基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究

劉全周，李占旗，張蕾，陳慧鵬（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究

劉全周，李占旗，張蕾，陳慧鵬
（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

摘要：本文介紹了基于dSPACE Simulator硬件在環(huán)技術(shù)構(gòu)建DCT控制器的虛擬整車測(cè)試平臺(tái)，通過整車模型仿真和運(yùn)行工況設(shè)置對(duì)DCT控制器的控制策略、診斷策略以及網(wǎng)絡(luò)交互式功能策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和控制器參數(shù)預(yù)標(biāo)定，極大的節(jié)省了實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證的試驗(yàn)時(shí)間和成本，滿足實(shí)車測(cè)試所不能覆蓋的故障和極限工況測(cè)試需求，對(duì)DCT變速器關(guān)鍵控制技術(shù)的研究提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)；DCT；測(cè)試評(píng)價(jià)；故障注入；診斷

本文引用格式：劉全周，李占旗，張蕾，等.基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究[J].新型工業(yè)化，2015，5（8）：39-43

Citation: LIU Quan-zhou, LI Zhan-qi, ZHANG Lei, et al. Research on Test and Evaluation of DCT Based on Hardware-in-the-Loop[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 39-43.

0 前言

雙離合器自動(dòng)變速器（DCT）作為一種新型的自動(dòng)變速器，憑借其傳動(dòng)效率高、換擋平順無中斷等優(yōu)點(diǎn)，以及廣闊的市場(chǎng)前景，吸引了國(guó)內(nèi)自主品牌企業(yè)相繼投入研發(fā)設(shè)計(jì)，近幾年配備DCT變速器的自主車型也陸續(xù)上市，但是DCT變速器從研發(fā)設(shè)計(jì)到實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證階段，整體來說還不具備較完善的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試流程，尤其是DCT變速器控制策略及故障診斷策略的測(cè)試驗(yàn)證方面，還處于簡(jiǎn)單的臺(tái)架及手動(dòng)測(cè)試階段。這種模式只能對(duì)常規(guī)的邏輯類功能進(jìn)行驗(yàn)證，不能覆蓋到包括復(fù)雜交互式性能、故障（電器、功能）注入、極限工況以及對(duì)時(shí)間參數(shù)有嚴(yán)格要求的工況測(cè)試，況且這些工況在實(shí)車測(cè)試環(huán)節(jié)中也未必能遇到。從而給車輛運(yùn)行造成潛在的行車危險(xiǎn)。

硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)作為V型開發(fā)流程中重要的過程，通過建立相應(yīng)的車輛模型，設(shè)置合適的仿真工況，模擬控制單元需要的傳感器信號(hào)等，為電控單元提供一個(gè)虛擬的整車環(huán)境，能夠模擬實(shí)車試驗(yàn)中的各種工況以及實(shí)車試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的特殊或者危險(xiǎn)的行駛工況，從而可以在控制單元進(jìn)行裝車道路試驗(yàn)前完成對(duì)控制單元全面的測(cè)試。

本文所述為基于dSPACE Simulator的硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)，構(gòu)建6速濕式DCT 變速器測(cè)試所需的整車測(cè)試環(huán)境，從而對(duì)DCT變速器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證及評(píng)價(jià)研究。

1 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)研究目標(biāo)，首先基于dSPACE Simulator設(shè)計(jì)搭建硬件仿真平臺(tái)，該平臺(tái)提供控制器所需的車輛電器環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)TCU接口定義、電氣原理圖、傳感器和執(zhí)行器特性等對(duì)IO模型進(jìn)行配置，根據(jù)整車參數(shù)，對(duì)車輛模型進(jìn)行參數(shù)化，結(jié)合實(shí)車或臺(tái)架數(shù)據(jù)對(duì)整車模型進(jìn)行校驗(yàn)。最終滿足DCT測(cè)試所需的車輛閉環(huán)系統(tǒng)?；谠摥h(huán)境，對(duì)DCT控制器的功能策略、故障注入及診斷策略、網(wǎng)絡(luò)交互式功能策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1.1 硬件系統(tǒng)接口需求分析

DCT變速器的傳感器包括4個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器（輸入軸1，輸入軸2，離合器輸入軸，變速器輸出軸）、4個(gè)撥叉位置傳感器（1/3，2/6，4/R，5/N）、2個(gè)溫度傳感器（變速器油溫和離合器溫度）以及2個(gè)離合器壓力傳感器；DCT變速器的執(zhí)行器主要包括8路高邊PWM輸出線性控制閥和4路高邊輸出開關(guān)控制閥。除此之外，還有P/N檔繼電器，起動(dòng)機(jī)繼電器，點(diǎn)火開關(guān)以及CAN總線接口等。

