AT硬件在環(huán)平臺(tái)搭建

李宇航 張國(guó)光 喻 凡 梅近仁

（1.上海交通大學(xué)汽車(chē)工程研究所；2.上海汽車(chē)聯(lián)合電子有限公司）

1 前言

TCU的邏輯功能驗(yàn)證是在TCU開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常重要的一環(huán)。盡管實(shí)車(chē)道路測(cè)試是最具可靠性的方法，但是硬件在環(huán)仿真測(cè)試越來(lái)越多的參與到TCU開(kāi)發(fā)中，尤其是在TCU前期的功能驗(yàn)證中。這主要是由于硬件在環(huán)仿真平臺(tái)有如下優(yōu)點(diǎn)：使功能驗(yàn)證的過(guò)程簡(jiǎn)單，這就意味著減少成本和縮短開(kāi)發(fā)周期；此外還能減少極端工況下的潛在危險(xiǎn)。

聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司（UAES）已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）開(kāi)發(fā)中廣泛使用了硬件在環(huán)仿真，并有較為精確的汽油機(jī)模型。在此基礎(chǔ)上，本文將介紹如何在已有的汽油機(jī)硬件在環(huán)平臺(tái)上搭建供TCU開(kāi)發(fā)的仿真平臺(tái)。首先，建立了六檔自動(dòng)變速器的模型，并與已有的汽油及整車(chē)模型集成，再與Labcar硬件在環(huán)系統(tǒng)集成以后，進(jìn)行了模擬仿真和實(shí)車(chē)道路測(cè)試。最終對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明本仿真平臺(tái)在用于TCU開(kāi)發(fā)。

2 建模

2.1 傳動(dòng)系建模

毫無(wú)疑問(wèn)，要建立AT硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，必須要有較為精確的傳動(dòng)系模型。由于已有的汽油機(jī)整車(chē)模型中的傳動(dòng)系模型過(guò)于簡(jiǎn)單，不能滿足TCU開(kāi)發(fā)的需要，因此需要搭建變速箱模型，并且此模型要與已有的Simulink車(chē)輛模型集成。

本文采用AMESim軟件來(lái)搭建變速箱模型，AMESim采用可視化、模塊化的建模方式，并且對(duì)于其中的每個(gè)模塊已經(jīng)處理好了邊界條件，因此大大提高了工作效率。此外，通過(guò)AMESim實(shí)時(shí)代碼生成功能，就可以生成目標(biāo)平臺(tái)所需要的實(shí)時(shí)代碼。

圖1所示為AMESim建立的傳動(dòng)系模型。圖中每個(gè)圖標(biāo)均表示一個(gè)傳動(dòng)系的模塊，如液力變矩器和離合器，此外還添加了一個(gè)能與Matlab/Simulink集成的接口。表1則表示離合器和制動(dòng)器狀態(tài)與變速箱所處檔位之間的關(guān)系。K1、K2、K3指離合器，B1、B2指制動(dòng)器，F(xiàn)則表示單向離合器。

圖1 AT傳動(dòng)系模型Fig.1 AT Driveline model

表1 檔位與離合器狀態(tài)Table1 Gear and clutch status

從圖1中可以看出，關(guān)于變速箱結(jié)構(gòu)部分建模詳細(xì)，而輪胎等模塊做了簡(jiǎn)化。由于實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)計(jì)算能力有限，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，保證其在仿真步長(zhǎng)小于1ms時(shí)不發(fā)散。因此，對(duì)此模型1－6順序升檔過(guò)程進(jìn)行了仿真（液力變矩器始終閉鎖）。圖2和圖3分別指示離合器控制信號(hào)和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的控制信號(hào)；圖4指示1－6順序升擋過(guò)程中變速箱輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速；圖5則指示換擋過(guò)程中離合器傳遞扭矩的大小。

圖2 離合器控制信號(hào)Fig.2 Clutch control signal

圖3 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度Fig.3 Opening degree of Throttle

由圖4和圖5可以看出，1－6順序升檔過(guò)程中，輸出轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)小的“凹坑”，這是由于換擋過(guò)程中離合器結(jié)合分離的疊加時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所引起的。離合器扭矩波動(dòng)也在可以接受的范圍內(nèi)，因而，建立的模型能夠反映實(shí)際變速箱的換檔過(guò)程，因而可以用于實(shí)時(shí)仿真。

圖4 輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速Fig.4 Input speed and output speed

圖5 離合器扭矩Fig.5 Clutch torque

圖6 整車(chē)集成模型Fig.6 Model of Vehicle Integration

2.2 模型集成

由于已有的汽油機(jī)整車(chē)模型最核心的部分在于其發(fā)動(dòng)機(jī)部分，因此有必要將其中的傳動(dòng)系模型替換掉，用以滿足TCU開(kāi)發(fā)的需要。前文已經(jīng)提到，利用AMESim添加能與Simulink集成的接口。此外，由于使用AMESim建立液壓控制模型具有較大難度，因此對(duì)其做了簡(jiǎn)化，并在Simulink環(huán)境下來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱和整車(chē)模塊均已集成到模型中。圖中黃色圖標(biāo)則指示模型與Labcar硬件系統(tǒng)的接口。此模型可通過(guò)Matlab/Simulink的RTW生成實(shí)時(shí)代碼，下載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行仿真。

3 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)集成

3.1 硬件及軟件配置

基于Labcar系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)由軟件、硬件及信號(hào)接口組成。圖7和圖8分別表示了本硬件在環(huán)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。

