某型叉車自動變速器控制系統的快速原型和硬件在環試驗研究

張炳力 董彥文 胡福建 劉宗其,2

1.合肥工業大學,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變速技術對減輕駕駛員疲勞程度、提高車輛動力性和減少燃油消耗有重要作用[1]。傳統的工程車輛自動變速器控制器(transmission control unit,TCU)開發過程需要大量的實車試驗，存在周期長、效率低的問題,還可能由于控制算法的欠缺和錯誤造成試驗設備損壞甚至發生危險工況。本文采用基于模型的“V型開發模式”[2]開發了四速叉車自動變速器控制器，建立了基于動態三參數(車速、工作泵壓力和油門開度)的換擋控制策略，利用dSPACE進行了快速控制原型和硬件在環仿真試驗，驗證了所建立的叉車自動變速器控制模型的正確性，達到了試驗的預期要求。

1 快速控制原型試驗

本文在TCU的快速控制原型(rapid control prototyping,RCP)試驗[3-4]中,使用dSPACE作為模擬的TCU,將實車變速器作為被控對象進行控制,TCU開發人員可以快速地對整個控制系統進行試驗、調試以不斷改進控制系統的性能，TCU快速控制原型的整體示意圖和試驗實物圖分別見圖1a和圖1b，包括MicroAutoBox、實車變速器、PC機和電磁閥驅動電路等。

(a)整體示意圖

(b)試驗實物圖圖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輸入模型、換擋控制策略模型、執行機構和信號輸出模型等部分，如圖2所示。

圖2 快速控制原型整體模型

1.1.1信號輸入模塊

在快速控制原型試驗階段,輸入信號包括工作泵壓力、油門開度、車速、撥桿信號,使用dSPACE的RTI(real-time interface)中的信號采集模塊進行信號采集,其中工作泵壓力信號、油門信號是模擬量信號，車速信號是脈沖信號，撥桿信號是開關量信號，它們都需要通過相應的信號預處理和標定后才能成為控制系統能夠識別的信號。

1.1.2換擋控制模塊

為了動態地反映叉車的換擋過程，提高其動力性并降低燃油消耗和減小換擋沖擊，在叉車工作循環中，依據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時檢測工作泵的工作壓力來動態地選擇換擋規律。設工作泵滿載工作壓力為p1,空載時工作泵工作壓力為p0,則工作泵半載工作壓力p2=0.5(p1+p0),若檢測到工作泵工作壓力為p,則換擋原則如下：

(1)當p

(2)當p2-0.5p2≤p≤p2+0.5p2時,執行工作泵半載換擋規律；

(3)當p>p2+0.5p2時，執行工作泵滿載換擋規律。

為得到3種不同工況下的換擋規律曲線[6],首先繪制出不同工況下的叉車發動機和液力變矩器聯合輸入特性和聯合輸出特性曲線；接著完成不同工況下叉車的牽引特性的計算，繪制出相應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，該交點就是最佳動力性升擋點，將求得的升擋點在α—v(油門開度—車速)的坐標系中畫出，即為這兩擋之間的最佳動力性升擋曲線；然后用同樣的方法得到其他擋位最佳動力性升擋曲線，再按照兩參數換擋規律類型進行組合，加上一定的換擋延遲，就可以得到最佳動力性換擋規律的降擋曲線，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的3種工況下的三參數換擋規律曲線,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律曲線

根據上述求出的不同工作泵載荷下升降擋規律曲線和制定的工作泵載荷劃分區間，建立了基于MATLAB/Simulink/Stateflow的動態三參數換擋控制模型，如圖4所示。

圖4 換擋控制模型

1.1.3執行機構控制模塊

本文所研究的叉車變速器有一個空擋、4個前進擋和4個后退擋，其換擋執行機構的動作是由相應的電磁閥來控制的,包括一個前進擋電磁閥、一個倒擋電磁閥和一擋、二擋、三擋、四擋電磁閥組成，不同擋位時各電磁閥動作邏輯表見表1。

