基于dSPACE的EMT臺架測試和數據采集系統設計

杜常清，陳永春 ，武冬梅，郭 迪，萬四禧

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.東風商用車技術中心，武漢 430070）

電驅動機械式自動變速器EMT（electric-drive mechanical transmission）將驅動電機集成到自動變速器中，機械同步器由嚙合套代替，傳統離合器承擔接合、分離驅動力的作用轉變為承擔發動機與電機動力傳遞和耦合的作用，將電機輸出軸與變速器輸入軸直接相連，EMT電機除能夠提供驅動力外還起到調速作用，在換檔時由傳統的被動摩擦改為主動摩擦，利用電機迅速準確的響應特性，調整其轉速即輸入軸轉速到滿足換檔條件，從而實現快速、準確換檔[1-2]。EMT繼承了AMT的優勢，同時又避免了AMT換檔中斷、換檔時間長等問題。換檔品質是EMT系統的關鍵，為研究EMT換檔情況，建立了EMT測試試驗臺架，在試驗過程中，需要直觀顯示換檔過程，采集換檔關鍵數據分析換檔品質，以確保系統正常運行。

1 EMT臺架測試系統

本文所搭建的測試臺架包括EMT及其控制系統、負載電機及其控制系統、聯軸器、高壓電池組及BDU、PLC換檔控制器、dSPACE實時監測系統、低壓供電系統、冷卻系統等。

動力系統測試中，需要使用測功機，目前主流的測功機成本昂貴，在試驗臺架模擬真實的換檔過程中，變速器輸出軸由于沒有慣性負載導致換檔時輸出軸的轉動慣量很小，這與真實的換檔過程相差甚大，因此試驗時采用另一臺電機作為負載電機（測功機），換檔時，負載電機轉速不變即保持車速不變。EMT測試臺架對2個電機軸的對中要求極高，若未嚴格對中，試驗時可能發生聯軸器甩出等危險，因此在試驗前需嚴格進行電機軸對中校準。EMT測試臺架原理如圖1所示。

圖1 EMT測試臺架原理Fig.1 Principle diagram of the EMT test bench

2 EMT臺架測試監控系統

本文所建立的EMT測試臺架使用PLC換檔控制器，PLC控制器不具備實時監測和數據采集功能，使用dSPACE硬件平臺實現了試驗過程中對電機、換檔執行機構、電池等系統的實時監控、故障診斷以及換檔數據采集等功能，保證EMT臺架正常運行，實現可靠的系統控制和良好的人機交互界面設計[3-4]。本文使用dSPACE平臺的工作步驟為①在Matlab/Simulink中建立監控模型；②配置I/O接口，本文使用的是CAN總線接口；③實時代碼生成并下載到dSPACE中；④利用Controldesk軟件進行綜合試驗。

2.1 dSPACE簡介

德國dSPACE公司基于Matlab/Simulink開發的半實物仿真平臺實現了和Simulink的無縫連接，該平臺硬件可靠性高、實時性強，能夠進行高速運算處理，平臺配備有豐富的I/O口，控制軟件界面友好，在Simulink中建立模型，利用自動代碼生成將模型下載到dSPACE中即可。dSPACE提供了綜合交互軟件Controldesk，只需在其中搭建簡單的可視化模型，便可以方便快捷地建立監控界面，實現實時監測、調試模型、數據采集等交互功能。

2.2 監控模型建立

本文設計的監控系統利用CAN總線進行通信，使用DS1103中的RTI.CAN模塊接收從EMT電機控制器、負載電機控制器、電池BDU、PLC發出的報文，實時監控內容包括EMT電機轉速、轉矩、電壓、電流、溫度、故障等指標；負載電機運行模式、轉速、轉矩、自檢、故障等指標；電池SOC、電壓、電流、最高（最低）單體溫度、電壓等指標；PLC發出的檔位位置、4個電磁閥狀態、油泵壓力等換檔信號。

CAN-CONTROLLER SET UP為dSPACE使用CAN通信的配置模塊，設置波特率250 kb/s，根據ID不同，共使用8個RTI.CAN接收模塊，其中負載電機4個，EMT電機2個，PLC 1個，電池BDU 1個。以負載電機為例，需設置幀格式為擴展幀，地址為OX0CFF32F0，在信息配置頁分別為每個信號設置起始位、分配位長度、確定比例因子和偏移量，根據負載電機CAN協議，在Byte layout中需要選擇bid-endian即大端模式 （否則顯示數據會顛倒），具體設置如圖2所示。同理為其他7個接收模塊做好配置，其中EMT的Byte layout為小端模式，其余均為大端模式。在Simulink中配置好所有的模塊后利用自動代碼生成將模型下載到dSPACE中。

圖2 RTI.CAN設置Fig.2 Setting of RTI.CAN

2.3 監控界面設計

本文所述EMT設計了4個前進檔（速比分別為3.182、1.895、1.346、1.03），1 個倒檔 （速比為 3.109）和1個空檔以便怠速換檔，主減速器速比為4.313，換檔過程采用單參數換檔，即以轉速作為換檔條件（利用傳感器讀取主減速器轉速信號），換檔品質從簡單實用的角度出發，選取了換檔時間作為換檔品質的指標。

