基于ASAP3協(xié)議的變速器臺架試驗系統(tǒng)搭建

那天明

(上海汽車變速器有限公司檢測中心,上海 201800)

0 引言

文中所指自動變速器為廣義自動變速器，包括AT(Automatic Transmission)、DCT(Dual Clutch Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automatic Machincal Transmission)等；文中所指新能源變速器為廣義新能源變速器，包括一般HEV(Hybrid Electric Vehicle)變速器、BEV(Battery Electric Vehicle)變速器、FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)變速器、搭載電機的純電動減速箱總成，以及近期提出的DHT(Dedicated Hybrid Transmission)概念變速器等。目前自動變速器和新能源變速器的控制器根據(jù)不同企業(yè)和標準的定義，定義名稱不同。有只控制變速器換擋策略的TCU(Transmission Control Unit)，有電換擋控制器SCU(Shift Control Unit)，有電離合控制器CCU(Clutch Control Unit)，有控制整個混合動力系統(tǒng)策略的HCU(Hybrid Control Unit)，有用于純電動動力總成控制策略的VCU(Vehicle Control Unit)等；根據(jù)不同網(wǎng)絡和控制框架定義，有的某個控制器集成其他控制器，例如多數(shù)混動控制器HCU集成TCU功能，或TCU作為HCU的下位機控制器。文中將所有變速器控制器暫以TCU代稱。

自動變速器和新能源變速器日益成為國內(nèi)多數(shù)變速器公司的核心發(fā)展方向，尤其是新能源變速器更是在近幾年內(nèi)雨后春筍般地興起，并蓬勃發(fā)展，隨著各公司開展TCU自主研發(fā)、PEB(Power Electric Board)自主研發(fā)、混合動力3E(E-Park、E-Shift、E-Clutch)自主研發(fā)、DHT自主研發(fā)、E-DCT等新能源擴展變速器自主研發(fā)，多數(shù)傳統(tǒng)試驗臺架已無法滿足多變的試驗工況和變速器控制要求，在臺架安全保護與樣件早期失效的保護上、在臺架運行數(shù)據(jù)與樣件數(shù)據(jù)的采集上、在被試件與臺架的數(shù)據(jù)交互聯(lián)動上都遇到了瓶頸。目前國內(nèi)多數(shù)變速器開發(fā)公司采取的方式方法為購買國外昂貴的開放性定義試驗系統(tǒng)設備，或根據(jù)不同項目向供應商定制特定功能，或花大精力開發(fā)臺架版TCU，這樣不僅耗時長、通用性差，時間成本和預算成本也大幅增加。

1 ASAP3協(xié)議框架

ASAP3協(xié)議(現(xiàn)已更名為ASAM-MCD-3MC，由于行業(yè)內(nèi)普遍認同原名稱，文中暫沿用)是自動測量系統(tǒng)標準化協(xié)會定義的一個標準，最初由知名歐洲汽車公司成立的標準化組織ASAP(Standardization of Application Calibration Systems Task Force)發(fā)展而來，已逐漸被世界各大汽車公司所采用[1]。

1.1 ASAP3協(xié)議驅(qū)動控制框架

ASAP3是以Ethernet或RS232為物理通信介質(zhì)定義的一套遠程控制標定應用層協(xié)議[2]。圖1為典型ASAP3協(xié)議控制驅(qū)動樣件邏輯圖。INCA標定系統(tǒng)可通過XCP或CCP等協(xié)議讀取或同步標定TCU中關注變量的值，而遠程控制PC可通過ASAP3協(xié)議控制或讀取INCA標定系統(tǒng)中相應變量的值，由此達到間接控制或采集TCU關注變量的目的。

圖1 典型ASAP3協(xié)議控制驅(qū)動邏輯圖

由于INCA標定系統(tǒng)更專注于變速器標定量的監(jiān)控和控制，它有強大的數(shù)據(jù)采集和標定通信模塊。然而，另一方面其自動化差、對外通用軟件接口有限、二次開發(fā)性差，臺架試驗系統(tǒng)在關注變速器標定量的同時，還需關注臺架本身的控制以及數(shù)據(jù)采集。ASAP3協(xié)議恰好解決了這一問題。當控制PC通過ASAP3協(xié)議發(fā)送命令消息，INCA標定系統(tǒng)接收指令，并執(zhí)行動作。當控制PC通過ASAP3協(xié)議請求一個測量信號時，INCA標定系統(tǒng)將進行數(shù)據(jù)獲取，然后轉發(fā)給控制PC。

