機(jī)電控制無級變速器控制單元硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

夏　超，李　鑫，程　越

(重慶理工大學(xué)　a.車輛工程學(xué)院;

b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶　400054)

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機(jī)電控制無級變速器控制單元硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

夏超a，李鑫b，程越b

(重慶理工大學(xué)a.車輛工程學(xué)院;

b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400054)

介紹了基于LABCAr硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的搭建方法及系統(tǒng)調(diào)試方法。以機(jī)電控制無級變速器控制單元為測試對象，通過對TCU的需求分析，搭建了基于LABCAR測試平臺的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足TCU基本功能、控制策略、故障診斷的測試要求，同時具備了系統(tǒng)實時性、開放性和可擴(kuò)展性。

硬件在環(huán)；機(jī)電控制無級變速器；TCU；LACBCAR

采用全新技術(shù)的機(jī)電控制無級變速器(electronic-mechanical continuously variable transmission，EMCVT)拋棄了傳統(tǒng)金屬帶式無級變速器中泵、閥、液力變矩器等高能耗、高故障率和高成本的液壓系統(tǒng)，以電機(jī)、齒輪系和螺旋彈簧等組成的變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行無級調(diào)速[1-9]，實現(xiàn)汽車傳動系統(tǒng)與實際工況的最佳匹配，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率、降低整車能耗。EMCVT控制器是實現(xiàn)EMCVT與發(fā)動機(jī)最佳匹配的關(guān)鍵,實質(zhì)是通過控制離合器電機(jī)和調(diào)速電機(jī)使EMCVT具有最佳傳動效率。

硬件在環(huán)仿真測試為現(xiàn)今控制器開發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)。LABCAR是德國ETAS公司開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)[2]。它是一部虛擬的實驗室汽車，與真實的汽車一樣能接收控制器發(fā)出的控制信號，根據(jù)信號特征快速作出響應(yīng)，向控制器傳輸當(dāng)前運行狀況的信號。通過該測試系統(tǒng)可以盡早發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟硬件出現(xiàn)的不足，取代臺架及實車測試，降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期,保證了控制系統(tǒng)的安全性和功能性。

1　測試系統(tǒng)需求分析及方案確定

TCU硬件在環(huán)仿真測試?yán)肊MCVT仿真模型來表現(xiàn)實際變速器的特性，將EMCVT模型化，進(jìn)而構(gòu)建一個虛擬的測試環(huán)境，為TCU的開發(fā)、測試提供一個平臺。在該平臺上，要求能模擬車輛行駛的各種復(fù)雜工況，滿足TCU控制功能的測試需求，完全集成Matlab/Simulink，且最大程度地與已有模型或第三方模型兼容。同時要求在高速仿真時，測試人員可以通過對上位機(jī)監(jiān)控面板上的實驗參數(shù)進(jìn)行修改，實現(xiàn)變速器運行工況的改變，并且可以實時跟蹤TCU的輸出結(jié)果變化，對TCU進(jìn)行功能邏輯、控制策略、故障診斷的測試。同時，可以對TCU產(chǎn)生的各種反饋信號進(jìn)行讀取、存儲、分析。

硬件在環(huán)測試系統(tǒng)不僅要為TCU提供測試環(huán)境，還要實現(xiàn)對TCU的調(diào)試與測試。由于TCU由硬件和軟件2部分組成，因此，測試系統(tǒng)要實現(xiàn)對TCU軟件的調(diào)試和軟硬件的測試。硬件測試是在TCU測試程序的支持下，測試控制器的各個模塊硬件是否正常工作，包括MCU是否正常工作、TCU的輸入電路能否檢測到各個傳感器的輸出信號、TCU的輸出電路能否正確驅(qū)動各個執(zhí)行器、通信模塊是否能正常通訊等。軟件測試包括TCU能否正確識別各個傳感器信號所包含的信息、TCU的控制策略是否正常合理等。因此，從實際工程應(yīng)用的角度考慮，測試系統(tǒng)必須滿足系統(tǒng)的實時性、開放性和可擴(kuò)展性。

根據(jù)以上需求建立硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，完成硬件選型、線束設(shè)計、軟硬件配置、實時仿真模型的建立等系統(tǒng)搭建工作，在此基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試工作。

