AMT硬件在環(huán)仿真測試研究

王德軍 于雙飛 孫夢琪 畢國棟 許成林

【摘? 要】本文首先闡述基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建的傳統(tǒng)的AMT物理模型，主要包括發(fā)動機模型、離合器模型、變速器模型、車輛動力學(xué)模型等，然后基于此硬件在環(huán)系統(tǒng)驗證TCU的主要控制功能能夠滿足軟件測試需求，通過該系統(tǒng)能提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低控制器開發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】硬件在環(huán)；dSPACE；TCU；AMT

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：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)上加裝自動離合器和自動選換擋執(zhí)行機構(gòu)，具有自身傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、繼承性好等特點，且能夠改變傳動比，擴大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，使得發(fā)動機能夠工作在高效區(qū)降低油耗，在市場得到廣泛推廣[1]。但是，其在換擋過程中，離合器分離會出現(xiàn)動力中斷的現(xiàn)象，TCU對離合器控制過快過慢都會影響駕駛員感受，在調(diào)速過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速或輸入軸轉(zhuǎn)速控制不準(zhǔn)也會造成同步器或嚙合套頂齒或打齒問題[2]。本文基于dSPACE的SCALEXIO實時仿真系統(tǒng)在Matlab/Simulink搭建AMT的HIL模型，通過Configuration Desk軟件生成sdf.文件，在Control Desk軟件進行測試和驗證AMT控制功能，能夠有效加快研發(fā)進度。

1? HIL工程準(zhǔn)備

本論文以某款TCU控制器硬件在環(huán)測試為例，其電控電動執(zhí)行機構(gòu)如圖1所示，通過H橋控制選換擋電機正反轉(zhuǎn)來帶動換擋絲杠，實現(xiàn)拔叉運動，進而完成換擋動作[3]。

在搭建HIL工程時，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測試平臺搭建

搭建基于SCALEXIO系統(tǒng)的HIL測試平臺，包含有SCALEXIO Simulator、負載箱、電腦主機及所需測試的TCU。HIL測試平臺架構(gòu)如圖2所示。

SCALEXIO Simulator通過網(wǎng)線與主機相連，通過Configuration Desk軟件將在Matlab/Simulink中的HIL模型編譯生成sdf.文件，通過Control Desk軟件下載到SCALEXIO Simulator中運行。SCALEXIO系統(tǒng)相比PHS系統(tǒng)，具有龐大的節(jié)點數(shù)量和更靈活的I/O擴展能力，將I/O板卡與處理器板卡相互獨立分開，減少處理仿真模型時等待I/O輸入數(shù)據(jù)的時間。根據(jù)提供的TCU針腳定義，結(jié)合DS2680板卡的針腳搭建I/O信號列表，并通過Configuration Desk進行軟硬件接口配置來實現(xiàn)I/O信號交互。對于TCU與發(fā)動機、儀表、換擋手柄等CAN節(jié)點的報文信號，可通過RTICANMM模塊把DBC導(dǎo)入，建立CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

TCU與電腦主機通過CANape標(biāo)定設(shè)備進行相連，可實時讀取控制器中的信息，并對其進行標(biāo)定檢測來驗證相關(guān)功能，通過Control Desk可以對HIL模型進行實時標(biāo)定修改，并且仿真駕駛員不同操作來驗證TCU的換擋功能[4]。

2.2? 控制策略介紹

在搭建HIL工程時，需要熟悉TCU的控制策略，以便對TCU進行標(biāo)定來實現(xiàn)HIL閉環(huán)?？刂撇呗缘哪繕?biāo)是根據(jù)換擋手柄、鑰匙開關(guān)等信息解析駕駛員意圖，并結(jié)合發(fā)動機轉(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)，通過相應(yīng)的換擋策略控制發(fā)動機、離合器電機、選換擋執(zhí)行機構(gòu)電機等動態(tài)協(xié)調(diào)實現(xiàn)換擋功能[5]，TCU控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

