張炳力 董彥文 胡福建 劉宗其,2

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009 2.安徽合力股份有限公司,合肥,230022

0 引言

工程車輛采用的自動(dòng)變速技術(shù)對(duì)減輕駕駛員疲勞程度、提高車輛動(dòng)力性和減少燃油消耗有重要作用[1]。傳統(tǒng)的工程車輛自動(dòng)變速器控制器(transmission control unit,TCU)開發(fā)過程需要大量的實(shí)車試驗(yàn)，存在周期長(zhǎng)、效率低的問題,還可能由于控制算法的欠缺和錯(cuò)誤造成試驗(yàn)設(shè)備損壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)工況。本文采用基于模型的“V型開發(fā)模式”[2]開發(fā)了四速叉車自動(dòng)變速器控制器，建立了基于動(dòng)態(tài)三參數(shù)(車速、工作泵壓力和油門開度)的換擋控制策略，利用dSPACE進(jìn)行了快速控制原型和硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立的叉車自動(dòng)變速器控制模型的正確性，達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期要求。

1 快速控制原型試驗(yàn)

本文在TCU的快速控制原型(rapid control prototyping,RCP)試驗(yàn)[3-4]中,使用dSPACE作為模擬的TCU,將實(shí)車變速器作為被控對(duì)象進(jìn)行控制,TCU開發(fā)人員可以快速地對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)試以不斷改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，TCU快速控制原型的整體示意圖和試驗(yàn)實(shí)物圖分別見圖1a和圖1b，包括MicroAutoBox、實(shí)車變速器、PC機(jī)和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等。

(a)整體示意圖

(b)試驗(yàn)實(shí)物圖圖1 TCU快速控制原型圖

1.1 TCU快速控制原型建模

TCU快速控制原型整體模型包括信號(hào)輸入模型、換擋控制策略模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸出模型等部分，如圖2所示。

圖2 快速控制原型整體模型

1.1.1信號(hào)輸入模塊

在快速控制原型試驗(yàn)階段,輸入信號(hào)包括工作泵壓力、油門開度、車速、撥桿信號(hào),使用dSPACE的RTI(real-time interface)中的信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集,其中工作泵壓力信號(hào)、油門信號(hào)是模擬量信號(hào)，車速信號(hào)是脈沖信號(hào)，撥桿信號(hào)是開關(guān)量信號(hào)，它們都需要通過相應(yīng)的信號(hào)預(yù)處理和標(biāo)定后才能成為控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的信號(hào)。

1.1.2換擋控制模塊

為了動(dòng)態(tài)地反映叉車的換擋過程，提高其動(dòng)力性并降低燃油消耗和減小換擋沖擊，在叉車工作循環(huán)中，依據(jù)叉車工作泵工作壓力的不同，把叉車分為空載工況、滿載工況、半載工況3種情況[5],具體來說就是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)工作泵的工作壓力來動(dòng)態(tài)地選擇換擋規(guī)律。設(shè)工作泵滿載工作壓力為p1,空載時(shí)工作泵工作壓力為p0,則工作泵半載工作壓力p2=0.5(p1+p0),若檢測(cè)到工作泵工作壓力為p,則換擋原則如下：

(1)當(dāng)p

(2)當(dāng)p2-0.5p2≤p≤p2+0.5p2時(shí),執(zhí)行工作泵半載換擋規(guī)律；

(3)當(dāng)p>p2+0.5p2時(shí)，執(zhí)行工作泵滿載換擋規(guī)律。

為得到3種不同工況下的換擋規(guī)律曲線[6],首先繪制出不同工況下的叉車發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器聯(lián)合輸入特性和聯(lián)合輸出特性曲線；接著完成不同工況下叉車的牽引特性的計(jì)算，繪制出相應(yīng)工況下的牽引力特性曲線；最后求出不同油門開度下各擋位牽引力曲線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是最佳動(dòng)力性升擋點(diǎn)，將求得的升擋點(diǎn)在α—v(油門開度—車速)的坐標(biāo)系中畫出，即為這兩擋之間的最佳動(dòng)力性升擋曲線；然后用同樣的方法得到其他擋位最佳動(dòng)力性升擋曲線，再按照兩參數(shù)換擋規(guī)律類型進(jìn)行組合，加上一定的換擋延遲，就可以得到最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律的降擋曲線，從而得出圖3所示的以油門開度、車速和油泵壓力為控制參數(shù)的3種工況下的三參數(shù)換擋規(guī)律曲線,圖3中,1-2、2-3、3-4分別表示1擋升2擋、2擋升3擋、3擋升4擋；2-1、3-2、4-3分別表示2擋降1擋、3擋降2擋、4擋降3擋。

