王德軍 于雙飛 孫夢(mèng)琪 畢國(guó)棟 許成林

【摘? 要】本文首先闡述基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)構(gòu)建的傳統(tǒng)的AMT物理模型，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、離合器模型、變速器模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型等，然后基于此硬件在環(huán)系統(tǒng)驗(yàn)證TCU的主要控制功能能夠滿足軟件測(cè)試需求，通過(guò)該系統(tǒng)能提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，降低控制器開(kāi)發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】硬件在環(huán)；dSPACE；TCU；AMT

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0069-03

【Abstract】In this paper，a physical model of AMT was constructed based on dSPACE real-time simulation system，including engine model，clutch model，transmission model，vehicle dynamics model，etc. in order to obtain more close to the real vehicle vehicle dynamics simulation model. Based on this hardware in the loop system，the main control functions of TCU are verified，which can meet the needs of software testing. Through this system，problems are found in advance，and the cost of controller development is reduced.

【Key words】HIL；dSPACE；TCU；AMT

AMT（Automatic Mechanical Transmission）變速器在MT基礎(chǔ)上加裝自動(dòng)離合器和自動(dòng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有自身傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、繼承性好等特點(diǎn)，且能夠改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作在高效區(qū)降低油耗，在市場(chǎng)得到廣泛推廣[1]。但是，其在換擋過(guò)程中，離合器分離會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷的現(xiàn)象，TCU對(duì)離合器控制過(guò)快過(guò)慢都會(huì)影響駕駛員感受，在調(diào)速過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或輸入軸轉(zhuǎn)速控制不準(zhǔn)也會(huì)造成同步器或嚙合套頂齒或打齒問(wèn)題[2]。本文基于dSPACE的SCALEXIO實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)在Matlab/Simulink搭建AMT的HIL模型，通過(guò)Configuration Desk軟件生成sdf.文件，在Control Desk軟件進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證AMT控制功能，能夠有效加快研發(fā)進(jìn)度。

1? HIL工程準(zhǔn)備

本論文以某款TCU控制器硬件在環(huán)測(cè)試為例，其電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)H橋控制選換擋電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)換擋絲杠，實(shí)現(xiàn)拔叉運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成換擋動(dòng)作[3]。

在搭建HIL工程時(shí)，需要準(zhǔn)備相關(guān)材料才能搭建HIL模型，具體如表1所示。

2? HIL閉環(huán)工程搭建

2.1? HIL測(cè)試平臺(tái)搭建

搭建基于SCALEXIO系統(tǒng)的HIL測(cè)試平臺(tái)，包含有SCALEXIO Simulator、負(fù)載箱、電腦主機(jī)及所需測(cè)試的TCU。HIL測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

SCALEXIO Simulator通過(guò)網(wǎng)線與主機(jī)相連，通過(guò)Configuration Desk軟件將在Matlab/Simulink中的HIL模型編譯生成sdf.文件，通過(guò)Control Desk軟件下載到SCALEXIO Simulator中運(yùn)行。SCALEXIO系統(tǒng)相比PHS系統(tǒng)，具有龐大的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和更靈活的I/O擴(kuò)展能力，將I/O板卡與處理器板卡相互獨(dú)立分開(kāi)，減少處理仿真模型時(shí)等待I/O輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間。根據(jù)提供的TCU針腳定義，結(jié)合DS2680板卡的針腳搭建I/O信號(hào)列表，并通過(guò)Configuration Desk進(jìn)行軟硬件接口配置來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O信號(hào)交互。對(duì)于TCU與發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表、換擋手柄等CAN節(jié)點(diǎn)的報(bào)文信號(hào)，可通過(guò)RTICANMM模塊把DBC導(dǎo)入，建立CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

TCU與電腦主機(jī)通過(guò)CANape標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行相連，可實(shí)時(shí)讀取控制器中的信息，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證相關(guān)功能，通過(guò)Control Desk可以對(duì)HIL模型進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定修改，并且仿真駕駛員不同操作來(lái)驗(yàn)證TCU的換擋功能[4]。

2.2? 控制策略介紹

在搭建HIL工程時(shí)，需要熟悉TCU的控制策略，以便對(duì)TCU進(jìn)行標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)HIL閉環(huán)?？刂撇呗缘哪繕?biāo)是根據(jù)換擋手柄、鑰匙開(kāi)關(guān)等信息解析駕駛員意圖，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、目標(biāo)擋位等當(dāng)前車輛狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的換擋策略控制發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器電機(jī)、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)等動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)換擋功能[5]，TCU控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

首先對(duì)CAN、Sensor等進(jìn)行輸入信號(hào)解析，提取出踏板開(kāi)度、車速等車輛信息，然后對(duì)鑰匙位置、換擋手柄等信號(hào)進(jìn)行駕駛員意圖解析，提取出R/N/D/M擋位信息，由此進(jìn)行擋位決策來(lái)確定所需求目標(biāo)擋位初始值。由于在換擋過(guò)程中存在新的擋位需求，所以需要同時(shí)結(jié)合當(dāng)前換擋狀態(tài)、道路工況來(lái)識(shí)別和判斷是否需要保持或更新目標(biāo)擋位初始值，得到最終目標(biāo)擋位。換擋協(xié)調(diào)根據(jù)目標(biāo)擋位控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入扭矩模式并發(fā)出選/換擋指令，換擋時(shí)需根據(jù)選/換擋指令來(lái)決定清扭、分離合、調(diào)速、摘擋、選擋、掛擋、合離合、升扭等不同換擋狀態(tài)。擋位識(shí)別根據(jù)換擋狀態(tài)、選/換擋位置信號(hào)來(lái)確定當(dāng)前擋位，換擋控制根據(jù)換擋狀態(tài)對(duì)選/換擋電機(jī)H橋進(jìn)行控制（電機(jī)正反轉(zhuǎn)和PWM）。離合器管理根據(jù)換擋狀態(tài)和離合器實(shí)際位置、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、踏板開(kāi)度來(lái)決定離合器需求位置和需求速度，離合器控制通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)離合器電機(jī)進(jìn)行H橋控制（電機(jī)正反轉(zhuǎn)和PWM）。

