自動(dòng)變速器控制器的測試臺架開發(fā)

張寬寬 張立俊 吳光強(qiáng)，3 羅先銀

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.大陸汽車亞太管理（上海）有限公司；3東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）

1 前言

自動(dòng)變速器技術(shù)是當(dāng)今汽車變速器技術(shù)發(fā)展的主要方向。自動(dòng)變速器控制器（Transmission Control Unit，TCU）作為自動(dòng)變速器的控制單元，對汽車的駕駛安全性至關(guān)重要，因此在TCU開發(fā)過程和產(chǎn)品維護(hù)階段必須對其進(jìn)行功能測試，測試內(nèi)容包括TCU的硬件（Hardware，HW）、底層軟件（Basic Software，BSW）和應(yīng)用層軟件（Application Software，ASW）。由于應(yīng)用層軟件的測試要基于TCU的硬件和底層軟件，所以TCU的硬件和底層軟件測試尤為重要[1]。

由于目前尚無通用的TCU測試平臺，所以設(shè)計(jì)了具備一定通用性且用于測試TCU硬件和底層軟件的硬件在環(huán)測試臺架，并在2擋升3擋工況下進(jìn)行了測試試驗(yàn)。

2 硬件在環(huán)測試臺架

2.1 硬件在環(huán)測試臺架硬件架構(gòu)

硬件在環(huán)測試臺架由TCU、負(fù)載箱、dSPACE Simulator和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。其中，TCU選用某公司生產(chǎn)的AMT TCU；負(fù)載箱為自主設(shè)計(jì)，包括繼電器、電機(jī)和電磁閥等執(zhí)行器的模擬負(fù)載；將dSPACE Simulator[2]作為變速器傳動(dòng)模型的運(yùn)行環(huán)境，在該環(huán)境下執(zhí)行不同的變速器傳動(dòng)模型以模擬不同類型的自動(dòng)變速器；計(jì)算機(jī)通過板卡與dSPACE Simulator連接，從而進(jìn)行信息交互。

2.2 硬件在環(huán)測試臺架軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)包括TCU中的測試應(yīng)用層軟件、dSPACE中的自動(dòng)變速器傳動(dòng)模塊、換擋控制模塊、檢測模塊和計(jì)算機(jī)中的ControlDesk控制界面。自動(dòng)變速器傳動(dòng)模塊、換擋控制模塊和檢測模塊均運(yùn)行于dSPACE Simulator環(huán)境中，ControlDesk運(yùn)行于PC機(jī)中。硬件在環(huán)測試臺架的軟件架構(gòu)如圖2所示。

在本文中，TCU中的測試應(yīng)用層軟件定義主要針對硬件和底層軟件的測試。應(yīng)用層軟件采用“塊”劃分，通過配置“塊”之間的關(guān)系和“塊”的觸發(fā)時(shí)序可模擬自動(dòng)變速器的特定工況 （如2擋升3擋工況），這些配置信息來自于換擋控制模塊發(fā)出的配置信號?！皦K”是TCU工作在測試模式下的基本模塊，其具有靈活的可配置性。

自動(dòng)變速器的傳動(dòng)模塊內(nèi)容由變速器類型（AMT、DCT、AT和CVT等）確定。傳動(dòng)模塊主要包括自動(dòng)變速器的作動(dòng)器模型、機(jī)械傳動(dòng)模型和傳感器模型。選用不同的傳動(dòng)模型并與負(fù)載箱一起工作可得到不同種類的自動(dòng)變速器模型。

換擋控制模塊通過CAN總線與TCU進(jìn)行信息交互。其作用是通過檢測傳動(dòng)模塊中執(zhí)行器的狀態(tài)，配置TCU上層軟件中“塊”之間的關(guān)系，以及管理“塊”的觸發(fā)時(shí)序，進(jìn)而設(shè)定硬件在環(huán)平臺的某一特定工況。對換擋控制模塊進(jìn)行配置可模擬變速器的任一工況。