2　LABCAR硬件在環(huán)系統(tǒng)

LABCAR硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)如圖1所示。LABCAR系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)主要由仿真工控機(jī)、斷接盒面板、IO信號板卡箱、負(fù)載板卡箱、故障注入單元、可編程電源組成。軟件系統(tǒng)則由系統(tǒng)仿真模型、上位機(jī)操作軟件Labcar OPERATOR組成[3]。圖2為EMCVT 控制器基于LABCAR HIL系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

圖1　LABCAR硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)

圖2　LABCAR系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1硬件系統(tǒng)

1) 仿真工控機(jī)RTPC

LABCAR所用仿真工控機(jī)為運行實時操作系統(tǒng)Linux的標(biāo)準(zhǔn)PC，用來進(jìn)行仿真模型運算。

2) 斷接盒面板ES4640

ES4640的主要功能是與ECU相連，為各種信號類型提供標(biāo)準(zhǔn)的信號接口。ES4640與系統(tǒng)搭建和調(diào)試相關(guān)的接口是前面板和后面板。前面板為各種相關(guān)信號提供斷接功能，后面板為各種負(fù)載提供連接端口。前面板背面的信號端子跟ES4440連接支持故障注入功能，同時前面板背面也提供了跟板卡箱ES4100的內(nèi)部線束連接。

3) I/O信號板卡箱ES4100

ES4100板卡箱含有21個VME板卡插槽，可根據(jù)ECU信號需要靈活配置IO板卡。表1展示了VME板卡的種類。

表1　VME板卡的種類

4) 負(fù)載板卡箱ES4408

負(fù)載箱ES4408為硬件在環(huán)系統(tǒng)下的電控單元ECU測試提供電負(fù)載，包括仿真電磁閥噴油器和大量的電流源負(fù)載，而且還配有大量的上拉、下拉負(fù)載。ES4408可安裝12張負(fù)載板卡。負(fù)載箱背面安裝有以太網(wǎng)聯(lián)接接口ES4408CON，用戶通過此接口對負(fù)載配置進(jìn)行控制。內(nèi)部控制器監(jiān)控所有內(nèi)部功能，便于對控制信號和參數(shù)進(jìn)行掃描。此外，ES4408配有通用電源。

5) 故障注入單元ES4440

ES4440主要用于ECU信號的電氣故障注入，可獨立使用或與硬件在環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)合使用。ES4440.1具有CAN和以太網(wǎng)接口，用于遠(yuǎn)程控制故障模擬模塊。ES4440能支持的故障類型有對地/電源/其他信號短路、斷路、虛接、漏電流等。一個故障注入單元最多支持16路高電壓和64路大電流的故障模擬。如通道數(shù)不夠，系統(tǒng)支持多個ES4440的級聯(lián)。

6)可編程電源LAMBDA 50-30

LABCAR系統(tǒng)標(biāo)配的電源是可編程直流電源LAMBDA50-30，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～50 V，電流范圍為0～30 A。系統(tǒng)主要利用電源控制板卡ES1391.1來控制直流電源的輸出，利用大電流開關(guān)板卡ES1392.1來管理各節(jié)點的供電。

2.2軟件系統(tǒng)

LABCAR上位機(jī)操作軟件主要包括用于系統(tǒng)集成和手動測試的LABCAR Operator(LCO)軟件和用于故障注入控制的Pin Control軟件。

1) LABCAR Operator軟件

LABCAR系統(tǒng)的用戶界面軟件LABCAR Operator的LCO IP用于系統(tǒng)配置工作，并和LCO EE(圖3)一起完成實驗的建立和運行。LABCAR軟件運行于裝有Windows的 PC。

LCO IP提供了系統(tǒng)用戶界面來配置LABCAR的硬件，建立模型和硬件之間的信號連接，并生成測試代碼，下載到RTPC中執(zhí)行。用于CAN總線模擬的配置工作也用這個軟件完成。該模型的硬件配置嚴(yán)格分離，確保各個項目的高度可重用性。