1.2 軟件系統(tǒng)需求分析

軟件系統(tǒng)需要考慮試驗(yàn)管理及測(cè)試開發(fā)平臺(tái)、系統(tǒng)I/O模型以及整車模型。試驗(yàn)管理軟件能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄、管理和圖表分析，測(cè)試軟件用于開發(fā)測(cè)試腳本和自動(dòng)化測(cè)試序列。I/O模型是連接硬件系統(tǒng)的軟件接口，整車模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車輛動(dòng)力學(xué)、道路環(huán)境以及駕駛員模型等。

2 硬件仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，基于dSPACE系統(tǒng)搭建DCT變速器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)。系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)主要包括系統(tǒng)硬件測(cè)試機(jī)柜Simulator及輔助臺(tái)架、試驗(yàn)管理和測(cè)試軟件Control Desk/Automation Desk以及包括變速器在內(nèi)的整車系統(tǒng)ASM模型，如圖1所示。

2.1 硬件仿真平臺(tái)搭建

DCT TCU通過采集變速器換擋撥叉位置、離合器壓力、離合器和變速器油溫、變速器輸入輸出軸轉(zhuǎn)速以及駕駛員操作換擋桿位置等傳感器信息，并接收其它控制器通過總線發(fā)送的車輛狀態(tài)信息如車輪輪速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)換擋電磁閥、離合器控制電磁閥、主油壓控制電磁閥、冷卻液流量控制電磁閥等進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器奇偶軸的預(yù)掛檔位、兩個(gè)離合器的傳遞扭矩、離合器油溫的控制[1-2]。

Simulator機(jī)柜為德國(guó)dSPACE提供的電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試專業(yè)設(shè)備，配置有實(shí)時(shí)處理器和豐富的IO信號(hào)調(diào)理板卡、CAN仿真板卡，能夠?qū)刂破鞯腎O接口信號(hào)進(jìn)行仿真與采集，對(duì)殘余總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，同時(shí)配置有電氣故障注入板卡能夠進(jìn)行電氣故障注入[3-4]。上位機(jī)PC通過網(wǎng)線或光纖與Simulator連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真模型的編譯下載及測(cè)試的運(yùn)行管理。

2.2 IO模型配置

IO模型首先把傳感器等的物理信號(hào)通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到電氣信號(hào)值，然后根據(jù)TCU與機(jī)柜IO映射關(guān)系驅(qū)動(dòng)硬件板卡的相應(yīng)通道，同時(shí)把采集到的控制信號(hào)和執(zhí)行器信號(hào)的電氣值通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到物理值并反饋給車輛模型，IO模型還進(jìn)行機(jī)柜與TCU之間CAN通訊信號(hào)的配置[5-6]。

下面分別以DCT離合器1壓力控制閥信號(hào)為例對(duì)IO模型中傳感器與執(zhí)行器信號(hào)的配置進(jìn)行分析。

圖1 DCT變速器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)框圖Fig.1 Diagram of DCT transmission HIL test system platform

TCU控制電磁閥分為開關(guān)閥和線性閥兩種，離合器1壓力控制電磁閥CPV1為線性閥，TCU通過控制CPV1的占空比（通電電流）調(diào)節(jié)離合器1液壓閥的開度，進(jìn)而控制離合器1的接合壓力[7-8]。根據(jù)離合器1液壓壓力控制原理，對(duì)TCU進(jìn)行HIL測(cè)試時(shí)可直接根據(jù)CPV1的控制電流以及主油壓MP，通過查表方式得到離合器1的接合壓力，如表1所示。IO模型通過表1以及線性插值，根據(jù)IO板卡采集到的電流值（電氣值）計(jì)算得到離合器1的控制壓力值（物理值）反饋給車輛模型。

根據(jù)表1，通過線性插值可得到CPV1控制壓力在不同的主油壓下與其流過的電流之間的關(guān)系曲線，如圖2（本圖依據(jù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)多于表1）。

2.3 開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及閉環(huán)實(shí)現(xiàn)

開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與標(biāo)定主要是對(duì)HIL機(jī)柜與TCU各IO通道電氣信號(hào)及CAN信號(hào)是否正常進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)HIL機(jī)柜與TCU接口物理信號(hào)的一致性進(jìn)行標(biāo)定，從而為TCU提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的整車電氣運(yùn)行環(huán)境。