檢測模塊從傳動(dòng)模型中得到Hardware（HW）信號，從 CAN總線上得到Applied Software（ASW）信號。通過信號對比及誤差分析判斷TCU在特定工況下是否工作正常。檢測模塊如圖3所示。測試結(jié)果可通過ControlDesk觀察并記錄。

ControlDesk可與dSPACE Simulator進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，其作用是配置和監(jiān)測換擋控制模塊，同時(shí)對檢測模塊的結(jié)果進(jìn)行控制、監(jiān)測和記錄。

3 TCU應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

TCU應(yīng)用層軟件采用“塊”劃分的概念。在對TCU進(jìn)行硬件和底層軟件測試時(shí)，“塊”的劃分可方便地對應(yīng)用層軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)配置。其根據(jù)換擋控制模塊發(fā)出的配置信號進(jìn)行配置，可模擬自動(dòng)變速器的任一工況。

“塊”主要分為輸入塊和輸出塊。其中，輸入塊處理輸入信號，將由底層軟件得到的原始值轉(zhuǎn)化為有效值（如將A/D口采集得到的溫度傳感器信號轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度值），并將該值存入有效值列表中。輸入信號主要包括模擬輸入信號、邏輯輸入信號和頻率輸入信號。輸出塊處理輸出信號（驅(qū)動(dòng)信號），其從應(yīng)用列表中選擇數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后輸出驅(qū)動(dòng)信號。輸出信號包括開關(guān)信號、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號和電磁閥驅(qū)動(dòng)信號。輸入塊與輸出塊之間的配置關(guān)系如圖4所示。如，原始值為換擋撥叉位置傳感器的輸出值，有效值為計(jì)算得到的換擋撥叉實(shí)際位置，該值在有效值列表中為有效值[2]；輸出塊選擇有效值[2]作為其輸入，通過查表確定輸出值（驅(qū)動(dòng)信號），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)換擋電機(jī)執(zhí)行下一步換擋操作。

4 負(fù)載箱設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)載箱硬件架構(gòu)

負(fù)載箱作為閉環(huán)測試系統(tǒng)中的負(fù)載部分，模擬繼電器、電機(jī)和電磁閥等作動(dòng)器，模擬負(fù)載傳動(dòng)模塊構(gòu)成變速器模型。負(fù)載箱留有2個(gè)接口，分別用于連接TCU和dSPACE Simulator。負(fù)載箱內(nèi)部包括2個(gè)轉(zhuǎn)接板和1個(gè)負(fù)載板。負(fù)載板上的負(fù)載可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行替換。轉(zhuǎn)接板的作用是對信號線進(jìn)行配置。圖5為硬件在環(huán)臺架及其內(nèi)部的信號流通圖，轉(zhuǎn)接板上的叉形符號表示可以插拔的連接頭。

圖6為所設(shè)計(jì)的負(fù)載箱。包括電源配置面板、安全保護(hù)配置面板、傳感器電源供給面板、TCU輸入信號測量面板、作動(dòng)器工作狀態(tài)指示面板和CAN通信面板。負(fù)載箱內(nèi)部設(shè)計(jì)成信號配置層和負(fù)載配置層2層結(jié)構(gòu)。負(fù)載箱有很好的擴(kuò)展性和配置性，利用可拆卸的連線端子可使信號線靈活配置，同時(shí)，負(fù)載參數(shù)也可靈活調(diào)整。

4.2 負(fù)載箱內(nèi)部信號分析

負(fù)載箱信號分為3種，第1種為TCU與dSPACE之間的信號，包括模擬輸入信號、邏輯輸入信號、頻率輸入信號和CAN信號；第2種是TCU與負(fù)載箱之間的信號，主要是驅(qū)動(dòng)信號，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號、電磁閥驅(qū)動(dòng)信號、高端數(shù)字輸出信號和低端數(shù)字輸出信號；第3種信號是dSPACE與負(fù)載箱之間的信號，主要是測量信號，包括模擬測量信號、邏輯判斷信號和頻率測量信號。為表達(dá)方便，在圖5中采用英文簡稱描述TCU、負(fù)載箱和dSPACE三者間的信號流通，各信號的中英文對照見表1。