LCO EE提供了測試執(zhí)行的用戶界面。該界面實現(xiàn)了實驗和圖形用戶界面、集成的參數(shù)和數(shù)據(jù)管理、代碼下載、實驗執(zhí)行、實時信號產(chǎn)生和測量數(shù)據(jù)記錄，以及信號管理等功能。

圖3　LCO EE

LABCAR的實驗環(huán)境可以顯示CAN報文的特殊圖形用戶界面。在模擬過程中，信息信號值的簡單操作通過圖形界面顯示，可輸入值為十進(jìn)制或十六進(jìn)制。同時 LABCAR插件NIC提供了定制的C代碼在CAN消息發(fā)送和接收程序的可能性。

2) Pin Control軟件

LABCAR-Pin Contro為ES4440的上位機(jī)軟件，具有方便用戶使用的接口，可實現(xiàn)ES4440的手動操作。軟件可實現(xiàn)的功能如下：① 創(chuàng)建并管理故障模式，產(chǎn)生ECU信號的一系列故障;② 簡化故障仿真信號的選取;③ 設(shè)置故障產(chǎn)生的時間;④ 通過點擊鼠標(biāo)來觸發(fā)故障;⑤ 設(shè)置多臺ES4440同時使用;⑥ 提供自動化測試的API接口。

3) ECU線束設(shè)計

ECU線束設(shè)計是系統(tǒng)供電、模數(shù)信號傳輸、通訊傳輸?shù)臉蛄骸＞€束繁多雜亂，所以對線束的設(shè)計尤為重要。ECU與LABCAR的線束連接如圖4所示。

線束設(shè)計的基本原則：① 根據(jù)ECU確定是否制作一條線束，或制作分段式線束；② 評估ECU工作電流，合理分配供電節(jié)點，注意常電、主繼電器、各節(jié)點的連接關(guān)系；③ 轉(zhuǎn)速傳感器的通道選擇與ECU處理轉(zhuǎn)速的方式有關(guān)，根據(jù)需要可選擇ES1335通道和ES1321通道；④ 角位移傳感器的通道通常選擇DA通道；⑤ 換擋器輸出的通道通常選擇DO通道；⑥ 電機(jī)控制信號的通道選擇與是否外接負(fù)載有關(guān)，如果外接負(fù)載，需選擇與LOAD1-LOAD8對應(yīng)的通道，如果不外接負(fù)載，可任意選擇DI通道連接；⑦ 需要考慮DI/DO信號參考的選擇和連線。

圖4　線束連接

2.3LABCAR系統(tǒng)配置

LABCAR系統(tǒng)配置的主要任務(wù)是在硬件系統(tǒng)完成搭建和連線正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件配置，保證各通道信號按照設(shè)計需求與ECU正常交互。 LABCAR-RTC是LCO軟件中進(jìn)行硬件模塊集成和配置的插件，RTIO編輯器是該插件在LCO軟件中的用戶編輯界面。

表2列出了本項目硬件系統(tǒng)中配置的部分I/O板卡類型和功能。以下對本項目系統(tǒng)部分板卡功能及配置作簡要說明。

1) ES1391電源控制板卡

Pwrctrl用于電源控制。ES1391最多支持2個通道的電源控制。由于硬件系統(tǒng)使用的是Delta電源，根據(jù)電源類型只能選擇Other Power Supply Types。除此以外，根據(jù)需要限制輸出電壓和輸出電流。

Swctrl用于對ES1392的節(jié)點開關(guān)控制。DigOutCtrl_0-DigOutCtrl_4為電源節(jié)點的使能標(biāo)志，根據(jù)Spec定義， DRVPA和DRVPB由主繼電器控制，而ES1392內(nèi)置繼電器可作主繼電器功能。

2) ES1321數(shù)字/PWM信號輸入/出板卡

ES1321信號連接關(guān)系如表3所示，其中：輸入信號有2種類型：數(shù)字輸入和占空比輸入；輸出信號有2種類型：數(shù)字輸出和頻率輸出。每塊ES1321板卡為輸入和輸出分別提供2路參考。

表2　系統(tǒng)板卡配置

表3　ES1321信號連接關(guān)系

ES1321-In-HW-Globals用于數(shù)字信號高低電平配置。在配置過程中：Threshold主要定義數(shù)字/PWM信號高低電平轉(zhuǎn)化的門檻值； Threshold設(shè)置支持手動設(shè)置電壓值。Threshold設(shè)置需根據(jù)實際ECU信號決定，可通過示波器顯示的信號作為判斷依據(jù)。