圖3 不同工作泵載荷下升降擋規(guī)律曲線

根據(jù)上述求出的不同工作泵載荷下升降擋規(guī)律曲線和制定的工作泵載荷劃分區(qū)間，建立了基于MATLAB/Simulink/Stateflow的動(dòng)態(tài)三參數(shù)換擋控制模型，如圖4所示。

圖4 換擋控制模型

1.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊

本文所研究的叉車變速器有一個(gè)空擋、4個(gè)前進(jìn)擋和4個(gè)后退擋，其換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是由相應(yīng)的電磁閥來控制的,包括一個(gè)前進(jìn)擋電磁閥、一個(gè)倒擋電磁閥和一擋、二擋、三擋、四擋電磁閥組成，不同擋位時(shí)各電磁閥動(dòng)作邏輯表見表1。

表1 不同擋位時(shí)電磁閥的動(dòng)作邏輯表

根據(jù)上述電磁閥工作邏輯，建立不同擋位下的電磁閥工作模型，同時(shí)加上RTI中的相應(yīng)信號(hào)輸出接口模塊，構(gòu)成了執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸出模型，如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)輸出模型

1.2 TCU快速控制原型仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1控制策略模型的仿真結(jié)果

圖6所示為快速控制原型試驗(yàn)中控制策略模型的仿真結(jié)果,可以看出,第0～150s為叉車開始出發(fā)至貨叉鏟好負(fù)載過程,此時(shí)工作泵處于空載狀態(tài);150～155s為提升貨叉過程，工作泵壓力經(jīng)歷了由空載變?yōu)闈M載過程;155～420s為運(yùn)送貨物過程，這一過程中工作泵壓力變化不大;420～445s為舉升貨叉過程，此時(shí)工作泵壓力達(dá)到最大值;445～465s為卸掉一半負(fù)載的過程，工作泵壓力經(jīng)歷了由滿載變?yōu)榘胼d過程;465s以后為工作泵半載工作過程。從圖6可以看出,輸出結(jié)果擋位能夠很好地根據(jù)輸入信號(hào)泵壓力、油門開度和車速的不同而準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地變化，即驗(yàn)證了換擋控制策略的正確性，為后續(xù)試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。

圖6 工作泵壓力、油門開度、車速、擋位仿真圖

1.2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的仿真結(jié)果

圖7所示為擋位和相應(yīng)擋位時(shí)的電磁閥動(dòng)作曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系,圖中，縱坐標(biāo)“電磁閥開閉”中，0表示電磁閥開啟，1表示電磁閥關(guān)閉。由圖7可以看出，對(duì)應(yīng)的擋位和各個(gè)擋位的執(zhí)行元件能夠按照換擋邏輯的要求正確動(dòng)作，從而驗(yàn)證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)策略的正確性。

圖7 擋位、各執(zhí)行元件動(dòng)作圖

2 TCU硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

TCU硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真[7]就是將真實(shí)的控制器運(yùn)行在虛擬或半虛擬的環(huán)境中，運(yùn)行在實(shí)時(shí)仿真器中的整車模型產(chǎn)生相應(yīng)的傳感器信號(hào)發(fā)送給TCU和相應(yīng)的外圍設(shè)備，同時(shí)實(shí)時(shí)仿真器接收TCU發(fā)出的控制信號(hào)并進(jìn)行TCU測(cè)試。通過TCU硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)不僅可以加速TCU開發(fā)，更能夠減少實(shí)車試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，并可進(jìn)行失效測(cè)試和故障模擬等[8]。