軟件部分用于汽車(chē)模型的創(chuàng)建和修改，實(shí)時(shí)仿真的控制，信號(hào)的排序及硬件的驅(qū)動(dòng)。

硬件部分主要由上位機(jī)（HOST PC）、信號(hào)測(cè)量與產(chǎn)生模塊（SGMM）、實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)（RTPC）、TCU、信號(hào)采集模塊以及執(zhí)行器電磁閥等組成。

Host PC：用于實(shí)時(shí)修改汽車(chē)模型及配置硬件板卡，并下載模型至RTPC，并實(shí)時(shí)監(jiān)控模型運(yùn)行狀態(tài)；用于控制駕駛員輸入，并記錄和標(biāo)定控制器參數(shù)。由以上可知，HOST PC并不是硬件在環(huán)仿真中的一環(huán)。

SGMM：由一系列硬件板卡和接口組成。它具有以下功能：測(cè)量電磁閥電流或占空比并轉(zhuǎn)化后送給RTPC（模型）；模擬傳感器信號(hào)并傳遞給TCU硬件。

RTPC：RTPC運(yùn)行系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，并接收HOST PC發(fā)出的駕駛員信號(hào)、SGMM模擬的TCU控制信號(hào)給模型。

TCU：TCU從SGMM獲取所需的檔位、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，并經(jīng)過(guò)其算法控制輸出電磁閥所需信號(hào)。

電磁閥：電磁閥作為實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的負(fù)載。TCU和總線接口：用于TCU標(biāo)定，診斷和刷新程序，并采集CAN信號(hào)等。

Figure5 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware in a simulation platform structure

Figure6 硬件在環(huán)系統(tǒng)工作原理Fig.6 HIL system works

3.2 信號(hào)關(guān)聯(lián)及硬件板卡配置

RTPC中運(yùn)行的模型需要從HOST PC提供的駕駛員信號(hào)，和電磁閥電流、占空比等信號(hào)，并將轉(zhuǎn)速等信號(hào)輸出。這均需要配置軟硬件接口。

由前文可知，Labcar軟件為Simulink提供了與Labcar硬件的接口。圖4中所示黃色圖標(biāo)則是模型與Labcar硬件的接口。需要將其與硬件板卡的各個(gè)通道相連。只有硬件板卡配置正確，并且各個(gè)信號(hào)做了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)才能開(kāi)始仿真并驗(yàn)證。

4 測(cè)試和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所搭建的硬件在環(huán)平臺(tái)的有效性，需要將仿真測(cè)試和實(shí)車(chē)測(cè)試的結(jié)果比較。眾所周知的是，硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的一個(gè)重要功能就是重現(xiàn)實(shí)車(chē)測(cè)試的工況。具體過(guò)程就是在實(shí)車(chē)上測(cè)試1－6升檔和6－1降檔，并記錄節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、換檔手柄信號(hào)和剎車(chē)信號(hào)，再將其所為仿真測(cè)試的輸入，測(cè)試相應(yīng)輸入下仿真測(cè)試的結(jié)果。

如圖7所示為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和剎車(chē)踏板輸入，由于剎車(chē)扭矩不是UAES公司TCU的一個(gè)控制參數(shù)，因此圖7所示的剎車(chē)踏板輸入只能指示是否有剎車(chē)動(dòng)作，而不能表示剎車(chē)扭矩的大小。這也間接導(dǎo)致了兩者剎車(chē)降檔過(guò)程的較大區(qū)別。

圖8為在相同的駕駛員輸入下，變速箱的換檔過(guò)程，其中8指示的是空擋。

圖7 駕駛員輸入信號(hào)Fig.7 Driver input signal

圖8 換檔曲線Fig.8 Curve of Shifting

由于仿真模型精度有限，并與實(shí)車(chē)有一定的差別，導(dǎo)致變速箱輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速也不一樣，這也間接導(dǎo)致了換檔過(guò)程的區(qū)別。圖9和10分別指示的是仿真測(cè)試和實(shí)車(chē)測(cè)試的變速箱輸入轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）和輸出轉(zhuǎn)速。由圖中可知，數(shù)據(jù)記錄的起點(diǎn)時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)。圖11指示的則是由EMS得到的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

由以上結(jié)果對(duì)比可知，硬件在環(huán)仿真和實(shí)車(chē)測(cè)試的換檔過(guò)程具有相似性。輸出轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)也在可以承受的范圍。因而，此為六檔自動(dòng)變速器搭建的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)能夠運(yùn)行穩(wěn)定，并用于TCU開(kāi)發(fā)。

圖9 輸入轉(zhuǎn)速Fig.9 Input speed

圖10 輸出轉(zhuǎn)速Fig.10 Output speed

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩Fig.11 Indicated torque of the Engine

5 結(jié)論

本文深入研究了基于硬件Labcar系統(tǒng)和已有的汽油機(jī)整車(chē)模型，建立了適用于TCU開(kāi)發(fā)的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。首先，建立了能與已有車(chē)輛模型集成的傳動(dòng)系模型，并與已有硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成，并驗(yàn)證了模型的有效性。然后，進(jìn)行了實(shí)車(chē)測(cè)試和仿真測(cè)試，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能夠模擬變速箱工作的某些工況，能夠用于TCU開(kāi)發(fā)和邏輯功能驗(yàn)證。

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