崔書浩，王 瑋，溫 敏，唐程光Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

基于線控?fù)Q擋系統(tǒng)的測試臺架設(shè)計

崔書浩，王 瑋，溫 敏，唐程光
Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

為了驗證線控?fù)Q擋系統(tǒng)可靠性，并驗證線控?fù)Q擋系統(tǒng)控制策略的準(zhǔn)確性，開發(fā)基于HIL（Hardware in the Loop,硬件在環(huán)）的線控?fù)Q擋系統(tǒng)測試平臺，根據(jù)線控?fù)Q擋系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計出線控?fù)Q擋系統(tǒng)測試用例，進(jìn)一步進(jìn)行自動化測試驗證。由于換擋操縱桿一般由機(jī)械部件組成，設(shè)計測試臺架時一般采用信號仿真或使用機(jī)械臂模擬駕駛員換擋操作。實際工程中，設(shè)計方不開放傳感器協(xié)議無法實現(xiàn)信號仿真，采用換擋機(jī)械臂實現(xiàn)一種換擋控制測試臺架，可遠(yuǎn)程控制換擋操縱桿，實現(xiàn)自動化測試。

硬件在環(huán)；線控?fù)Q擋系統(tǒng)；機(jī)械臂；測試臺架

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車上某些傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)被小巧智能的整車線控取代。常見的車輛線控技術(shù)包含線控制動、線控轉(zhuǎn)向、線控加速踏板、線控懸架以及線控?fù)Q擋系統(tǒng)；其中，換擋系統(tǒng)經(jīng)歷從傳統(tǒng)手動換擋發(fā)展至機(jī)械自動換擋，進(jìn)而發(fā)展為如今電子線控自動換擋[1]。

線控?fù)Q擋摒棄傳統(tǒng)換擋系統(tǒng)中的機(jī)械裝置，僅通過電控來實現(xiàn)傳動，其布置較為靈活，依據(jù)換擋開關(guān)樣式不同，可大致分為4種：旋鈕式、懷擋式、擋桿式和按鍵式，如圖1所示。

電子換擋控制系統(tǒng)采用線控方案，同時對其功能可靠性驗證提出新的要求；通常采用HIL（Hardware in the Loop，硬件在環(huán)）測試平臺實現(xiàn)功能驗證、故障注入驗證，可實現(xiàn)較為全面的測試覆蓋[2]。但HIL測試一般通過電氣信號仿真實現(xiàn)，針對機(jī)械部件的測試需要借助測試臺架實現(xiàn)機(jī)械動作交互，從而實現(xiàn)信號閉環(huán)驗證[3]。

提出一種基于旋鈕式換擋控制系統(tǒng)的測試臺架，通過此臺架可實現(xiàn)HIL測試信號閉環(huán)驗證，同時便于實現(xiàn)自動化測試。

圖1 換擋系統(tǒng)電子換擋樣式

1 HIL測試平臺

1.1 線控?fù)Q擋系統(tǒng)控制原理

換擋控制系統(tǒng)由3部分組成：GSM（Gear Shift Module，換擋開關(guān)控制器）、ACM（Action Control Module，換擋控制器）、TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器），其中GSM實現(xiàn)駕駛員控制指令捕獲，通過CAN（Controller Area Network，局域網(wǎng)控制器）總線發(fā)送至ACM，再由ACM依據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)判斷最終換擋指令，通過CAN總線發(fā)送至TCU，TCU依據(jù)收到的指令執(zhí)行擋位切換動作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

注：GSM（Gear Shift Module，換擋開關(guān)控制器），ACM（Action Control Module，換擋控制器），TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器）， EMS(Engine Management System，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng))，ESC(Electronic Stability Control System,電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))，EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉(zhuǎn)向)。

1.2 旋鈕式換擋控制指令

圖3是一種典型的旋鈕式線控?fù)Q擋控制開關(guān)，旋鈕可順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)，開關(guān)底部有一圈卡扣，對應(yīng)16格。

圖3 旋鈕式換擋操縱面板

GSM通過捕獲換擋旋鈕開關(guān)狀態(tài)識別駕駛員動作，并將其轉(zhuǎn)化為電氣信號，通過CAN總線發(fā)送至ACM，駕駛員操作動作共有7種狀態(tài)：向右轉(zhuǎn)3格、向右轉(zhuǎn)2格，向右轉(zhuǎn)1格，無動作，向左轉(zhuǎn)1格、向左轉(zhuǎn)2格、向左轉(zhuǎn)3格，在某個位置停留一定時間后，該位置就會變成復(fù)位初始位置，如圖4所示。

圖4 旋鈕式換擋系統(tǒng)指令

GSM將駕駛員動作信號發(fā)送至ACM后，ACM依據(jù)當(dāng)前擋位狀態(tài)及車輛狀態(tài)對目標(biāo)擋位進(jìn)行判定，如圖5所示。