2.1 TCU系統(tǒng)的開發(fā)

整個(gè)TCU系統(tǒng)的開發(fā)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩大部分，其中軟件設(shè)計(jì)又包括兩部分：一是直接由targetlink將控制系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換生成為應(yīng)用層代碼，包括換擋控制策略和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分代碼，這是整個(gè)軟件的核心部分；二是針對(duì)所用的嵌入式系統(tǒng)編寫底層驅(qū)動(dòng)代碼,底層驅(qū)動(dòng)代碼是應(yīng)用層代碼與外部信息交互的基礎(chǔ),具體來說包括操作系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、脈沖信號(hào)采集、CAN等底層驅(qū)動(dòng)代碼。本試驗(yàn)中選用飛思卡爾公司的MC9S12系列芯片作為嵌入式系統(tǒng)主控芯片，因此也就是在codewarrior環(huán)境下，對(duì)底層驅(qū)動(dòng)代碼和生成的應(yīng)用層代碼進(jìn)行正確的整合和調(diào)試，形成一個(gè)完整的TCU軟件[9-10]。

硬件部分設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所選用的控制器主芯片特點(diǎn)，設(shè)計(jì)好最小系統(tǒng)、必需的外圍接口電路和相應(yīng)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。S12系列單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了常用的信號(hào)處理模塊，如A/D、脈沖采集、SPI通信等模塊，可直接調(diào)用這些功能模塊。但對(duì)于SCI、CAN等通信模塊,S12內(nèi)部只集成了控制器模塊，應(yīng)用這些模塊時(shí)必須外加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片和收發(fā)器。同時(shí)要設(shè)計(jì)一定的保護(hù)電路來保護(hù)重要元器件并增強(qiáng)所設(shè)計(jì)電路的抗干擾能力[11-12],所設(shè)計(jì)的TCU實(shí)物圖見圖8。

圖8 TCU實(shí)物圖

2.2 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

控制器硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)方案如圖9所示，TCU樣機(jī)的輸入為撥桿信號(hào)、工作泵油壓信號(hào)、油門信號(hào)和車速信號(hào)，輸出信號(hào)為電磁閥控制信號(hào)(開關(guān)量信號(hào))，未經(jīng)處理的開關(guān)量信號(hào)直接經(jīng)由RTI接口接到dSPACE中，經(jīng)過電磁閥驅(qū)動(dòng)電路后的開關(guān)量信號(hào)則接到臺(tái)架上變速器的電磁閥；同時(shí)工作泵油壓信號(hào)、油門信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)通過RTI接口輸入到仿真環(huán)境中的整車模型，通過模型計(jì)算出車輛行駛的速度信號(hào)并經(jīng)RTI接口變成脈沖信號(hào)后輸出給TCU樣機(jī)；進(jìn)行不同工況下的試驗(yàn)時(shí)，分別調(diào)用Simulink中建立的相應(yīng)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性look-up表，同時(shí)根據(jù)選用的電機(jī)變頻器的控制特點(diǎn)，可由dSPACE的RTI接口輸出控制信號(hào)至三相交流異步電機(jī)變頻器，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的，即模擬不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性；同樣，根據(jù)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出車輛行駛阻力大小信號(hào)和電渦流測(cè)功機(jī)控制器的控制特性，可以將汽車阻力信號(hào)經(jīng)過dSPACE的RTI接口轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)施加到測(cè)功機(jī)控制器上，通過實(shí)時(shí)控制定子勵(lì)磁電流的大小來控制電渦流測(cè)功機(jī)提供的負(fù)載大小，即模擬出當(dāng)前工況下的負(fù)載大小。最后將臺(tái)架上自動(dòng)變速器的渦輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)通過RTI接口接到dSPACE中，通過計(jì)算傳動(dòng)比計(jì)算出當(dāng)前實(shí)際擋位。

