重卡AMT控制系統(tǒng)HIL仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

收稿日期：2024-01-08

作者簡(jiǎn)介

何琪，男，工程師，研究方向?yàn)殡娍叵到y(tǒng)策略及智能駕駛；夏佳磊，男，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娍叵到y(tǒng)策略及故障診斷管理；劉俊明，女，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠?chē)電子電控、線(xiàn)控及故障診斷。

【摘 要】文章首先介紹AMT控制系統(tǒng)的基本原理，然后基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建AMT控制系統(tǒng)輸入輸出對(duì)象模型以及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用仿真的環(huán)境模擬駕駛員的各種駕駛工況，對(duì)AMT控制軟件進(jìn)行全面的測(cè)試驗(yàn)證，有效地縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高軟件成熟度。

【關(guān)鍵詞】AMT；HIL；仿真測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0081-03

Research on HIL Simulation Design and Application of Heavy-duty Truck AMT Control System

HE Qi1，XIA Jialei1，LIU Junming2

（1.Hunan Xingbida Internet Technology Co.，Ltd.，Changsha 410129；

2.Aisn Auto R&D Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

【Abstract】This paper first introduces the basic principles of the AMT control system，and then builds an AMT control system input-output object model and a vehicle dynamics model based on the dSPACE real-time simulation system. The simulation environment is used to simulate various driving conditions of the driver，and the AMT control software is comprehensively tested and verified. This effectively shortens the development cycle，reduces development costs，and improves software maturity.

【Key words】AMT；HIL；simulation test

1 引言

商用車(chē)中的手動(dòng)變速器系統(tǒng)正逐步替換為自動(dòng)或手自一體變速器，先進(jìn)變速器的技術(shù)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)是商用車(chē)應(yīng)用研究的主流方向[1-2]。AMT（Automatic Mechanical Transmission，自動(dòng)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)，在市場(chǎng)上得到廣泛推廣[3-4]。AMT可根據(jù)車(chē)速、油門(mén)、駕駛員命令等參數(shù)確定最佳擋位，控制原來(lái)由駕駛員人工完成的摘擋、掛擋以及調(diào)速等操作，最終實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程的操作自動(dòng)化[5-6]。

AMT自動(dòng)變速器已成為重卡行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)?？刂萍夹g(shù)是AMT的核心，技術(shù)含量高，開(kāi)發(fā)難度大，也是國(guó)內(nèi)AMT發(fā)展的薄弱點(diǎn)。按照傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式，由于開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)有軟件的更改、控制器缺陷等不明因素的存在，且依賴(lài)真實(shí)的對(duì)象和車(chē)輛環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，無(wú)論是人員、設(shè)備還是資金都需要較大的投入，并且周期長(zhǎng)，不易進(jìn)行極限條件下的測(cè)試，試驗(yàn)的可重復(fù)性差，所得測(cè)試結(jié)果可記錄性及可分析性都較差。因此，在開(kāi)發(fā)初期階段就引入可靠性高的實(shí)時(shí)軟硬件環(huán)境HIL（Hardware In the Loop，硬件在環(huán)）作支持，被控對(duì)象采用實(shí)時(shí)數(shù)字模型來(lái)模擬，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，成為一種高效率、低成本的開(kāi)發(fā)方式。本文基于dSPACE的SCALEXIO實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)在MATLAB/Simulink搭建AMT控制系統(tǒng)對(duì)象模型以及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)AMT控制軟件進(jìn)行全面測(cè)試，能有效地縮短開(kāi)發(fā)周期和提高軟件成熟度。

2 重卡AMT控制系統(tǒng)原理

以某重卡牽引車(chē)自動(dòng)變速器為例，AMT控制系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由3部分組成，輸入傳感器采集（離合器位置、換擋位置、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器），輸出控制（離合器控制、換擋控制、進(jìn)氣控制、輸入軸制動(dòng)控制等）和CAN總線(xiàn)交互。

TCU接收來(lái)自CAN總線(xiàn)上換擋手柄控制器的換擋桿信息、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的加速踏板和制動(dòng)信息，解析駕駛員的駕駛意圖。接收電子制動(dòng)控制的車(chē)速信息，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板、輸入輸出軸轉(zhuǎn)速、坡度等車(chē)輛狀態(tài)信息，選擇合適的目標(biāo)擋位。通過(guò)對(duì)離合器、主箱、半擋、副箱、選擋、進(jìn)氣、輸入軸制動(dòng)控制以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)干預(yù)的控制，實(shí)現(xiàn)離合器的分離、結(jié)合，變速器的摘擋、選擋、換擋以及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和調(diào)速控制，最終實(shí)現(xiàn)換擋。

3 HIL仿真設(shè)計(jì)

3.1 仿真設(shè)計(jì)目標(biāo)

重卡AMT控制系統(tǒng)HIL仿真設(shè)計(jì)要達(dá)到的實(shí)時(shí)仿真框架如圖2所示，被測(cè)對(duì)象為T(mén)CU控制器實(shí)物，實(shí)車(chē)上的傳感器、執(zhí)行器以及整車(chē)的環(huán)境全部用仿真模型來(lái)代替，實(shí)時(shí)仿真采用與實(shí)車(chē)相同的TCU軟件，實(shí)現(xiàn)各種不同駕駛工況的仿真測(cè)試。

3.2 仿真模型架構(gòu)