ES1321-In-Meas-Signals用于數(shù)字信號測量對象的選擇，在配置過程中，Measurement Procedure為測量對象選擇，如果是數(shù)字信號，則應(yīng)選擇Level(Active High)或者Level(Active Low)；如果是PWM信號，則應(yīng)選擇Duty Cycle L或Duty Cycle H。

ES1321-Out-DigPWM-Signals 用于數(shù)字/PWM輸出信號配置，在配置過程中：Output Usage為輸出信號選擇；Hardware Update為PWM信號輸出更新方式選擇； Cycle End對PWM信號的更改只在當(dāng)前PWM信號當(dāng)前周期完成后發(fā)生。

3) PB4350DAC 模擬信號輸出板卡

在配置過程中，PB4350DAC-Signals Data用于硬件通道基本配置。DAC通道如選擇Internal Reference，有信號發(fā)生時Data中實時顯示的數(shù)值為電壓值；DAC通道如選擇External Reference，則通道的參考電壓為ECU提供的外接參考，信號發(fā)生時Data中實時顯示的數(shù)值為相對于參考電壓的百分?jǐn)?shù)。

3　實時仿真模型

在HIL測試中，仿真模型的精度直接決定了測試結(jié)果的有效性．如果模型過于簡單，則無法反映車輛動力學(xué)的真實特性；模型過于復(fù)雜則會影響其計算速度，仿真結(jié)果也較難收斂。

基于人-車-路的仿真模型如圖5所示，包括駕駛員模型、環(huán)境模型以及車輛模型。其中：駕駛員模型(driver)用于模擬加速、剎車、換擋、停車等操作；環(huán)境模型(environment)用于模擬車輛行駛時的溫度、壓力、坡度等因素；車輛模型(vehicle)由發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、車輛動力學(xué)、輔助機(jī)構(gòu)四大子模型組成[4]。本項目在已有模型的基礎(chǔ)上，根據(jù) EMCVT HIL測試系統(tǒng)要求，對該模型進(jìn)行適當(dāng)剪裁，基于Matlab/Simulink在傳動系統(tǒng)模型中增加EMCVT模型，建立EMCVT控制器硬件在環(huán)測試所需的仿真模型。

圖5　基于人-車-路的仿真模型

4　系統(tǒng)集成調(diào)試及工況測試

系統(tǒng)集成調(diào)試是在系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)調(diào)試和閉環(huán)調(diào)試，驗證傳感器、執(zhí)行器、接口模塊功能，以及控制器基本功能和基本控制策略。

4.1系統(tǒng)調(diào)試方法

開環(huán)激勵驗證傳感器和執(zhí)行器功能。在模型中設(shè)置物理值，用標(biāo)定軟件監(jiān)控ECU讀取值進(jìn)行比對。ECU設(shè)置占空比和數(shù)字量，在LCO EE中讀取進(jìn)行比對。

在Simulink環(huán)境中手動給定電機(jī)占空比和方向，根據(jù)需要的角位移變化是否合理來判斷電機(jī)和驅(qū)動模塊的參數(shù)是否合理，比對各種參數(shù)進(jìn)行初步參數(shù)化。

編寫電機(jī)接口模塊，分析ECU控制接口和模型電機(jī)接口以確定電機(jī)方向與角位移的關(guān)系。

通過ECU激勵開環(huán)調(diào)試電機(jī)響應(yīng)，手動給定各電機(jī)的工作條件，觀察電機(jī)響應(yīng)和角位移的運動是否合理。

閉環(huán)調(diào)試怠速穩(wěn)定和離合器磨合過程，觀察速比變化時的跟隨性。

4.2系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

開環(huán)激勵驗證傳感器和執(zhí)行器功能。以離合器錐盤位置為例，它是通過錐盤位置角位移傳感器進(jìn)行測量的，在本次測試中，通過比較模型輸出值、板卡輸出值、TCU測量值這3個數(shù)據(jù)來驗證TCU測量信號的偏差。表4給出了離合器錐盤位置信號的測試結(jié)果，從表中可以看出：TCU測量值的偏差很小，在允許范圍(0.07 V)之內(nèi)；TCU能準(zhǔn)確地識別讀取傳感器信號值，對傳感器信號的采集正常。

