基于 PC 的控制技術助推車輛電動化改裝

　　快速、靈活的仿真駕駛模擬試驗臺

　　對于單件小批量生產企業和擁有大量相似車型的制造企業來說，快速、靈活和高性價比的綜合檢測試驗臺技術起著極其重要的作用。德國肯普滕應用技術大學就為 ABT e-Line 有限公司開發實施了這樣一個試驗臺，它能夠用于檢測各種車型的性能，比如已完成電動轉型的大眾(VW)廂式車。倍福基于 PC 的控制技術的核心特征之一是使用標準工業組件。

　　肯普滕應用技術大學(HS Kempten)研發的試驗臺主要用于車輛功能測試。該試驗臺是在肯普滕應用技術大學專門研究汽車和自動化領域應用及開發課題的控制工程和車輛系統實驗室中開發而成。實驗室在 2016 年成立初期，主要測試單個零部件的可靠性，后來其活動范圍逐漸擴大至復雜的完整系統試驗臺，甚至還包括教學活動。

　　試驗臺不僅可以測試新車輛和新功能，而且還能夠檢查各個功能之間如何相互影響。另一個優點是，車輛可以在其原有的適于行駛的狀態下進行測試，而不用像大多數傳統試驗臺那樣必須進行改裝。

　　來自肯普滕大學 Allg?u 研究中心的研究助理 Florian Zerbes 在介紹測試范圍和過程時說道：“對于電動汽車，試驗臺主要測試通過高壓電池包供電的暖通空調系統是否會對打開和關閉點火開關以及駕駛等車輛最重要的功能產生影響，測試內容包括規定測試周期，反復啟動、停止車輛以及讓車輛提速。車輛狀態會因測試結果發生變化，即暖通空調系統打開或關閉，電池的充電水平也因此改變。通過肯普滕大學的試驗臺，該測試過程可以完全獨立地運行幾個小時甚至幾天。這個過程包括連續采集試驗臺和車輛中的數據，以便對這些數據進行分析并轉化為最終的測試結果。”

　　試驗臺結構

　　與車輪連接的電機輸出軸提供車輪滾動阻力，模擬車輛在道路上行駛。車輛內的機器人轉動點火鑰匙，進行換擋操作，以及操控車內的各個按鈕，例如車內氣候控制系統的按鈕。踏板上的直線電機按下油門和剎車踏板，而轉向電機則驅動方向盤轉向。車外的第二個機器人將各種充電線插入充電插座和從充電插座拔出。

　　測量模塊用于采集車內線束的電流和電壓，以便進行后續分析。安裝有 TwinCAT 的倍福 C6030 超緊湊型工業 PC 作為控制平臺，負責實現與各組件和車輛(通過 CAN 總線)之間的通信。中央控制單元用于協調控制各個組件，可以使用不同的程序進行各種不同的測試。9 個能夠集成任何 CAN 和 CANopen 設備的 EL6751 EtherCAT 單通道通信接口端子模塊確保將 CAN 設備無縫集成到 EtherCAT 控制系統中。

　　在試驗期間，車輛會在真實的路面駕駛條件下進行模擬。駕駛試驗臺會根據仿真轉矩轉動車輪，甚至可以模擬車輪轉向運動。這種仿真試驗真實度極高，可以使用相應的執行機構仿真駕駛員的動作。大部分動作由工業機器人執行，以完成盡可能多的不同動作。試驗臺還可以模擬現實環境，以及車輛如何與周圍環境進行通信(例如通過 GPS 系統)。肯普滕應用技術大學除了成功開發試驗臺之外，還為系統打造了一個數字孿生平臺。這不僅有利于實現試驗臺的預試車，而且還能夠實現全面的系統可視化和監測。

