基于硬件在環(huán)系統(tǒng)的液力自動(dòng)變速器控制策略開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

摘要：通過(guò)硬件在環(huán)系統(tǒng)對(duì)液力自動(dòng)變速器液力變矩器解閉鎖控制策略進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，應(yīng)用Simulink/Stateflow進(jìn)行控制策略的建模仿真，生成代碼集成到控制器硬件，搭建HIL系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，通過(guò)HIL系統(tǒng)仿真實(shí)車(chē)運(yùn)行環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，此方法可以縮短開(kāi)發(fā)周期、有效地節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：液力自動(dòng)變速器；液力變矩器；硬件在環(huán)系統(tǒng)；Simulink/Stateflow；測(cè)試驗(yàn)證

目前控制器開(kāi)發(fā)的主流模式為基于模型的開(kāi)發(fā)方式，在基于模型的開(kāi)發(fā)模式中，硬件在環(huán)仿真是被廣泛應(yīng)用和推薦的測(cè)試驗(yàn)證方法之一。

硬件在環(huán)系統(tǒng)（Hardware-In-The-Loop，簡(jiǎn)稱HIL），是將真實(shí)的控制器連接模擬的被控對(duì)象對(duì)控制器進(jìn)行全面測(cè)試，是一種低成本但高效的測(cè)試驗(yàn)證方法。

本文通過(guò)Simulink/Stateflow對(duì)液力自動(dòng)變速器液力變矩器解閉鎖控制邏輯進(jìn)行模型建模、仿真，并將生成代碼集成后刷寫(xiě)到TCU硬件，最后通過(guò)硬件在環(huán)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

HIL系統(tǒng)介紹

HIL測(cè)試是一種通過(guò)搭建仿真環(huán)境，對(duì)電控單元進(jìn)行功能、系統(tǒng)集成、通信及故障測(cè)試的方法。HIL仿真環(huán)境讓被測(cè)控制器“感覺(jué)”自己工作在實(shí)車(chē)環(huán)境中，并且被測(cè)控制器與模擬器構(gòu)成完整的控制閉環(huán)。HIL系統(tǒng)如圖1所示。

HIL測(cè)試可以使測(cè)試提前到開(kāi)發(fā)的早期階段，從而大大提升產(chǎn)品的技術(shù)成熟度，并相應(yīng)縮減測(cè)試所需要的時(shí)間及資金成本。HIL系統(tǒng)可以仿真所有仍處于開(kāi)發(fā)之中的被控對(duì)象，如發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輛及其他控制單元，與被測(cè)控制單元交互，從而進(jìn)行測(cè)試。另一方面，HIL測(cè)試可以將相當(dāng)一部分測(cè)試從臺(tái)架或者實(shí)車(chē)測(cè)試平臺(tái)遷移到虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)，從而使所有測(cè)試場(chǎng)景參數(shù)的靈活設(shè)置變?yōu)榭赡堋?/p>

HIL系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：

1）在開(kāi)發(fā)的早期階段就可以提升控制器軟件質(zhì)量。

2）縮短產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間。

3）可以在安全的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行極端測(cè)試，實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化，支持回歸測(cè)試。

4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的故障注入測(cè)試，有助于質(zhì)量控制。

液力自動(dòng)變速器系統(tǒng)介紹

液力自動(dòng)變速器是目前商用車(chē)中應(yīng)用較為廣泛的自動(dòng)變速器之一，主要由液力變矩器、行星齒輪組、液壓系統(tǒng)及電控單元組成。電控系統(tǒng)接收傳感器、報(bào)文及硬線信號(hào)，根據(jù)控制邏輯控制離合器的結(jié)合和釋放實(shí)現(xiàn)行星排機(jī)構(gòu)不同的組合方式，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛行駛過(guò)程中的變速和變矩。

液力自動(dòng)變速器變速穩(wěn)定、換擋平穩(wěn)，能夠有效提高車(chē)輛的乘坐舒適性及可靠性；其不足之處在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳遞效率低、油耗高。因此，對(duì)匹配液力自動(dòng)變速器的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)尤為重要。

其中，液力變矩器主要由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪及單向離合器組成。液力變矩器將動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳遞給變速器輸入軸，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間提供平穩(wěn)傳遞轉(zhuǎn)矩的液力連接。液力變矩器構(gòu)成如圖2所示。

液力變矩器主要作用為柔性連接，平緩起步，起步過(guò)程中增扭，泵輪和渦輪速差變小后，鎖止提高傳遞效率。因此，液力變矩器的性能對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有至關(guān)重要的作用。

液力變矩器解閉鎖控制邏輯

車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，因此變矩器的解鎖、閉鎖邏輯需要綜合考慮各種情形以覆蓋車(chē)輛運(yùn)行工況，同時(shí)根據(jù)液力變矩器的特性設(shè)計(jì)如下解閉鎖控制邏輯 。

液力變矩器閉鎖控制邏輯如圖3所示。液力變矩器變矩時(shí)有增扭作用，但此時(shí)傳遞效率低。因此，結(jié)合液力變矩器特性曲線，并考慮不同擋位設(shè)置不同邏輯，通過(guò)當(dāng)前擋位與最小閉鎖擋位比較設(shè)置不同的閉鎖點(diǎn)。