1.2 ASAP3協(xié)議語法結構

ASAP3協(xié)議定義了豐富的命令結構，包括初始化函數(shù)、參數(shù)配置系列函數(shù)、標定量表格處理系列函數(shù)、數(shù)采和記錄系列函數(shù)等。這些函數(shù)可有效完成遠程變量標定、變量采集等功能。圖2為ASAP3協(xié)議一般語法順序，控制PC作為Master主控向 Slave從控INCA標定系統(tǒng)發(fā)送特定指令, INCA標定系統(tǒng)收到指令后會進行確認,如收到指令有問題,INCA標定系統(tǒng)會返回錯誤狀態(tài),如正確,INCA系統(tǒng)會根據(jù)控制PC請求答復相應請求量。

圖2 ASAP3協(xié)議一般語法順序

針對臺架試驗系統(tǒng)的控制標定和數(shù)采的需求，最常用到ASAP3協(xié)議中的獲取變量值(命令代碼19)和標定變量命令(命令代碼15)。圖3為ASAP3協(xié)議臺架遠程控制標定常用命令結構，首先進行初始化連接，然后Master系統(tǒng)識別，選取對應標定變量文件。針對數(shù)采需求和標定需求，并行發(fā)送變量值獲取命令和標定變量指令。將該過程集成到臺架控制系統(tǒng)中，即可順利完成臺架試驗系統(tǒng)框架的搭建。

圖3 ASAP3協(xié)議臺架遠程控制標定常用命令結構

2 試驗系統(tǒng)搭建

以典型的新能源變速器為例，在原有手動變速器臺架系統(tǒng)的基礎上進行通用型新能源臺架試驗系統(tǒng)的搭建，該系統(tǒng)框架同時也適用于自動變速器。

2.1 臺架試驗系統(tǒng)整體邏輯框架

搭載電機的新能源變速器在原有手動變速器臺架系統(tǒng)硬件配置基礎上，需同時配備電池模擬器、PEB和變速器冷卻單元，必要試驗需求下，需配備功率分析儀。試驗系統(tǒng)控制上需配備INCA標定系統(tǒng)(如無數(shù)采需求，配置低成本的ETAS581和INCA軟件即可)，配置必要CAN卡，同時基于ASAP3協(xié)議和CAN協(xié)議自行編寫配置一套通用的上位機軟件就可。圖4為典型的新能源變速器完整的臺架試驗系統(tǒng)。其中擴展部分為在手動變速器臺架基礎上增加配置的部分。

圖4 基于ASAP3協(xié)議的典型新能源變速器臺架試驗系統(tǒng)

臺架原控制系統(tǒng)以CAN的方式開放臺架控制權限，包括臺架輸入輸出電機控制模式控制權限、電機轉速扭矩的控制值權限、臺架的報警和急停控制權限，以及其他一些試驗過程中需要試驗系統(tǒng)主控控制的驅(qū)動權限；同時臺架控制系統(tǒng)需通過CAN網(wǎng)絡反饋臺架實時狀態(tài)參數(shù)，包括臺架輸入輸出電機實際控制模式，臺架傳感器讀到的實際轉速、扭矩、溫度、振動、壓力等值。

試驗系統(tǒng)主控通過ASAP3協(xié)議取得標定系統(tǒng)控制權限并采集變速器相關變量實時參數(shù)，包括變速器搭載電機的工作模式，轉速扭矩控制以及實時反饋，換擋、離合器、駐車等子系統(tǒng)的控制權限及實時狀態(tài)反饋，變速器試驗過程中關注的例如電壓、電流、換擋行程位移、液壓系統(tǒng)油溫、壓力等成百上千的變量。

2.2 臺架系統(tǒng)與標定系統(tǒng)的解耦協(xié)同控制

臺架系統(tǒng)與標定系統(tǒng)控制的解耦主要包括3個部分內(nèi)容：臺架的控制與變速器控制的解耦協(xié)同，臺架參數(shù)報警急停與變速器參數(shù)報警急停的解耦協(xié)同，臺架狀態(tài)數(shù)采與變速器關注變量數(shù)采的解耦協(xié)同。這里在傳統(tǒng)臺架主控和標定系統(tǒng)的基礎上增加一套試驗系統(tǒng)主控作為整個臺架試驗系統(tǒng)的控制中樞，同時，3個節(jié)點分工合作，可以簡單有效地完成以上3個部分工作。

試驗系統(tǒng)主控根據(jù)試驗工況分別通過CAN總線和ASAP3協(xié)議分別對臺架和標定系統(tǒng)下達動作指令，臺架各子系統(tǒng)和變速器各子系統(tǒng)動作分別由臺架主控和INCA標定系統(tǒng)控制完成。同時，試驗系統(tǒng)主控通過CAN總線和ASAP3協(xié)議采集讀取臺架各子系統(tǒng)和變速器各子系統(tǒng)的最新狀態(tài)進行反饋控制。這樣，臺架系統(tǒng)和TCU可根據(jù)其自身控制邏輯和控制策略完成各自控制動作，該框架在控制上既可以使控制解耦分離，保證各自控制的完整性和真實有效性，又可同時保證兩個系統(tǒng)的協(xié)同性。圖5為試驗系統(tǒng)控制邏輯圖。

