AT變速器控制器硬件在環測試研究

韓璐瑤，齊華岳，曹紅艷，王德軍，韓淑芳

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261041）

由于傳統的4AT、5AT難以滿足汽車行業高性能的要求，而技術更加成熟且擁有可靠性能以及廣泛扭矩范圍的8AT則逐漸擁有市場高份額的占有率[1]。隨之而來的是更加復雜的電控系統控制策略，因此，變速器電控單元TCU的控制策略需要更合理的設計[2]。這使得TCU的邏輯功能驗證在TCU開發過程中成為非常重要的一環。盡管實車道路測試最具可靠性，但是為減少成本和縮短開發周期，硬件在環仿真測試更多地參與到TCU開發中[3]。dSPACE系統屬于目前成熟的硬件在環測試系統，可以滿足系統配置、代碼生成下載以及功能調試[4]。本文在Matlab/Simulink環境下搭建變速器物理模型，并將其編譯到HIL設備中，進行TCU控制器功能測試驗證。實驗結果表明，變速器硬件在環測試平臺能反映變速器在相應工況中的功能指標變化，有效地驗證了TCU HIL測試系統的可行性。

1 硬件在環測試原理

1.1 HIL測試原理

硬件在環仿真測試（Hardware In the Loop，HIL）是一種構建控制器真實工況，并通過軟硬件接口實現物理模型與控制器信息交互，模擬被控對象工作狀態，從而發現控制器運行過程中軟硬件缺陷的一種測試技術。

1.2 TCU控制器硬件在環測試原理

該變速器通過直驅電磁閥控制油壓和滑差控制扭矩來使其輸出所需扭矩和控制電流，8AT變速器整體控制架構如圖1所示。離合器換擋控制原理如圖2所示。

圖2 離合器換擋控制原理圖

在發動機扭矩控制模式下，TCU通過CAN通信從發動機單元模型中實時獲取當前發動機的輸出轉矩，同時控制軟件計算出變速器當前輸入扭矩，結合車速以及節氣門開度等關鍵參數，計算當前所處工況下各個離合器狀態及應該傳遞的轉矩；接著根據離合器特性等計算出離合器油缸中需要建立的控制油壓，最終進行數據修正將控制油壓轉換為控制電流，直接發送先導電磁閥控制電流值，實現電流閉環控制。

2 系統測試平臺開發

2.1 系統硬件測試平臺開發

TCU HIL閉環控制結構圖如圖3所示，其主要包含8AT變速器控制器、HIL機柜以及上位機3部分。

圖3 變速器HIL閉環控制結構圖

其中TCU為整車變速器控制器；HIL機柜包含多種板卡資源，每種板卡含有多個ADCIN、ADCOUT、DIGIN、DIOUT等通道，可以實現信號的轉換與傳輸；上位機作為測試管理界面可以實現數據的管理、標定及監測等。TCU通過CAN、Sensor等進行輸入信號解析，得到發動機轉速、發動機扭矩、車速、油門踏板開度等關鍵信息，由此進行擋位決策來確定需求目標擋位，通過扭矩分配，離合器建壓，電流顫振控制，最終得到執行器驅動電流發送給變速器物理模型進行換擋執行，換擋執行完成時同步將執行器反饋電流發送給TCU，TCU經過判斷掛擋狀態并決策當前擋位反饋給物理模型，從而實現模型閉環。

2.2 系統軟件測試平臺開發

物理模型是硬件在環測試系統中的重要組成部分，該變速器物理模型主要由發動機模型、液力變矩器模型、變速器模型、后橋至車輪的傳動整車模型組成。TCU動力系統模型建模架構如圖4所示。