以3/1檔撥叉位置傳感器信號(hào)標(biāo)定為例，通過創(chuàng)建的ControlDesk上位機(jī)測(cè)試管理界面控制HIL機(jī)柜仿真的3/1檔撥叉位置值，然后通過CANape讀取TCU內(nèi)部識(shí)別的此撥叉位置值，配置調(diào)試完成的測(cè)試曲線見圖3，閉環(huán)系統(tǒng)由I/O模型和車輛模型組成，如下圖4所示。

表1 CPV1控制壓力與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between CPCV1 control pressure and current

圖2 CPV1控制壓力與電流之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between CPCV1 control pressure and current

圖3 3/1檔撥叉位置傳感器信號(hào)標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve of 3/1 gear shifting fork position sensor signal

3 測(cè)試開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試基于閉環(huán)系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)創(chuàng)建的功能測(cè)試管理界面并依據(jù)功能測(cè)試規(guī)范進(jìn)行，設(shè)計(jì)合理而覆蓋度高的測(cè)試規(guī)范是使測(cè)試全面有效的保證，測(cè)試規(guī)范依據(jù)控制器功能需求規(guī)范、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際中遇到的問題等進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮道路條件、典型及復(fù)雜工況。功能測(cè)試管理界面實(shí)現(xiàn)硬件管理、模型下載及變量管理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)駕駛員操作指令輸入、工況切換及車輛狀態(tài)、控制器相關(guān)信號(hào)的監(jiān)控。

基于構(gòu)建的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)TCU功能的測(cè)試，圖5是換擋規(guī)律測(cè)試中30%定油門升檔的部分測(cè)試結(jié)果曲線，上面曲線是DCT實(shí)際有效的檔位，中間曲線分別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入1/2軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速，下面曲線是離合器1/2的接合壓力。

3.2 故障診斷測(cè)試

故障診斷測(cè)試通過為TCU設(shè)計(jì)故障仿真平臺(tái)，對(duì)TCU注入相關(guān)故障，結(jié)合功能測(cè)試工況，測(cè)試TCU對(duì)注入故障的識(shí)別及相應(yīng)的安全處理措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TCU故障診斷策略的測(cè)試。

注入故障可分為電氣故障和功能故障兩種類型，電氣故障主要包括傳感器、執(zhí)行器信號(hào)的開路和短路，功能故障主要包括機(jī)械故障和CAN信號(hào)故障。

針對(duì)兩種故障類型，診斷測(cè)試平臺(tái)開發(fā)主要進(jìn)行電氣故障注入環(huán)境配置和功能故障模型開發(fā)。

電氣故障注入實(shí)現(xiàn)TCU引腳與傳感器或執(zhí)行器開路或者與電源短路、與地短路、與其它引腳短路。功能故障注入基于實(shí)時(shí)仿真模型開發(fā)故障模型模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械故障的仿真，如換擋撥叉偏離在檔位置、一軸多檔預(yù)掛、變速器傳動(dòng)比錯(cuò)誤等，通過配置殘余總線報(bào)文信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN信號(hào)故障的仿真，如某報(bào)文信號(hào)無效、Checksum錯(cuò)誤等。

診斷測(cè)試平臺(tái)通過上位機(jī)故障注入管理界面（ControlDesk軟件）控制HIL機(jī)柜對(duì)電氣故障與功能故障的注入與恢復(fù)，并對(duì)對(duì)車輛狀態(tài)和TCU指令進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)利用診斷工具加載診斷數(shù)據(jù)庫(kù)讀取控制器的故障碼，如圖6所示。

圖4 TCU實(shí)時(shí)仿真模型集成Fig.4 TCU real-time simulation model integration

圖5 30%定油門升檔工況測(cè)試曲線Fig.5 Testing curve of 30% accelerator pedal upshift working condition

診斷測(cè)試規(guī)范依據(jù)故障模式列表、診斷規(guī)范以及故障組合等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如當(dāng)變速器奇數(shù)軸預(yù)掛1檔時(shí)，通過故障注入模塊控制3/1檔撥叉位置從在檔位置（12mm）移動(dòng)到非正常位置（5mm），使其偏離1檔在檔位置（≥7.5mm），檢測(cè)到此故障后TCU控制離合器1分離（離合器1壓力為0），車輛僅以偶數(shù)檔行駛，該故障部分測(cè)試結(jié)果曲線見圖7，同時(shí)通過診斷工具可以讀取到TCU相應(yīng)的故障碼。