圖5 信號傳輸過程

1.3 線控?fù)Q擋系統(tǒng)HIL測試平臺

旋鈕式線控?fù)Q擋系統(tǒng)HIL測試平臺通過仿真ACM、TCU、EMS(Engine Management System，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng))、ESC(Electronic Stability Control System,電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))、EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉(zhuǎn)向)控制器，與GSM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過測試臺架的GSM旋鈕控制（7種操作指令）模擬駕駛員換擋過程。

2 旋鈕式換擋測試臺架設(shè)計

2.1 機(jī)械部件設(shè)計

采用57步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)旋鈕操作。為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與換擋旋鈕開關(guān)固定連接，依據(jù)換擋旋鈕三維數(shù)據(jù)開發(fā)出固定卡蓋，借助3D打印技術(shù)得到實物，如圖6所示。

圖6 旋鈕開關(guān)固定卡蓋

固定卡蓋與步進(jìn)電機(jī)通過同軸連接器與旋鈕開關(guān)嵌套，如圖7所示。

注：1.測試臺固定框架；2.57步進(jìn)電機(jī)；3.同軸連接器；4.旋鈕開關(guān)固定卡蓋；5.換擋控制面板；6.單片機(jī)主控模塊。

測試臺架安裝后實物如圖8所示。

圖8 測試臺架實物

2.2 硬件及核心部件選型

主控板采用Arduino WeMos D1開發(fā)板，此開發(fā)板以ESP8266 WiFi開發(fā)板為基礎(chǔ)開發(fā)的功能擴(kuò)展板，其工作電壓為3.3～5.0 V，主控芯片為32位ESP8266，集成WiFi接口，緩存較大，包含11個數(shù)字I/O引腳以及1個模擬輸入引腳，使用Micro-B type USB線進(jìn)行連接，采用串口通信[4]，實物如圖9（a）所示。

57二相步進(jìn)電機(jī)采用永磁硅鋼片及NSK原裝軸承，定位精度高，輸出力矩較高，響應(yīng)頻率高，同時運行噪聲低，動態(tài)特性好，如圖9（b）所示。

圖9 主控模塊及電機(jī)實物圖

57二相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表

57步進(jìn)電機(jī)采用專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實現(xiàn)驅(qū)動，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，驅(qū)動器通過3位撥碼開關(guān)實現(xiàn)7擋細(xì)分控制，通過3位撥碼開關(guān)選擇8擋電流控制，電流區(qū)間為0.5～4.0 A，適合驅(qū)動57、42型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)?？梢赃_(dá)到低振動、小噪聲、高速度效果的電機(jī)驅(qū)動器的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器參數(shù)表

輸入信號共有3路，分別為步進(jìn)脈沖信號、方向電平信號、脫機(jī)信號。驅(qū)動器與控制器、電機(jī)、電源的接線采用共陽接法，如圖10所示。

2.3 控制軟件開發(fā)及調(diào)試

旋鈕式換擋測試臺架主控單片機(jī)采用C語言編程，與HIL測試臺架通過串口或WiFi接口完成數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動化控制，指令協(xié)議如圖11所示。

注：DIR為電機(jī)方向控制端，CP為驅(qū)動脈沖輸出，+5V為5V電壓上拉，A+為A相電機(jī)繞組+，A-為A相電機(jī)繞組-，B+為B相電機(jī)繞組+，B-為B相電機(jī)繞組-，GND為DC16～70 V，VCC為電源輸入負(fù)極，EN-為電機(jī)使能負(fù)輸入，EN+為電機(jī)使能正輸入，DIR-為方向負(fù)輸入，DIR+為方向正輸入，PUL-為脈沖負(fù)輸入，PUL+為脈沖正輸入。

圖11 定義通信數(shù)據(jù)協(xié)議

通信數(shù)據(jù)采用10字節(jié)數(shù)據(jù)，其中報文頭占2個字節(jié)，使用固定數(shù)值0xAA和0x55，報文尾占2個字節(jié)，使用固定數(shù)值0x55和0xAA；控制指令占5個字節(jié)，可存儲2次旋轉(zhuǎn)控制指令；為保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)置校驗碼占用1個字節(jié)，置于報文最后。使用串口調(diào)試助手，按照圖10中協(xié)議進(jìn)行通信控制功能調(diào)試，如圖12所示。

圖12 通信控制調(diào)試

3 結(jié)束語

HIL仿真測試平臺通過串口或WiFi通信接口與旋鈕式換擋控制系統(tǒng)測試臺架集成，按所定義的通信協(xié)議實現(xiàn)閉環(huán)控制和自動化測試驗證功能。

[1]張文，楊劍，韋雄，等.面向電控柴油機(jī)的車載換擋智能控制策略開發(fā)[J].車用發(fā)動機(jī)，2008（Z1）：102-109.

[2]田鑫, 劉全周, 晏江華,等. 基于HIL的車用電機(jī)控制器故障保護(hù)策略測試[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2019, 46(11):82-87.

[3]呂峰，歐增開.整車電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試技術(shù)研究[J].汽車電器，2013（7）：60-62.

[4]張新豐，王春濛, 李健聰，等.“汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計”課程實驗設(shè)計[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017（2）：117-119，123.

2021-06-04

1002-4581（2021）05-0037-04

U467.5+23

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.010