液力變矩器解鎖控制邏輯如圖4所示，通過(guò)當(dāng)前擋位與最小閉鎖擋位，比較設(shè)置不同的解鎖點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)是否處于換擋過(guò)程中，設(shè)置不同解鎖點(diǎn)。另外，還需要考慮車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，緊急制動(dòng)時(shí)需要解鎖。因此，需要增加緊急制動(dòng)解鎖邏輯。

液力變矩器控制策略開(kāi)發(fā)及HIL系統(tǒng)驗(yàn)證

1.液力變矩器控制策略開(kāi)發(fā)

基于前文描述的液力變矩器控制需求，通過(guò)Simulink/Stateflow對(duì)液力變矩器解閉鎖控制邏輯進(jìn)行建模仿真，最后將控制模型生成代碼，并與控制器底層代碼集成，刷寫(xiě)到控制器硬件。

2.HIL系統(tǒng)實(shí)施

將變速器控制器TCU與模擬被控對(duì)象的HIL系統(tǒng)連接起來(lái)，在實(shí)時(shí)環(huán)境下，對(duì)TCU控制功能進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。

被控對(duì)象的物理模型建模，閉環(huán)測(cè)試模型基于Matlab/Simulink搭建，模型包括被控對(duì)象模型和IO模型，模型架構(gòu)如圖5所示。

閉環(huán)模型主要包括如下幾個(gè)模塊：

1）Engine模塊，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模型和發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型。

2）Drivertrain模塊，包括變速器控制器模型和變速器本體模型，因此此測(cè)試是液力自動(dòng)變速器控制器閉環(huán)測(cè)試，模塊中包括了真實(shí)變速器控制信號(hào)。

3）VehicleDynamic模塊，包括整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型以及相關(guān)控制策略模型，以及車(chē)輛基本屬性配置。

4）Driver模塊，包括駕駛員相關(guān)信號(hào)的選擇和計(jì)算。

5）Environment模塊，包括車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境的初始化模型，如溫度、海拔、坡度及風(fēng)速等。

6）DomainControl模塊，包括車(chē)輛鑰匙起動(dòng)信號(hào)的控制與解析。

7）Simulator模塊，包括所有硬件IO和CAN總線通信的配置和解析。

3.試驗(yàn)管理

為方便測(cè)試及分析、管理測(cè)試結(jié)果，需搭建測(cè)試主控界面，主要包括儀表界面（用于提供車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、里程及擋位等信號(hào)的顯示）、駕駛員操作界面（提供形象化的鑰匙、加速踏板、制動(dòng)踏板及換擋手柄的操作等）。另外，可以根據(jù)具體需求增加需要顯示的內(nèi)容，試驗(yàn)管理界面如圖6所示。

4.控制策略測(cè)試驗(yàn)證

編寫(xiě)測(cè)試用例通過(guò)主控界面模擬車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程，驗(yàn)證液力自動(dòng)變速器液力變矩器的控制策略，采集運(yùn)行車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液力自動(dòng)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、液力自動(dòng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、擋位、解閉鎖控制信號(hào)及閉鎖離合器等信號(hào)，進(jìn)行控制測(cè)試的測(cè)試分析。本文以解鎖為例，通過(guò)HIL系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的分析驗(yàn)證。

1）車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試設(shè)備模擬ABS激活信號(hào)，當(dāng)TCU接收到ABS激活信號(hào)使立即觸發(fā)解鎖命令，解鎖離合器釋放，如圖7所示，測(cè)試通過(guò)。

2）當(dāng)前擋位不等于最小閉鎖擋位時(shí)，解鎖轉(zhuǎn)速為低怠速加250r/min，通過(guò)HIL系統(tǒng)模擬變速器處于4擋車(chē)輛滑行工況，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速降到低于900r/min且持續(xù)50ms時(shí)，觸發(fā)解鎖命令如圖8所示，測(cè)試通過(guò)（其中發(fā)動(dòng)機(jī)低怠速為650r/min）。

3）當(dāng)前擋位等于最小閉鎖擋位3擋時(shí)，通過(guò)HIL設(shè)備模擬變速器處于3擋車(chē)輛滑行工況。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速低于解鎖點(diǎn)轉(zhuǎn)速（1060r/min）且持續(xù)50ms后，觸發(fā)解鎖命令，如圖9所示，測(cè)試通過(guò)。

結(jié)語(yǔ)

本文采用Simulink/Stateflow進(jìn)行液力自動(dòng)變速器液力變矩器控制邏輯建模仿真集成；搭建HIL系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，包括物理模型及IO模型，創(chuàng)建試驗(yàn)管理界面；將控制器連接HIL系統(tǒng)，通過(guò)HIL系統(tǒng)模擬整車(chē)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)的液力變矩器解閉鎖邏輯進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)仿真結(jié)果分析控制策略的可行性，通過(guò)此方法可以縮短開(kāi)發(fā)周期、有效地節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量。

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