表1 負(fù)載箱信號中英文名稱對照

4.3 負(fù)載箱模擬負(fù)載設(shè)計(jì)

負(fù)載箱的負(fù)載包括繼電器、電機(jī)和電磁閥等3種形式。繼電器有開/關(guān)2種狀態(tài)，選取適當(dāng)阻值的電阻即可模擬其工作狀態(tài)。

直流電機(jī)等效電路如圖7所示。

由基爾霍夫定律得到:

式中，V為直流電源；iM為電樞電流；LM為電感；RM為電阻；EM為反電動(dòng)勢；ke為反電動(dòng)勢常數(shù)；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的模擬負(fù)載是對電機(jī)等效電路的進(jìn)一步簡化，其中去除了反電動(dòng)勢。進(jìn)行簡化的原因是，一方面反電動(dòng)勢的模擬負(fù)載需要通過電子負(fù)載的形式實(shí)現(xiàn)，成本較高[3]；另一方面，測試的目的是檢測驅(qū)動(dòng)口的驅(qū)動(dòng)能力，而簡化模型已滿足要求。需要指出，簡化模型不能反映電機(jī)工作特性，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試，還需要建立電機(jī)模型，其輸入?yún)?shù)為驅(qū)動(dòng)電壓Vs和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。

圖8為簡化的直流電機(jī)等效電路，由于直流電源V的形式為PWM波，所以電路中電流值iM波動(dòng)較大。為此，在電路中串入采樣電阻Rs，并對采樣電阻兩端電壓進(jìn)行LC低通濾波，濾波得到的電壓Vf作為采樣電阻兩端的平均電壓，即待測量電壓。

圖8中，Rf為采樣電阻，Lf為濾波電路中的電感，Cf為濾波電路中的電容，Vf為濾波后的電壓。

電磁閥包括開關(guān)電磁閥和比例電磁閥2種，開關(guān)電磁閥有閉合和開啟2種狀態(tài)，其動(dòng)態(tài)特性可用電阻串接電感的形式進(jìn)行近似等效。

比例電磁閥的等效電路如圖9所示。

由基爾霍夫定律得到:

式中，Ls（x，is）為線圈自感系數(shù)；x 為動(dòng)鐵位移；為電阻壓降；Ls（x，is）為線圈自感電壓；Es（x，is）為動(dòng)鐵位移引起的反電動(dòng)勢。由上述可知，比例電磁閥的模型是非線性的，通常電磁閥的控制方法包括有限元法[4]、試驗(yàn)標(biāo)定[6]和電流反饋控制方法等。在HIL平臺中，與電機(jī)分析過程類似，線性電磁閥的模型可簡化為如圖10所示。

需要指出，簡化的比例電磁閥等效電路不能反映線性電磁閥的特性，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試，需要建立等效的線性電磁閥模型，輸入?yún)?shù)為V和阻力Fr；或根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到“輸入電壓V—壓強(qiáng)P”圖表，由查表確定輸入輸出關(guān)系。在本文的TCU閉環(huán)測試中，采用了后一種方法，此處不做詳細(xì)敘述。

5 閉環(huán)測試

5.1 閉環(huán)測試環(huán)境

負(fù)載箱中的模擬負(fù)載與dSPACE Simulator中的傳動(dòng)模塊共同構(gòu)成變速器模型。傳動(dòng)模塊中的傳感器模型輸出與撥叉位置、輸入輸出軸轉(zhuǎn)速、離合器壓力、溫度等相關(guān)的傳感器信號。TCU根據(jù)接收到傳感器信號和換擋控制模塊的配置信號，對輸入塊和輸出塊及兩者的連接關(guān)系進(jìn)行配置，進(jìn)而輸出控制信號。

