平台

1.1" 硬件在环仿真原理

HIL仿真也叫半实物仿真，其原理如图1所示，利用物理模型（Plant Model）来模拟被控对象的运行状态，IO接口与实时仿真模型连接，实现物理信号和电信号的互相转换，通过线束将IO硬件接口与被测试的控制器连接。工作时，HIL采集ECU执行器控制信号，并通过物理模型计算相应工况下的传感器数值，将传感器信号转化成电信号输出给ECU，ECU在不同的传感器输入信号下，根据控制策略输出相应的控制信号，使系统形成一个闭环，从而对被测对象进行全方面、系统测试。

1.2" 某发动机HIL测试平台

图2是某型号发动机HIL测试平台，主要由HIL机柜、负载箱、ECU、线束、上位机PC以及标定设备组成。该测试平台基于dSPACE的SCALEXIO系统搭建，具有庞大的节点数量和灵活的接口扩展能力，能够满足ECU输入输出所有类型的功能需求，并能够进行小电流故障注入和喷油器等大电流故障注入测试[2]。

负载箱主要包括各种执行器以及模拟负载，其中喷油器、油量计量单元、尿素喷嘴、节气门、EGR等采用真实负载或使用继电器、功率电阻进行模拟，通过负载箱建立ECU和HIL机柜。

HIL机柜下载发动机HIL模型生成的sdf文件，HIL模型使用MATLAB/Simulink软件搭建，一般采用发动机平均值模型（Mean Value Engine Model，MVEM），如图3所示。SoftECU为仿真ECU控制器，可以在没有真实ECU时，验证HIL模型能否正常运行。Engine为发动机模型[3]，为整个发动机HIL模型核心，包含燃油、燃烧、进排气、热管理等模块;Drivetrain为传动系统模型，包含发动机转速计算、变速器、差速器等模块;VehicleDynamics为车辆动力学模型，包含阻力和车速计算模块;Environment为驾驶员模型，包含油门、制动、离合器开度等模块。

2" ECU HIL测试

2.1" 测试准备

图4为HIL测试主界面，主要包括电源供电控制、钥匙开关、挡位控制、仪表盘、喷油数据监测、发动机运行主要参数监测等。

测试前进行测试平台的搭建和环境准备。首先需要确定使用的HIL平台，并在上位机PC上打开相应的工程，按照标识连接线束、控制器、负载箱。在上低压电前需要认真检查，以防接插件连接错误导致烧毁负载。

2.2" HIL测试

ECU HIL测试主要包括ECU基本功能测试、IO测试、故障注入测试、CAN通信测试等[4]。测试环境搭建完成后需进行以下测试：①ECU刷写测试，刷写后核对版本号是否正确;②通信测试和标定测试，用标定工具调取变量进行监控，观察是否正常，调取标定量进行标定，观察输出是否正常;③T15重新上电，观察HIL可编程电源的电流是否正常;④对ECU信息进行监控，观察是否有故障报出，并读取故障码;⑤主要传感器测试，调取水温、机油温度、机油压力等变量信息，查看信息是否正常。

2.3" 起动测试

起动测试时，在HIL用户主界面按下起动按钮2s后松开，记录检测数据，记录监控数据，查看起动是否成功，并记录起动成功后的转速、起动状态变化及同步状态变化，当一切正常，确认起动成功。起动成功后，在踏板为0的情况下，发动机转速在低怠速附近。图5为起动测试时的监控数据。

2.4" 高低怠速测试

起动成功后，观察低怠速设定值与当前发动机转速是否吻合，一般转速偏差不能超过10r/min。观察3min，低怠速一直稳定，与低怠速设定值相符则认为测试通过。

低怠速过程中，油门踏板开度突变到100%，查看转速上升、超调的情况。高怠速超调不应过大，转速稳定后，目标转速与设定值相符，偏差不超过10r/min则认为高怠速测试通过。发动机高低怠速测试数据如图6所示。

2.5" 轨压控制测试

起动成功后，监控并记录轨压设定值、实际值及油门开度变化，观察轨压跟随情况，比较设定值和实际值偏差，偏差小于等于10bar则认为测试通过。需求轨压和实际轨压情况对比如图7所示。

2.6" 喷射控制测试

监控并记录不同转速下喷油加电时间和提前角控制信号，与HIL采集数据进行比较，偏差在允许范围内，认为测试通过。图8为ECU喷油控制喷油器加电时间信号和HIL采集数据。

2.7" 外特性测试

将油门踏板设为100%，在上位机软件ControlDesk中将发动机工作模式设置为测功机模式，转速值从低怠速至高怠速，每间隔100r/min记录一组外特性参数。图9为外特性测试对比数据截图，发动机的最大扭矩先是随着转速的上升而增大，在1000r/min之后开始随着转速的增加而下降，在转速超过2000r/min后外特性扭矩急剧下降。这样的测试结果和发动机外特性曲线趋势吻合。

此外还需进行存E方测试、故障注入测试、后处理功能测试等，利用基于dSPACE平台的HIL仿真平台进行自动化测试、路谱回放、典型工况测试、极限工况测试等[5]，能够有效降低研发成本，加快研发进度。

3" 结论

基于SCALEXIO的发动机硬件在环仿真及调试是一个系统工程，需要对发动机的HIL建模原理和软件策略熟悉，才能完成整个工程闭环调试。在该平台上，通过试验结果分析，该系统能够满足ECU软件测试需求，基于该系统的软件测试可以提前发现存在问题，避免批量问题流向市场。

参考文献：

[1] 张晶，崔涛，梁媛媛，等. 电控柴油机典型路面循环硬件在环测试研究[J]. 装甲兵学报，2022（1）：83-88.

[2] 王德军，于双飞，孙梦琪，等. AMT硬件在环仿真测试研究[J]. 汽车电器，2023（4）：69-71.

[3] 王宇. 面向控制的天然气发动机实时模型与硬件在环研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2023.

[4] 王贵勇，邓冬荣，赵友，等. 基于FPGA的柴油机电控单元HIL系统IO研究与实现[J]. 昆明理工大学学报（自然科学版），2022，47（5）：78-91.

[5] 李金华，马子焜，刘佳，等. 船用柴油机电控系统硬件在环测试平台设计验证[J]. 智能化与控制，2023，45（2）：10-15.

（编辑" 凌" 波）

收稿日期：2024-03-08