发动机和电惯量模拟系统控制构架设计

综上，对发动机的驱动力模拟以及对负载力矩惯量的模拟是整个台架试验平台测试系统的难点，其模拟本质是对系统的高速实时控制问题，且模拟系统精度依赖于所搭建的模型系统，主要包括发动机模型、车辆模型以及传动系统模型等，并且控制系统稳定性受到控制器设计方法的约束和影响较大。

发动机模拟及电惯量模拟系统控制构架如图4-38所示。其中，操作人员将其操作指令通过操作台进行输入，并对车辆模型参数进行确认和修改，操作台将测试操作人员的操作指令转化为总线指令信号下发到下位实时主机，下位实时主机主要用于对驾驶员模型、发动机模型以及车辆模型和惯量模拟模型进行高速实时运算，驾驶员模型接收到总线目标车速后，通过油门、刹车执行机构实现对车辆模型车速的实时控制，发动机模型主要是对发动机平均转矩以及波动扭矩进行实时运算，一方面其将计算结果发送到驱动电机的变频控制系统，对发动机模拟电机进行高性能矢量控制，另一方面，其将发动机平均扭矩发送到车辆纵向动力学模型及惯量模拟模型，车辆模型计算出的车轮转速作为指令信息发送到加载电机的变频控制系统，实现对加载电机的转速闭环控制及惯量负载模拟。

为控制系统稳定性、惯量模拟效果及发动机力矩波动模拟效果，对控制系统的实时性和动态特性提出了较高要求。发动机模型运行速率应当大于所模拟波动力矩周期的10倍，以12缸发动机最高转速3 000 r/min进行计算，单个脉冲频率为：

则发动机模型运行频率应至少在3 kHz，此部分模型使用传统实时主机已无法满足实时性要求，则可通过FPGA对发动机模型进行高速实时运行，并通过变频控制系统实现发动机模拟电机的高速实时控制。FPGA系统推荐使用NI-7846R系列板卡，其可在μs级实现复杂逻辑的扩速运算，并可在线实现对模型参数的修改及变量的在线监测。(www.xing528.com)

图4-38　发动机模拟及电惯量模拟系统控制构架总体示意图

PXIe-7846具有用户可编程FPGA，可用于高性能板载处理和对I/O信号进行直接控制，以确保系统定时和同步的完全灵活性，内核采用Kintex-7160T，逻辑门有202 800个，LUT有101 400个，片上RAM为11 700 Kbit，DSP48共有600个，主频最高可达200 MHz，具有DMA通道，具有8路模拟量输出接口（差分和单端模式可选），最大转换速率为2μs，精度为16 bit，具有8路模拟量输出通道，最大转换速率为1μs，精度为16 bit。

对于惯量模拟系统，其本质是在检测到驱动电机动作意图之后，迅速通过内部逻辑实现对负载电机惯量负载的施加，从而在一定程度上实现对电机加速过程的延缓，达到对惯量模拟的外在表现效果。但是，由于加载电机天然存在扭矩响应的滞后，且其实际上并非实际惯量的被动量效果，控制周期或带宽较低时，将引起系统的振荡甚至发散。因此，使用基于负载模型的转速闭环策略，结合惯量负载的前馈补偿控制，从而在保证系统动态响应速度的前提下，最大限度地实现对惯量负载的动态模拟。