5.2 AMT TCU的2擋升3擋工況

以電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）的2擋升3擋為例，說明TCU的測試過程。

初始時(shí)變速器處于2擋位置，此時(shí)離合器接合，選擋撥叉置高位，換擋撥叉置低位。開始換擋后，離合器電機(jī)控制離合器分離；分離完成后換擋電機(jī)控制換擋撥叉至中位；當(dāng)換擋撥叉到達(dá)中位后，選擋電機(jī)控制選擋撥叉至中位；當(dāng)選擋撥叉到達(dá)中位后，換擋電機(jī)控制換擋撥叉至高位；當(dāng)換擋撥叉到達(dá)高位后，離合器電機(jī)控制離合器接合，完成2擋升3擋的換擋。圖11為AMT換擋示意圖。

AMT TCU的2擋升3擋動(dòng)作流程如圖12所示。程序開始，初始化電機(jī)位置；初始化完成后產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)輸出塊[1]，開始執(zhí)行離合器分離過程，同時(shí)觸發(fā)記錄加1；當(dāng)檢測到離合器分離完成后再次產(chǎn)生觸發(fā)信號時(shí)，觸發(fā)輸出塊[2]，開始執(zhí)行換擋撥叉由低至高，同時(shí)觸發(fā)記錄加 1；如此順序觸發(fā)輸出塊[i]，當(dāng) i=6時(shí)換擋結(jié)束。

5.3 測試結(jié)果分析

圖13為ControlDesk控制界面，其表示AMT TCU的2升3換擋工況。圖左側(cè)為初始化設(shè)置，包括通道選擇設(shè)置、電機(jī)初始位置設(shè)置及初始擋位設(shè)置等。圖右側(cè)為電機(jī)位置和驅(qū)動(dòng)信號占空比的實(shí)時(shí)曲線。點(diǎn)擊左下方的按鍵可對ControlDesk執(zhí)行初始化以及開始和停止操作。圖中黑框中為離合器電機(jī)位置測試曲線，點(diǎn)擊“Detail”可得到詳細(xì)的曲線信息。

圖14為2擋升3擋時(shí)離合器電機(jī)位置測試曲線。在2擋升3擋過程中，離合器電機(jī)位移的變化規(guī)律為“接合—分離—接合”。由圖14可看出，離合器撥叉的當(dāng)量位移變化范圍為0～1000，對應(yīng)的撥叉實(shí)際位移為0～10 mm，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差最大值出現(xiàn)在離合器分離狀態(tài)。

圖15為離合器電機(jī)位置測試曲線局部圖。由圖15可看出，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差最大值在0.85～2.00 s時(shí)間段。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到其最大誤差為1.2%，分析選擋電機(jī)位移曲線和換擋電機(jī)位移曲線可得到其最大誤差分別為1.9%和1.8%。試驗(yàn)設(shè)定的電機(jī)位移誤差上限為3%，測試誤差在允許誤差范圍內(nèi)，TCU工作正常。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了TCU硬件在環(huán)測試臺架。以AMT TCU的2擋升3擋工況為例進(jìn)行了閉環(huán)測試。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，實(shí)際值與測量值之間的誤差在試驗(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi)，可判定TCU的硬件和底層軟件在這一工況下工作正常，該自動(dòng)變速器控制器測試平臺可有效地對TCU進(jìn)行測試。

1 高超.開放式汽車電控系統(tǒng)中自動(dòng)代碼生成的實(shí)現(xiàn):[碩士論文].山東:山東大學(xué)，2007.

2 dSPACE Simulator.dSPACE，Inc，2011.

3 蘇州德計(jì)儀器儀表有限公司.電子負(fù)載的工作原理及具體的應(yīng)用實(shí)例 [EB/OL].http://www.szdj17.cn/shopstyle/articleinfo/270978.html，2012.

4 湯東勝，吳光強(qiáng)，周凡華.基于有限元法的ABS高速開關(guān)電磁閥性能分析.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（6）:724～727.

5 王雷雷.液力機(jī)械式自動(dòng)變速器控制策略研究:[博士論文].上海:同濟(jì)大學(xué)，2011.