　　工業技術助力降低成本、提升靈活性

　　肯普滕應用技術大學在開發新的試驗臺時，主要考慮如何讓系統盡可能地具有成本效益。只有使用逆變器、電機和控制器等標準工業組件才能實現這一需求。另一個考慮因素是確保系統能夠快速安裝和拆卸，而且基本上不受車輛影響。因此，試驗臺必須能夠方便地根據具體的應用需求進行調整。肯普滕應用技術大學的機械工程教授 Andreas Stiegelmeyr 博士在描述系統要求及具體實施情況時說道：“我們開發了一款能夠使用標準車輛接口測試大部分車輛功能的試驗臺，無論是什么車型，都能夠通過快速連接、以最小的投入測試車輛的各個功能。我們為此打造了一個很好的替代方案，適用于車型眾多的汽車制造商，尤其是小批量汽車制造商。”

　　Florian Zerbes 補充說道：“由于倍福控制產品配備很多不同的工業組件接口，因此我們從中選用了幾款產品，構成中央控制系統。更重要的是，通過添加 EtherCAT 端子模塊可以輕松擴展控制系統，再加上 EtherCAT 拓撲結構非常靈活，因此可以根據整個空間情況進行優化布署。同時倍福可以提供大量軟硬件產品，這也意味著可以用最小的投入完成大量測量和控制任務。最重要的是，倍福基于 PC 的控制技術相對于汽車領域使用的很多系統，具有明顯的成本優勢。”

　　用于確定測試序列的工具鏈

　　測試序列使用專門開發的工具鏈在結構化文本(ST)中編寫，并通過 MATLAB?/Simulink? 生成。這樣可以將 TwinCAT 和 Simulink? 有效地結合使用。Florian Zerbes 說道：“通過 Simulink? 可以自動生成包含硬件連接信息的功能塊。在編譯各自模型時，可以通過 TwinCAT Automation Interface 自動設置相應的硬件連接，并在模型和硬件之間創建一個鏈路層。”新的工具鏈提供以下功能：

　　– 毫不費力地創建所需的 Simulink? 模型

　　– 輕松使用不同的數據庫

　　– 自動連接硬件，并直接在 Simulink? 模型中配置

　　– 為用戶提供簡潔明了的界面

　　工具鏈目前的重點是 CAN 總線，這意味著，例如，可以通過 DBC 文件快速創建 CAN 信息塊。然后，像這樣的功能塊可以直接連接模型的其它部分，并且可以在 Simulink? 中配置硬件接口。用戶可以通過 GUI 配置各個信息，并在 Simulink? 中直接配置硬件的其它接口。一旦 Simulink? 模型創建完畢，就可以通過工具鏈輕松連接 TwinCAT。用戶需要做的只是決定哪個 Simulink? 模型與哪個 TwinCAT 項目相連。

　　所有一切全部都可以自動完成，同時，還可以調整 TwinCAT 項目使用的硬件或 PLC 項目的實施等。

　　ABT 公司對試驗臺的評價

　　“肯普滕應用技術大學開發設計的試驗臺讓我們能夠快速響應不斷變化的客戶需求，在很短的時間內就完成全新的車輛測試綜合方案的實施工作，全自動測試所有車輛。因此，試驗臺為我們整個開發流程中的技術創新提供了支持。”

　　更多信息：

　　www.beckhoff.com.cn/measurement

　　圖片譯文

　　肯普滕應用技術大學的試驗臺正在測試一輛由 ABT 公司完成電動轉型的大眾廂式車

　　內部配有機器人和用于車輛操控的直線電機

　　倍福控制系統(中間)：在此應用中，一臺 C6030 超緊湊型工業 PC、7 個 EL6751 EtherCAT 端子模塊以及 1 個 EL6614 端子模塊構成試驗臺的中央控制平臺，并直接與所有組件進行通信

　　肯普滕應用技術大學 Allg?u 研究中心的助理研究員 Florian Zerbes 正在進行車輛測試

　　肯普滕應用技術大學試驗臺上的倍福控制系統接口概覽