圖6 診斷測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.6 Diagram of diagnostic test platform

圖7 3/1檔撥叉位置偏離1檔在檔位置測(cè)試曲線Fig.7 Testing curve of 3/1 gear shifting fork position deviating 1 gear position

4 結(jié)論

基于dSPACE的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，構(gòu)建DCT的HIL測(cè)試平臺(tái)，通過對(duì)DCT控制系統(tǒng)原理及其測(cè)試需求的分析研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TCU換擋策略、離合器控制等的功能測(cè)試及多種故障模式下的診斷測(cè)試。功能測(cè)試及故障診斷測(cè)試結(jié)果曲線證明，構(gòu)建的TCU硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)可以有效地對(duì)TCU的功能策略及故障診斷策略進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉璽.濕式雙離合器自動(dòng)變速器換擋過程關(guān)鍵技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2011.LIU Xi. Study on Key Technologies during the Shifting Process ofWet Dual Cluth Transmission [D]. JILIN University，2011.

[2] 吳光強(qiáng)，楊偉斌，秦大同.雙離合器式自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（2）：13-20. WU Guangqiang，YANG Weibin，QIN Datong. Key Technique of Dual Cluth Trandmission Control System [J]，Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43（2）：13-20.

[3] 馬培蓓，吳進(jìn)華，紀(jì)軍，等.dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟件環(huán)境及應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（4）：667-670. MA Peibei，WU Jinhua，JI Jun，et al. Software Environment and Application of dSPACE Real-Time Simulation Platform [J]. Journal of System Simulation，2004，16（4）：667-670.

[4] 陳勇，程秀生，崔愛樂，等.六速雙離合器自動(dòng)變速器開發(fā)[J].汽車技術(shù)，2010（3）：25-30. CHEN Yong，CHENG Xiusheng，CUI Aile，et al. Development of Six-speed Dual Cluth Transmission [J]. Automobile Technology，2010（3）：25-30.

[5] 黃健祥，萬江文.時(shí)間觸發(fā)CAN 總線實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化算法[J].新型工業(yè)化，2013，3（3）：8-16. HUANG Jianxiang，WAN Jiangwen. An Optimization Algorithm for Real-time Scheduling of Time-triggered CAN [J]. The Journal of New Industrialization，2013，3（3）：8-16.

[6] 張峰，陳光武.基于FlexRay 總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2013，3（12）：69-76. ZHANG Feng，CHEN Guangwu. Design of Senor Node Network Based on FlexRay Bus [J]. The Journal of New Industrialization，2013，3（12）：69-76.

[7] 宋軍，李書澤，李孝祿，等.高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析[J].汽車工程，2005，27（5）：546-549. SONG Jun，LI Shuze，LI Xiaolu，et al. Design and Experimental Analysis of Drive Circuit for High-speed Solenoid Valve[J]. Automobile Technology，2005，27（5）：546-549.

[8] 劉建國(guó)，劉振丙，潘超，等.基于一階矩計(jì)算DCT的新方法[J].新型工業(yè)化，2011，1（5）：1-9. LIU Jianguo，LIU Zhenbing，PAN Chao，et al. A Novel Approach to DCT Using Only the First-order Moments [J]. The Journal of New Industrialization，2011，1（5）：1-9.

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.007

*基金項(xiàng)目：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14TXSYJC00456）；天津市科技創(chuàng)新體系及平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：劉全周（1977-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，主要從事汽車硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)研究工作。

Research on Test and Evaluation of DCT Based on Hardware-in-the-Loop

LIU Quan-zhou, LI Zhan-qi, ZHANG Lei, CHEN Hui-peng
(China Automotive Technology & Research Center, Tianjin , 300300)

ABSTRACT:The paper introduces the construction of DCT controller of virtual vehicle test platform forvehicle based on dSPACE Simulator hardware-in-the-loop technique. Test and Evaluation by the simulation of vehicle model and setting up the operation conditions of DCT controller control strategies, diagnostic strategies and interactive network strategies to test validation and pre-calibration of controller parameters, can greatly saves the test of time and the cost of real vehicle test and verification, meetingtest requirements ofthe fault and extreme conditionthat the real vehicletests may not include andproviding an effective way for researching on key control technology of DCT.

KEYWORDS:HIL; DCT; Test and evaluation; Fault injection; Diagnostics