表1 不同擋位時電磁閥的動作邏輯表

根據上述電磁閥工作邏輯，建立不同擋位下的電磁閥工作模型，同時加上RTI中的相應信號輸出接口模塊，構成了執行機構和信號輸出模型，如圖5所示。

圖5 執行機構和信號輸出模型

1.2 TCU快速控制原型仿真試驗結果分析

1.2.1控制策略模型的仿真結果

圖6所示為快速控制原型試驗中控制策略模型的仿真結果,可以看出,第0～150s為叉車開始出發至貨叉鏟好負載過程,此時工作泵處于空載狀態;150～155s為提升貨叉過程，工作泵壓力經歷了由空載變為滿載過程;155～420s為運送貨物過程，這一過程中工作泵壓力變化不大;420～445s為舉升貨叉過程，此時工作泵壓力達到最大值;445～465s為卸掉一半負載的過程，工作泵壓力經歷了由滿載變為半載過程;465s以后為工作泵半載工作過程。從圖6可以看出,輸出結果擋位能夠很好地根據輸入信號泵壓力、油門開度和車速的不同而準確實時地變化，即驗證了換擋控制策略的正確性，為后續試驗打下了基礎。

圖6 工作泵壓力、油門開度、車速、擋位仿真圖

1.2.2執行機構模型的仿真結果

圖7所示為擋位和相應擋位時的電磁閥動作曲線對應關系,圖中，縱坐標“電磁閥開閉”中，0表示電磁閥開啟，1表示電磁閥關閉。由圖7可以看出，對應的擋位和各個擋位的執行元件能夠按照換擋邏輯的要求正確動作，從而驗證了執行機構策略的正確性。

圖7 擋位、各執行元件動作圖

2 TCU硬件在環仿真試驗

TCU硬件在環(hardware-in-the-loop,HIL)仿真[7]就是將真實的控制器運行在虛擬或半虛擬的環境中，運行在實時仿真器中的整車模型產生相應的傳感器信號發送給TCU和相應的外圍設備，同時實時仿真器接收TCU發出的控制信號并進行TCU測試。通過TCU硬件在環仿真試驗不僅可以加速TCU開發，更能夠減少實車試驗和臺架試驗，并可進行失效測試和故障模擬等[8]。

2.1 TCU系統的開發

整個TCU系統的開發包括軟件設計和硬件設計兩大部分，其中軟件設計又包括兩部分：一是直接由targetlink將控制系統模型轉換生成為應用層代碼，包括換擋控制策略和執行機構部分代碼，這是整個軟件的核心部分；二是針對所用的嵌入式系統編寫底層驅動代碼,底層驅動代碼是應用層代碼與外部信息交互的基礎,具體來說包括操作系統、A/D轉換、脈沖信號采集、CAN等底層驅動代碼。本試驗中選用飛思卡爾公司的MC9S12系列芯片作為嵌入式系統主控芯片，因此也就是在codewarrior環境下，對底層驅動代碼和生成的應用層代碼進行正確的整合和調試，形成一個完整的TCU軟件[9-10]。

硬件部分設計主要是根據所選用的控制器主芯片特點，設計好最小系統、必需的外圍接口電路和相應的電磁閥驅動電路。S12系列單片機內部已經集成了常用的信號處理模塊，如A/D、脈沖采集、SPI通信等模塊，可直接調用這些功能模塊。但對于SCI、CAN等通信模塊,S12內部只集成了控制器模塊，應用這些模塊時必須外加相應的驅動芯片和收發器。同時要設計一定的保護電路來保護重要元器件并增強所設計電路的抗干擾能力[11-12],所設計的TCU實物圖見圖8。