本文基于dSPACE的SCALEXIO實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)在MATLAB/Simulink搭建HIL模型，仿真模型架構(gòu)如圖3所示，主要由電源模塊（Simulator）、控制器接口模塊（TCU）、CAN總線(xiàn)模塊（BusSystems）和整車(chē)模型（MDL）4個(gè)部分組成。電源模塊主要控制HIL機(jī)柜的程控電源輸出、TCU的供電以及鑰匙上電控制?？刂破鹘涌谀K將HIL機(jī)柜與TCU的硬線(xiàn)接口連通，實(shí)現(xiàn)HIL機(jī)柜對(duì)TCU的控制信號(hào)采集以及TCU采集信號(hào)的輸出?？刂菩盘?hào)為執(zhí)行器控制，包括離合器、半擋、主箱、副箱、選擋、進(jìn)氣和輸入軸制動(dòng)控制；采集信號(hào)為傳感器信號(hào)，包括離合器、半擋、主箱、副箱、選擋位置、輸入輸出軸轉(zhuǎn)速、供氣壓力和油溫信號(hào)。CAN總線(xiàn)模塊主要連通TCU的通信協(xié)議，包括TCU的發(fā)送報(bào)文、TCU需要接收的發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)文、電子制動(dòng)器報(bào)文、換擋手柄報(bào)文等。整車(chē)模型包含了物理模型（發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸、離合器、變速器、減速器等）和整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。

3.3 仿真原理

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器傳遞的扭矩輸出到車(chē)輪，結(jié)合整車(chē)質(zhì)量、滾動(dòng)阻力、坡度阻力、加速阻力和制動(dòng)阻力等，可計(jì)算出車(chē)輛的加速度，進(jìn)而計(jì)算車(chē)輛行駛的車(chē)速。通過(guò)車(chē)速計(jì)算輸出軸轉(zhuǎn)速，結(jié)合速比計(jì)算輸入軸轉(zhuǎn)速，利用離合器位移及扭矩傳遞特性確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系。扭矩和轉(zhuǎn)速的傳遞關(guān)系如圖4所示。

3.4 閉環(huán)試驗(yàn)

首先基于各個(gè)執(zhí)行器和傳感器的特性，通過(guò)標(biāo)定執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)傳感器的響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)TCU控制系統(tǒng)執(zhí)行器和傳感器的閉環(huán)測(cè)試。離合器的閉環(huán)試驗(yàn)示意如圖5所示。

閉環(huán)調(diào)試完成后，基于某重卡牽引車(chē)，導(dǎo)入整車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器等參數(shù)，結(jié)合CAN通信協(xié)議dbc文件，通過(guò)Configuration Desk軟件進(jìn)行編譯，并在Control Desk軟件中進(jìn)行監(jiān)控和標(biāo)定優(yōu)化，操控和顯示界面如圖6所示。通過(guò)Control Desk的界面，可以模擬在實(shí)車(chē)上的駕駛場(chǎng)景，如踩制動(dòng)踏板、操作換擋手柄、踩油門(mén)等。

4 測(cè)試應(yīng)用研究

TCU軟件測(cè)試可根據(jù)TCU的功能進(jìn)行，主要功能包括前進(jìn)擋/倒擋起步、蠕行、自動(dòng)升降擋、手動(dòng)升降擋、滑行和制動(dòng)降擋等。通過(guò)制定詳細(xì)的測(cè)試規(guī)范，規(guī)定操作步驟，可驗(yàn)證TCU軟件的基本駕駛功能，而且完全可重復(fù)。同時(shí)，TCU軟件在面對(duì)駕駛員非正常操作或者誤操作時(shí)，能否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)，從而保證駕駛安全和機(jī)械可靠性，也是測(cè)試的重點(diǎn)。主要的誤操作包括前進(jìn)行駛掛倒擋、倒擋行駛時(shí)掛前進(jìn)擋、駐車(chē)制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間起步等。最后，當(dāng)AMT控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，TCU軟件能否妥善處理故障情況，是檢驗(yàn)軟件是否成熟的重要標(biāo)志。故障情況通常在實(shí)車(chē)上難以設(shè)置和復(fù)現(xiàn)，而且具有一定的危險(xiǎn)性，通過(guò)HIL仿真系統(tǒng)，可以方便進(jìn)行開(kāi)路、短路、信號(hào)錯(cuò)誤等各種故障及組合，可以大幅提高測(cè)試效率。HIL測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后優(yōu)化控制策略，再驗(yàn)證，通過(guò)多輪測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，TCU軟件最終滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。起步和換擋功能驗(yàn)證示例如圖7所示。

5 結(jié)論

本文以某重卡牽引車(chē)AMT控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建了AMT控制系統(tǒng)仿真模型，并用與實(shí)車(chē)同樣的TCU軟件進(jìn)行了仿真測(cè)試，得出以下結(jié)論。

1）AMT控制系統(tǒng)HIL仿真，可以等同于實(shí)車(chē)對(duì)TCU軟件進(jìn)行控制功能和控制策略進(jìn)行測(cè)試。

2）HIL仿真測(cè)試，測(cè)試更全面，涵蓋極限工況或者有危險(xiǎn)性工況，確保測(cè)試安全，也包含了實(shí)車(chē)不易實(shí)現(xiàn)且耗時(shí)的故障注入測(cè)試，可有效地縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高軟件成熟度。

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（編輯 楊凱麟）