圖9 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)總體方案

圖10所示為搭建的硬件在環(huán)仿真模型，它包括TCU電磁閥動(dòng)作監(jiān)視模型、實(shí)際擋位計(jì)算模塊、虛擬的整車模型以及與外界通信的RTI接口等，是對(duì)圖9總體方案的模型化解釋。虛擬的整車模型的輸入量是工作泵壓力、油門開度、制動(dòng)信號(hào)和撥桿信號(hào)，輸出信號(hào)是車速信號(hào)、汽車行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和理論擋位；實(shí)際擋位計(jì)算模塊通過計(jì)算變速器渦輪轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算出真實(shí)的擋位；TCU電磁閥動(dòng)作監(jiān)視模塊能夠?qū)崟r(shí)地記錄和監(jiān)視對(duì)應(yīng)擋位下的電磁閥動(dòng)作曲線，該曲線反映了真實(shí)的電磁閥動(dòng)作情況。

圖10 硬件在環(huán)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

通過以上硬件在環(huán)仿真模型可以方便地比較TCU實(shí)際輸出擋位和理論擋位的差異，檢測(cè)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的實(shí)時(shí)性和正確性，進(jìn)行相關(guān)故障和極限模式下的測(cè)試等。通過硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)可以驗(yàn)證TCU樣機(jī)控制程序的控制效果，可方便地對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的修改，為后續(xù)實(shí)車標(biāo)定和上路試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2.3 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

本文使用dSPACE自帶的試驗(yàn)軟件ControlDesk來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件在環(huán)試驗(yàn)過程的綜合管理，試驗(yàn)結(jié)果的界面圖見圖11。圖11a所示為ControlDesk監(jiān)視的來自TCU的電磁閥動(dòng)作控制信號(hào)，通過監(jiān)視TCU樣機(jī)輸出的電磁閥動(dòng)作控制信號(hào)，可以驗(yàn)證當(dāng)前實(shí)際擋位和換擋的實(shí)時(shí)性以及換擋控制信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間相互配合的情況等。圖11b所示為采集到的實(shí)時(shí)顯示的變速器的渦輪轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速以及經(jīng)過實(shí)際擋位計(jì)算模塊計(jì)算出的實(shí)際擋位，它能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)前變速器的實(shí)際擋位。圖11c所示為整車模型中運(yùn)行得到的理論擋位、車速以及外部輸入的油門信號(hào)，通過比較圖11a和圖11c能夠驗(yàn)證TCU樣機(jī)控制程序與理論上的準(zhǔn)確值之間的差異，從而為進(jìn)一步改進(jìn)TCU樣機(jī)控制程序做準(zhǔn)備。

下面以15s時(shí)刻的結(jié)果為例進(jìn)行說明，此時(shí)圖11b顯示臺(tái)架上的自動(dòng)變速器渦輪轉(zhuǎn)速為680r/min,輸出軸轉(zhuǎn)速為500r/min，兩者之比即為當(dāng)前擋位的傳動(dòng)比。通過實(shí)際擋位計(jì)算模塊計(jì)算出真實(shí)擋位為3擋；由圖11a可以看出，TCU樣機(jī)輸出的電磁閥控制信號(hào)中只有3擋電磁閥控制信號(hào)為高電平，其他電磁閥控制信號(hào)都為低電平，即TCU樣機(jī)輸出為3擋；圖11c顯示在當(dāng)前油門開度、車速狀態(tài)下，由整車模型計(jì)算出的理論擋位為3擋;其他時(shí)刻都可以進(jìn)行與上述過程一樣的測(cè)試和比較。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)開發(fā)的TCU程序滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求,達(dá)到了預(yù)期的目的。

3 結(jié)語

本文針對(duì)叉車自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)進(jìn)行了快速原型和硬件在環(huán)試驗(yàn)，提出了根據(jù)工程車輛油門開度、車速和工作泵壓力為控制參數(shù)的三參數(shù)換擋規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)建立了控制系統(tǒng)模型。從仿真試驗(yàn)結(jié)果看，所建立的控制系統(tǒng)模型能隨著工況的變化進(jìn)行合適的換擋，符合叉車的實(shí)際工作狀態(tài)。通過快速控制原型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了將控制系統(tǒng)模型應(yīng)用在實(shí)車中的正確性。最后通過硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證了控制程序在真實(shí)TCU中的控制效果，為下一步的實(shí)車標(biāo)定和上路試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。基于模型的“V型開發(fā)模式”能夠大大縮短了TCU的開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。

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