換檔時間由退檔時間、選檔時間、調速時間以及進檔時間4部分構成。以一檔換二檔為例，首先換檔電磁閥1、2置位（換檔電磁閥1=1、換檔電磁閥2=1），發出退檔命令，開始計時，待檔位傳感器反饋確定為空檔時，得到退檔時間T1；進入空檔后，根據目前的轉速情況系統進行選檔操作（選檔電磁閥1=1，選檔電磁閥2=1），選檔執行完得到選檔時間T2；選檔完成后PLC向EMT電機控制器發出調速指令，電機進行調速，調速目標為EMT輸出軸轉速在對應檔位下的輸入軸轉速滿足換檔要求（輸入、輸出軸轉速差值絕對值≤50 r/min即視為調速完成），待調速完成時得到調速時間T3；最后進二檔，控制器發出換二檔指令（選檔電磁閥1=0、選檔電磁閥2=1、換檔電磁閥1=1、換檔電磁閥2=0），待檔位傳感器確認換檔完成得到進檔時間T4。換檔時間T=T1+T2+T3+T4。換檔邏輯如表1所示，負載電機轉速和對應檔位關系如表2所示。

表1 換檔邏輯Tab.1 Shift logic

表2 主減速器轉速和對應檔位關系Tab.2 Relationship between the main reducer rotation speed and the gear

根據上述換檔分析，試驗過程中除了監控系統狀態，保障系統正常運行外還需要直觀反映出負載電機和EMT電機的轉速變化情況，以便判斷是否達到換檔條件。在換檔過程中，根據換檔邏輯，需要顯示4個電磁閥的置位情況以反映不同檔位。而在分析換檔時間時，需要分別得出退檔T1、選檔T2、調速T3、上檔T44部分時間以便分析換檔規律，通過不同檔位下4個電磁閥的組合位置與傳感器的變化情況，實現對整個換檔過程時間分布的測量。

換檔試驗實時監控系統需要保證完整監控臺架系統各部分工作狀態，并且需要直觀地反映換檔過程，容易計算出換檔時各個階段所用的時間。使用Controldesk軟件將負載電機和EMT電機轉速在與同一個顯示圖關聯顯示，4個電磁閥組合的狀態也呈現在顯示圖中，再將dSPACE從PLC、負載電機控制器、EMT控制器和電池收到的需要監控的量與狀態塊關聯顯示。

3 臺架測試試驗

利用本文所設計的基于dSPACE的EMT臺架監控和數據采集系統，對EMT換檔試驗進行實時監控和數據采集。

3.1 監控系統測試

低壓系統上電時，實時監控系統便連通工作，系統能夠顯示低壓反饋的信號，完成高壓上電后，系統能夠顯示高壓系統反饋信號。在Controldesk軟件中，選擇測量模式能夠實時顯示系統的運行狀態，而選擇記錄模式時能將系統中顯示圖中的試驗數據完整保存下來，試驗結束后可以回看試驗過程，并可以將保存的試驗數據以多種形式導出到其他平臺中，以便進一步分析。在進行換檔試驗時，我們通過監控界面實時監測試驗過程中系統各部分的運行狀況，若出現故障，能夠直接找到故障原因并排除故障。通過轉速顯示圖，能夠直觀清晰地看到換檔過程中EMT電機和負載電機轉速走勢，直觀地反映了換檔過程；通過電磁閥狀態顯示圖，可以看到換檔操縱機構的執行順序。實時監控狀態如圖3所示。

3.2 數據采集與分析

為了進一步分析換檔過程，試驗時選擇記錄模式保存顯示圖中的試驗數據，本文將試驗數據以mat格式導入到Matlab中。

圖4以三檔退二檔、二檔退一檔為例，顯示EMT電機和負載電機在換檔試驗時轉速隨時間變換，從圖中能夠很明顯地看到2次速度的迅速拉升，即在2個退檔過程中的EMT的換檔過程。

圖3 實時監控狀態Fig.3 State diagram of real-time monitoring

圖4 轉速變化曲線Fig.4 Curve of speed change

圖5為以三檔退二檔為例，分析了從三檔退二檔的過程以及各電磁閥的置位情況：控制負載電機轉速，當轉速達到換檔條件時，首先執行退空檔（換檔電磁閥1、2置位）操作，退空檔時間T1約為100 ms；退檔完成后隨即進行選檔操作（從三檔退二檔時選檔電磁閥1、2置位），選檔時間非常短，從圖中可看出選檔時間小于50 ms；選檔完成后EMT電機進行調速，即圖4中EMT電機轉速迅速上升到滿足換檔條件部分，在該試驗條件下調速時間約為150 ms；完成調速后，最后執行進二檔操作（換檔電磁閥1置位，換檔電磁閥2復位），進檔過程約100 ms。綜上從三檔退二檔過程中，經歷退空檔、選檔、調速、進檔4個過程，本次試驗條件下，從三檔退到二檔時間約為400 ms，從換檔時間來看，EMT擁有較好的換檔。

圖5 換檔過程電磁閥狀態圖Fig.5 State graph of electromagnetic valve during shifting process

4 結語

本文設計的基于dSPACE的EMT臺架監控和數據采集系統，通過CAN總線實現了對EMT臺架試驗的實時監控，直觀顯示了換檔過程，實時性好；采集了換檔過程中負載電機和EMT電機轉速變化以及電磁閥狀態數據，采集系統穩定可靠，接收數據準確、完整；對數據進行快速分析，得到檔位的各部分以及整個換檔時間，所測EMT具有較好的換檔品質。所建立的監控和數據采集系統有助于EMT臺架后續的研究。

[1]曹正策.基于電驅動自動變速器（EMT）的Plug-in并聯混合動力系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[2]鄭雪英.電驅動自動變速器（EMT）開發[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[3]崔濤.基于模型的自動變速箱數據采集系統[J].北京理工大學學報，2008，28（5）：393-396.

[4]桂勇.基于dSPACE的發動機信號實時采集系統開發[J].裝甲兵工程學院學報，2010，24（3）：32-34.