2.3? HIL模型搭建

本文基于Matlab/Simulink搭建HIL模型，其架構(gòu)如圖4所示，主要由I/O模型、CAN模型和物理模型組成，其中物理模型搭建詳略直接影響閉環(huán)調(diào)試功能和精度，進(jìn)而影響軟件測(cè)試完整性。

Power模型為供電控制模型，和HIL機(jī)柜的程控電源、TCU的電池電壓、鑰匙喚醒相關(guān)。I/O模型主要是HIL機(jī)柜和TCU的硬線接口，主要為傳感器信號(hào)（輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速、選/換擋位置傳感器、離合器位置傳感器、變速器溫度等）、驅(qū)動(dòng)信號(hào)（選/換擋電機(jī)PWM、離合器電機(jī)PWM）、開(kāi)關(guān)信號(hào)（2擋起步信號(hào)）、CAN信號(hào)（發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表、換擋手柄、變速器）。

物理模型包含發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)（離合器、變速器）、車輛動(dòng)力學(xué)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)模型用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，其輸入信號(hào)有鑰匙上電、起動(dòng)信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)需求模式、需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、油門開(kāi)度，通過(guò)輸入信號(hào)可以仿真發(fā)動(dòng)機(jī)在待命、上電、起動(dòng)中、起動(dòng)完成、運(yùn)行、停止中、停止等不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，可仿真TCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制需求，進(jìn)而計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等輸出信號(hào)。

傳動(dòng)系統(tǒng)模型為整個(gè)物理模型的關(guān)鍵部分，其輸入包含離合器電機(jī)PWM、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)PWM、變速器當(dāng)前擋位等，輸出包含發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算、離合器位置計(jì)算、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速計(jì)算、輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算、選換擋位置計(jì)算等[6]。

車輛動(dòng)力學(xué)模型為仿真輪胎的滾動(dòng)阻力、迎風(fēng)阻力、坡度阻力、加速阻力以及制動(dòng)阻力，其輸入為差速器的轉(zhuǎn)速、坡度、制動(dòng)開(kāi)度，輸出為車速、車輪阻力扭矩[7]。圖5為汽車行駛阻力解析過(guò)程圖。

2.4? HIL工程閉環(huán)調(diào)試

模型搭建完后，根據(jù)提供的整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器參數(shù)進(jìn)行模型參數(shù)化，并在Matlab中進(jìn)行離線運(yùn)行調(diào)試，調(diào)試通過(guò)后，再通過(guò)Configuration Desk軟件把模型和I/O接口、CAN接口生成sdf.文件，并導(dǎo)入Control Desk進(jìn)行HIL模型的標(biāo)定，其閉環(huán)測(cè)試界面如圖6所示。

HIL開(kāi)環(huán)調(diào)試是閉環(huán)調(diào)試基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)I/O和CAN報(bào)文的測(cè)試確保TCU與HIL之間信號(hào)交互無(wú)誤，從而確?？刂破骱捅豢貙?duì)象之間進(jìn)行正確的信號(hào)傳遞，再進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試，閉環(huán)調(diào)試核心是驗(yàn)證擋位決策和換擋時(shí)序，通過(guò)調(diào)試發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)，實(shí)際擋位響應(yīng)需求擋位，且離合器位置、選換擋位置和實(shí)際位置變化趨勢(shì)一致。換擋功能驗(yàn)證如圖7所示。

3? 結(jié)論

基于SCALEXIO的AMT硬件在環(huán)仿真及調(diào)試是一個(gè)系統(tǒng)工程，首先需要準(zhǔn)備相關(guān)資料，然后在Matlab環(huán)境下搭建HIL模型，其次需要熟悉AMT的結(jié)構(gòu)原理和TCU控制策略，最后才能完成整個(gè)工程閉環(huán)調(diào)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該系統(tǒng)能夠滿足軟件測(cè)試需求，基于該系統(tǒng)的軟件測(cè)試可以提前發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，可大大提高研發(fā)的進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘建軍. 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器混合仿真試驗(yàn)臺(tái)研究與開(kāi)發(fā)[D]. 北京：清華大學(xué)，2017.

[2] 洪金龍. AMT起步及換擋過(guò)程的駕駛員品質(zhì)優(yōu)化控制[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2019.

[3] 楊進(jìn)琦. 純電動(dòng)AMT電動(dòng)電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確控制研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2020.

[4] 蘭海龍，李萍，郭建群. 基于dSPACE平臺(tái)的AMT硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)搭建[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2020（5）：19-21.

[5] 王宏宇，房永，王德軍. 汽車自動(dòng)變速器原理及研發(fā)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[6] 徐向陽(yáng). 自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[7] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

（編輯? 凌? 波）