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(tǒng)的4AT、5AT難以滿足汽車行業(yè)高性能的要求，而技術(shù)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(tǒng)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(shè)計[2]。這使得TCU的邏輯功能驗證在TCU開發(fā)過程中成為非常重要的一環(huán)。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(fā)周期，硬件在環(huán)仿真測試更多地參與到TCU開發(fā)中[3]。dSPACE系統(tǒng)屬于目前成熟的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，可以滿足系統(tǒng)配置、代碼生成下載以及功能調(diào)試[4]。本文在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建變速器物理模型，并將其編譯到HIL設(shè)備中，進行TCU控制器功能測試驗證。實驗結(jié)果表明，變速器硬件在環(huán)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(tǒng)的可行性。

1 硬件在環(huán)測試原理

1.1 HIL測試原理

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

1.2 TCU控制器硬件在環(huán)測試原理

該變速器通過直驅(qū)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(gòu)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(fā)動機扭矩控制模式下，TCU通過CAN通信從發(fā)動機單元模型中實時獲取當前發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時控制軟件計算出變速器當前輸入扭矩，結(jié)合車速以及節(jié)氣門開度等關(guān)鍵參數(shù)，計算當前所處工況下各個離合器狀態(tài)及應該傳遞的轉(zhuǎn)矩；接著根據(jù)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(shù)據(jù)修正將控制油壓轉(zhuǎn)換為控制電流，直接發(fā)送先導電磁閥控制電流值，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)測試平臺開發(fā)

2.1 系統(tǒng)硬件測試平臺開發(fā)

TCU HIL閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)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(huán)控制結(jié)構(gòu)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(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換與傳輸；上位機作為測試管理界面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、標定及監(jiān)測等。TCU通過CAN、Sensor等進行輸入信號解析，得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、車速、油門踏板開度等關(guān)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(zhí)行器驅(qū)動電流發(fā)送給變速器物理模型進行換擋執(zhí)行，換擋執(zhí)行完成時同步將執(zhí)行器反饋電流發(fā)送給TCU，TCU經(jīng)過判斷掛擋狀態(tài)并決策當前擋位反饋給物理模型，從而實現(xiàn)模型閉環(huán)。

2.2 系統(tǒng)軟件測試平臺開發(fā)

物理模型是硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中的重要組成部分，該變速器物理模型主要由發(fā)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(tǒng)模型建模架構(gòu)如圖4所示。

圖4 TCU動力系統(tǒng)模型建模架構(gòu)

通過數(shù)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(tài)，減少實車測試帶來的經(jīng)濟成本，縮短研發(fā)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(fā)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(guān)等數(shù)據(jù)接收裝置來發(fā)送相關(guān)信號至變速器，模擬繼電器、電磁閥等數(shù)據(jù)采集裝置采集變速器信號，實現(xiàn)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(shù)與物理模型進行通信，實現(xiàn)物理模型與控制器的參數(shù)閉環(huán)。濕式離合器是自動變速器中傳遞轉(zhuǎn)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(qū)動信號，驅(qū)動電磁閥推動油缸中的活塞，從而實現(xiàn)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(jù)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(gòu)圖

濕式離合器的運行工況存在3種狀態(tài)：分離狀態(tài)、滑摩狀態(tài)和結(jié)合狀態(tài)。在變速器機械系統(tǒng)傳動過程中，傳動的實際扭矩與工作狀態(tài)有關(guān)。本文建立離合器在3種工作狀態(tài)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(jié)合處于滑動階段時，建立動態(tài)摩擦模型穩(wěn)態(tài)，表達式為：

3）當離合器完全結(jié)合時，表達式為：

式中：FC——庫倫摩擦系數(shù)；FS——靜摩擦系數(shù)；Fv——粘滯摩擦系數(shù)；VS——摩擦模型系數(shù)；a——速度符號變化系數(shù)；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(huán)測試系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)測試試驗臺架架構(gòu)如圖7所示。

圖7 TCU硬件在環(huán)系統(tǒng)測試試驗臺架架構(gòu)

首先根據(jù)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(xiàn)HIL測試設(shè)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(wǎng)線連接DS2680和上位機，在上位機中通過Control Desk軟件監(jiān)控DS2680模型內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，而由于DS2680內(nèi)變速器物理模型同時作為TCU被控對象，從而實現(xiàn)物理模型與TCU的信息閉環(huán)。

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

圖8 基于Control Desk平臺的TCU監(jiān)控界面

為驗證該測試系統(tǒng)是否滿足測試需要，對比真實變速器臺架與HIL臺架測試數(shù)據(jù)。圖9為真實變速器臺架測試數(shù)據(jù)，擋位固定為D擋，改變油門踏板開度，測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)

圖10為變速器HIL測試數(shù)據(jù)，擋位固定為D擋，改變油門踏板開度，測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速，離合器建壓隨擋位更新情況。

圖10 變速器HIL測試數(shù)據(jù)

由試驗結(jié)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(tǒng)模擬的軸速變化平穩(wěn)，離合器建壓穩(wěn)定，換擋平穩(wěn)，存在小的誤差精度，能夠?qū)崿F(xiàn)TCU控制策略測試驗證的功能，測試結(jié)果證明TCU HIL測試系統(tǒng)能滿足當前的市場需要。

4 總結(jié)

本文在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建8AT變速器物理模型，并將其編譯到HIL設(shè)備中，進行TCU控制器功能測試驗證。實驗結(jié)果表明，變速器硬件在環(huán)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(tǒng)的可行性。