圖4 TCU動力系統模型建模架構

通過數學建模的方式建立被控對象的物理模型，模擬被控對象受控的真實狀態，減少實車測試帶來的經濟成本，縮短研發周期。圖5為TCU控制器被控對象物理模型。

圖5 TCU控制器被控對象物理模型

TCU被控對象物理模型主要包括IO模型、發動機物理模型、車輛控制物理模型、車輛行走物理模型、變速器物理模型、CAN通信模型。IO模型主要通過模擬各種傳感器、開關等數據接收裝置來發送相關信號至變速器，模擬繼電器、電磁閥等數據采集裝置采集變速器信號，實現變速器等物理模型與外部工況的信息交互。通信模型主要通過CAN線將整車重要參數與物理模型進行通信，實現物理模型與控制器的參數閉環。濕式離合器是自動變速器中傳遞轉速和扭矩的最為重要的機械部件之一，換擋先導電磁閥接收TCU的顫振電流驅動信號，驅動電磁閥推動油缸中的活塞，從而實現離合器油缸建壓。離合器油缸建立起油壓后，活塞在克服回位彈簧的預緊力消除空行程后，壓緊離合器的鋼片和摩擦片后開始進行扭矩傳遞。根據濕式離合器工作原理，建立如圖6所示的濕式離合器物理建模流程圖。

圖6 濕式離合器物理建模架構圖

濕式離合器的運行工況存在3種狀態：分離狀態、滑摩狀態和結合狀態。在變速器機械系統傳動過程中，傳動的實際扭矩與工作狀態有關。本文建立離合器在3種工作狀態下的平衡方程。

1）當離合器完全分離時，離合器摩擦片不受壓力，表達式為：

2）當離合器開始結合處于滑動階段時，建立動態摩擦模型穩態，表達式為：

3）當離合器完全結合時，表達式為：

式中：FC——庫倫摩擦系數；FS——靜摩擦系數；Fv——粘滯摩擦系數；VS——摩擦模型系數；a——速度符號變化系數；u——離合器主動端與從動端的速差。

3 試驗驗證

搭建試驗平臺，對TCU硬件在環測試系統進行功能測試，驗證上述理論是否滿足TCU測試功能需求和精度需求，TCU硬件在環系統測試試驗臺架架構如圖7所示。

圖7 TCU硬件在環系統測試試驗臺架架構

首先根據TCU針腳定義進行配置，制作控制器與HIL針腳之間的連接線束。通過Configuration Desk軟件實現HIL測試設備硬件接口與軟件接口之間的信號映射，同時通過Configuration Desk軟件將搭建的變速器物理模型編譯到DS2680中，并通過網線連接DS2680和上位機，在上位機中通過Control Desk軟件監控DS2680模型內相關數據，而由于DS2680內變速器物理模型同時作為TCU被控對象，從而實現物理模型與TCU的信息閉環。

基于Control Desk 平臺的TCU監控界面如圖8所示。通過該界面實現TCU顫振電流控制、各軸軸速與離合器壓力等關鍵信號的信息監測。INCA軟件可監測TCU程序運行參數，通過分析TCU運行參數，驗證控制程序是否存在缺陷。

圖8 基于Control Desk平臺的TCU監控界面

為驗證該測試系統是否滿足測試需要，對比真實變速器臺架與HIL臺架測試數據。圖9為真實變速器臺架測試數據，擋位固定為D擋，改變油門踏板開度，測試發動機轉速、輸入軸轉速、輸出軸轉速、離合器建壓隨擋位更新情況。

圖9 真實變速器臺架測試數據

圖10為變速器HIL測試數據，擋位固定為D擋，改變油門踏板開度，測試發動機轉速、輸入軸轉速、輸出軸轉速，離合器建壓隨擋位更新情況。

圖10 變速器HIL測試數據

由試驗結果可知，與TCU真實臺架采集的軸速及建壓變化情況相比，上述TCU HIL測試系統模擬的軸速變化平穩，離合器建壓穩定，換擋平穩，存在小的誤差精度，能夠實現TCU控制策略測試驗證的功能，測試結果證明TCU HIL測試系統能滿足當前的市場需要。

4 總結

本文在Matlab/Simulink 環境下搭建8AT變速器物理模型，并將其編譯到HIL設備中，進行TCU控制器功能測試驗證。實驗結果表明，變速器硬件在環測試平臺能夠很好地反映變速器在相應工況中的功能指標變化，有效地驗證了TCU HIL測試系統的可行性。