圖5 試驗系統(tǒng)控制邏輯圖

試驗系統(tǒng)的報警急停包含臺架參數(shù)報警急停與變速器參數(shù)報警急停。這里采用圖6的報警急停控制框架完成整個系統(tǒng)的報警急停處理。試驗主控報警急停系統(tǒng)檢測到變速器狀態(tài)參數(shù)有異常，它通過ASAP3協(xié)議對變速器執(zhí)行相應急停動作，同時通過CAN總線向臺架發(fā)出急停請求，由臺架主控報警急停系統(tǒng)對臺架動作進行處置。另一方面，如果臺架主控報警急停系統(tǒng)檢測到臺架監(jiān)控參數(shù)異常，它在對臺架進行報警急停操作的同時，通過CAN向試驗系統(tǒng)主控進行報警，由它對變速器進行相應動作。圖6為報警急停系統(tǒng)控制邏輯圖。

圖6 報警急停系統(tǒng)控制邏輯圖

INCA標定系統(tǒng)有強大的數(shù)采和數(shù)據(jù)分析能力，整個系統(tǒng)的數(shù)采框架可以根據(jù)圖7的配置進行，由INCA系統(tǒng)采集變速器關注參數(shù)和通過CAN總線同步傳來的臺架相關參數(shù)，臺架數(shù)采系統(tǒng)只需對傳統(tǒng)關注參數(shù)進行采集即可，無需進行額外配置。

圖7 臺架試驗系統(tǒng)數(shù)采系統(tǒng)框架圖

2.3 試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡框架

試驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡框架是搭建整個試驗系統(tǒng)的核心要素。這里以某新能源變速器換擋試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡框架搭建為例,如圖8所示：CAN1網(wǎng)絡對應傳統(tǒng)整車動力CAN網(wǎng)絡，CAN2為整車上基于新能源控制策略開發(fā)混動CAN網(wǎng)絡，CAN3為臺架主控與試驗系統(tǒng)控制指令與臺架數(shù)據(jù)交互CAN，CAN4為電池模擬器控制CAN和數(shù)據(jù)交互CAN；Ethernet用于控制交互試驗系統(tǒng)主控與INCA標定系統(tǒng)標定數(shù)據(jù)；同時，根據(jù)整車CAN網(wǎng)絡定義，換擋控制器SCU在CAN2網(wǎng)絡上，兩個電機控制器同時在CAN1和CAN2網(wǎng)絡上。臺架主控通過RS485協(xié)議對臺架電機和冷卻系統(tǒng)進行控制，通過DAQ系統(tǒng)對臺架必要數(shù)據(jù)進行采集。為了進行整車控制策略，試驗系統(tǒng)主控需在CAN1和CAN2上模擬必要的整車信號信息，例如車速信號、油門踏板信號、BMS信號等。試驗系統(tǒng)主控通過4路CAN總線和1路Ethernet線上監(jiān)控整個試驗系統(tǒng)變量狀態(tài)，根據(jù)試驗工況對各子系統(tǒng)進行驅(qū)動，同時集成報警急停功能，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。INCA標定系統(tǒng)通過4路CAN總線完成對整個試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和記錄，完成試驗過程數(shù)據(jù)的收集工作和數(shù)據(jù)后處理工作。

圖8 一款新能源變速器換擋試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡框架圖

3 總結

該套臺架試驗系統(tǒng)架構可用于搭建絕大多數(shù)新能源變速器和自動變速器的臺架試驗，降低了對臺架原本復雜多變的要求，通用性強，TCU無需經(jīng)框架性修改，在充分利用臺架本身控制、監(jiān)控、報警急停處理能力的同時，很好地協(xié)同了對被試件狀態(tài)的控制和報警急停處理，同時充分利用INCA標定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力和分析能力，增加了試驗的有效性和可靠度，降低了對試驗系統(tǒng)主控系統(tǒng)的技術要求和開發(fā)難度。在新能源和DCT變速器的開發(fā)性試驗系統(tǒng)搭建過程中采用該架構，周期短，成本低，可靠性、通用性好，同時無需對臺架供應商開放過多項目信息，兼具保密性功能。

參考文獻:

[1]李計融,鐘再敏.車載控制器匹配標定ASAP標準綜述[J].汽車技術，2004(10)：1-4.

LI J R,ZHONG Z M.Overview of ASAP Standards for Calibration of Automotive Onboard Controllers[J].Automobile Technology,2004(10)：1-4.

[2]SCHMIDT F W.ASAP(Version 2.1.1)[M].Robert Bosch GmbH：Working Group on Standardization of Application Systems Interface Specification，1999:5-6,7-63.