首先對CAN、Sensor等進行輸入信號解析，提取出踏板開度、車速等車輛信息，然后對鑰匙位置、換擋手柄等信號進行駕駛員意圖解析，提取出R/N/D/M擋位信息，由此進行擋位決策來確定所需求目標(biāo)擋位初始值。由于在換擋過程中存在新的擋位需求，所以需要同時結(jié)合當(dāng)前換擋狀態(tài)、道路工況來識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)動機進入扭矩模式并發(fā)出選/換擋指令，換擋時需根據(jù)選/換擋指令來決定清扭、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)。擋位識別根據(jù)換擋狀態(tài)、選/換擋位置信號來確定當(dāng)前擋位，換擋控制根據(jù)換擋狀態(tài)對選/換擋電機H橋進行控制（電機正反轉(zhuǎn)和PWM）。離合器管理根據(jù)換擋狀態(tài)和離合器實際位置、發(fā)動機狀態(tài)、踏板開度來決定離合器需求位置和需求速度，離合器控制通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速來對離合器電機進行H橋控制（電機正反轉(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，進而影響軟件測試完整性。

Power模型為供電控制模型，和HIL機柜的程控電源、TCU的電池電壓、鑰匙喚醒相關(guān)。I/O模型主要是HIL機柜和TCU的硬線接口，主要為傳感器信號（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)動信號（選/換擋電機PWM、離合器電機PWM）、開關(guān)信號（2擋起步信號）、CAN信號（發(fā)動機、儀表、換擋手柄、變速器）。

物理模型包含發(fā)動機、傳動系統(tǒng)（離合器、變速器）、車輛動力學(xué)模型。發(fā)動機模型用于模擬發(fā)動機的運行狀態(tài)，其輸入信號有鑰匙上電、起動信號、發(fā)動機需求模式、需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、油門開度，通過輸入信號可以仿真發(fā)動機在待命、上電、起動中、起動完成、運行、停止中、停止等不同發(fā)動機狀態(tài)，再結(jié)合發(fā)動機的外特性，可仿真TCU對發(fā)動機控制需求，進而計算出發(fā)動機凈扭矩、發(fā)動機摩擦扭矩、發(fā)動機水溫等輸出信號。

傳動系統(tǒng)模型為整個物理模型的關(guān)鍵部分，其輸入包含離合器電機PWM、選換擋執(zhí)行機構(gòu)電機PWM、變速器當(dāng)前擋位等，輸出包含發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速計算、離合器位置計算、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速計算、輸出軸轉(zhuǎn)速計算、選換擋位置計算等[6]。

車輛動力學(xué)模型為仿真輪胎的滾動阻力、迎風(fēng)阻力、坡度阻力、加速阻力以及制動阻力，其輸入為差速器的轉(zhuǎn)速、坡度、制動開度，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)動機、離合器、變速器參數(shù)進行模型參數(shù)化，并在Matlab中進行離線運行調(diào)試，調(diào)試通過后，再通過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進行HIL模型的標(biāo)定，其閉環(huán)測試界面如圖6所示。

HIL開環(huán)調(diào)試是閉環(huán)調(diào)試基礎(chǔ)，通過對I/O和CAN報文的測試確保TCU與HIL之間信號交互無誤，從而確保控制器和被控對象之間進行正確的信號傳遞，再進行閉環(huán)調(diào)試，閉環(huán)調(diào)試核心是驗證擋位決策和換擋時序，通過調(diào)試發(fā)動機、離合器、變速器等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)，實際擋位響應(yīng)需求擋位，且離合器位置、選換擋位置和實際位置變化趨勢一致。換擋功能驗證如圖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，最后才能完成整個工程閉環(huán)調(diào)試。通過實驗結(jié)果分析，該系統(tǒng)能夠滿足軟件測試需求，基于該系統(tǒng)的軟件測試可以提前發(fā)現(xiàn)存在的問題，可大大提高研發(fā)的進度。

參考文獻：

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

[3] 楊進琦. 純電動AMT電動電控換擋執(zhí)行機構(gòu)精確控制研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2020.

[4] 蘭海龍，李萍，郭建群. 基于dSPACE平臺的AMT硬件在環(huán)測試系統(tǒng)搭建[J]. 機械工程與自動化，2020（5）：19-21.

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

[6] 徐向陽. 自動變速器電控系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2018.

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

（編輯? 凌? 波）