表4　離合器錐盤位置信號測試結(jié)果

在調(diào)試過程中，出現(xiàn)電機(jī)方向和角位移判斷不對的情況。通過開環(huán)激勵的方式修正后解決問題。發(fā)動機(jī)出怠速后，調(diào)速時輸出扭矩超限導(dǎo)致模型卡死，只有在每個模塊中限制扭矩輸出，不考慮慣性扭矩。簡化離合器磨合計算，將扭矩線性化提升進(jìn)出怠速魯棒性。

4.3系統(tǒng)工況測試

EMCVT硬件在環(huán)測試系統(tǒng)主要對離合器以及調(diào)速機(jī)構(gòu)的功能進(jìn)行驗證。系統(tǒng)通過循環(huán)工況測試，采集所需信號輸出結(jié)果，分析離合器的結(jié)合情況，主要包括是否出現(xiàn)起步結(jié)合抖動等問題。分析調(diào)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速情況，如加減速時速比跟隨性是否滿足要求、車速跟隨是否良好等，從而完成控制單元的功能驗證。

本項目使用ECE2循環(huán)工況，通過LABCAR操作軟件導(dǎo)入到測試系統(tǒng)中，將駕駛員操作模式從手動切換到自動模式，選定所需測試循環(huán)工況。系統(tǒng)將根據(jù)循環(huán)工況所設(shè)定的速度作為目標(biāo)車速輸入，再通過模型計算以及EMCVT控制單元的調(diào)速功能完成循環(huán)工況的模擬試驗。

圖6為調(diào)試之后進(jìn)行工況試驗的測試效果。采集了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)車速、實際車速、CVT速比等數(shù)據(jù)。從測試結(jié)果來看，發(fā)動機(jī)出怠速時轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，魯棒性較差，通過簡化離合器磨合計算和扭矩線性化可以改善這一問題。實際車速與目標(biāo)車速跟隨性良好，速比調(diào)節(jié)滿足實際要求。該硬件在環(huán)測試系統(tǒng)滿足EMCVT控制單元基本功能的測試要求。

圖6　測試效果

5　結(jié)束語

為了滿足對機(jī)電控制無級變速器控制單元測試要求、驗證其硬件與控制算法功能的有效性和可靠性，搭建了機(jī)電控制無級變速器控制單元硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。

利用機(jī)電控制無級變速器控制單元硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明：所搭建的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)能滿足控制單元軟硬件的實時驗證及優(yōu)化控制要求,為變速器電子控制單元的開發(fā)提供了很好的仿真測試平臺。

下一步可結(jié)合LABCAR的故障注入功能，完善TCU的故障診斷測試，為其產(chǎn)品化奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Hardware in the Loop Test System of Transmission Control Unit for Electronic-Mechanical Continuously Variable Transmission

XIA Chaoa, LI Xinb, CHENG Yueb

(a.College of Vehicle Engineering; b.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts, Ministry of Education， Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

This article focused on the building method and the system debugging method based on LABCAR hardware in the loop test system. As the test object of electronic-mechanical continuously variable transmission control unit, the hardware in the loop test system based on LABCAR test platform will be built according to requirements analysis of TCU. This system meets the demands of TCU’s basic functions test, control strategy test and fault diagnosis test. Meanwhile, it posses the characteristics of real-time, openness and extensiveness.Key words：hardware in the loop; electronic-mechanical continuously variable transmission; TCU; LACBCAR

2016-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275549)

夏超(1991—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事車輛傳動系統(tǒng)及其控制研究，E-mail：523869820@qq.com。

format：XIA Chao, LI Xin, CHENG Yue.Hardware in the Loop Test System of Transmission Control Unit for Electronic-Mechanical Continuously Variable Transmission[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):18-25.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.003

U463

A

1674-8425(2016)09-0018-08

引用格式：夏超，李鑫，程越.機(jī)電控制無級變速器控制單元硬件在環(huán)測試系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(9):18-25.