圖8 TCU實物圖

2.2 硬件在環仿真試驗

控制器硬件在環仿真試驗方案如圖9所示，TCU樣機的輸入為撥桿信號、工作泵油壓信號、油門信號和車速信號，輸出信號為電磁閥控制信號(開關量信號)，未經處理的開關量信號直接經由RTI接口接到dSPACE中，經過電磁閥驅動電路后的開關量信號則接到臺架上變速器的電磁閥；同時工作泵油壓信號、油門信號和制動信號通過RTI接口輸入到仿真環境中的整車模型，通過模型計算出車輛行駛的速度信號并經RTI接口變成脈沖信號后輸出給TCU樣機；進行不同工況下的試驗時，分別調用Simulink中建立的相應工況下的發動機輸出特性look-up表，同時根據選用的電機變頻器的控制特點，可由dSPACE的RTI接口輸出控制信號至三相交流異步電機變頻器，從而達到實時控制電機輸出轉速和轉矩的目的，即模擬不同工況下的發動機輸出特性；同樣，根據模型實時計算出車輛行駛阻力大小信號和電渦流測功機控制器的控制特性，可以將汽車阻力信號經過dSPACE的RTI接口轉換為控制信號施加到測功機控制器上，通過實時控制定子勵磁電流的大小來控制電渦流測功機提供的負載大小，即模擬出當前工況下的負載大小。最后將臺架上自動變速器的渦輪轉速信號和輸出軸轉速信號通過RTI接口接到dSPACE中，通過計算傳動比計算出當前實際擋位。

圖9 硬件在環試驗臺總體方案

圖10所示為搭建的硬件在環仿真模型，它包括TCU電磁閥動作監視模型、實際擋位計算模塊、虛擬的整車模型以及與外界通信的RTI接口等，是對圖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、制動信號和撥桿信號，輸出信號是車速信號、汽車行駛阻力、發動機轉速信號和理論擋位；實際擋位計算模塊通過計算變速器渦輪轉速和輸出軸轉速計算出真實的擋位；TCU電磁閥動作監視模塊能夠實時地記錄和監視對應擋位下的電磁閥動作曲線，該曲線反映了真實的電磁閥動作情況。

圖10 硬件在環試驗模型

通過以上硬件在環仿真模型可以方便地比較TCU實際輸出擋位和理論擋位的差異，檢測出執行機構動作的實時性和正確性，進行相關故障和極限模式下的測試等。通過硬件在環仿真試驗可以驗證TCU樣機控制程序的控制效果，可方便地對控制參數進行有針對性的修改，為后續實車標定和上路試驗打下基礎。

2.3 硬件在環仿真試驗結果分析

本文使用dSPACE自帶的試驗軟件ControlDesk來實現對硬件在環試驗過程的綜合管理，試驗結果的界面圖見圖11。圖11a所示為ControlDesk監視的來自TCU的電磁閥動作控制信號，通過監視TCU樣機輸出的電磁閥動作控制信號，可以驗證當前實際擋位和換擋的實時性以及換擋控制信號和執行機構間相互配合的情況等。圖11b所示為采集到的實時顯示的變速器的渦輪轉速和輸出軸轉速以及經過實際擋位計算模塊計算出的實際擋位，它能夠準確地反映當前變速器的實際擋位。圖11c所示為整車模型中運行得到的理論擋位、車速以及外部輸入的油門信號，通過比較圖11a和圖11c能夠驗證TCU樣機控制程序與理論上的準確值之間的差異，從而為進一步改進TCU樣機控制程序做準備。

下面以15s時刻的結果為例進行說明，此時圖11b顯示臺架上的自動變速器渦輪轉速為680r/min,輸出軸轉速為500r/min，兩者之比即為當前擋位的傳動比。通過實際擋位計算模塊計算出真實擋位為3擋；由圖11a可以看出，TCU樣機輸出的電磁閥控制信號中只有3擋電磁閥控制信號為高電平，其他電磁閥控制信號都為低電平，即TCU樣機輸出為3擋；圖11c顯示在當前油門開度、車速狀態下，由整車模型計算出的理論擋位為3擋;其他時刻都可以進行與上述過程一樣的測試和比較。試驗結果表明,本文設計開發的TCU程序滿足實時性和準確性的要求,達到了預期的目的。

3 結語

本文針對叉車自動變速器控制系統進行了快速原型和硬件在環試驗，提出了根據工程車輛油門開度、車速和工作泵壓力為控制參數的三參數換擋規律，并以此為基礎建立了控制系統模型。從仿真試驗結果看，所建立的控制系統模型能隨著工況的變化進行合適的換擋，符合叉車的實際工作狀態。通過快速控制原型試驗進一步驗證了將控制系統模型應用在實車中的正確性。最后通過硬件在環試驗驗證了控制程序在真實TCU中的控制效果，為下一步的實車標定和上路試驗打下良好的基礎。基于模型的“V型開發模式”能夠大大縮短了TCU的開發周期，節省開發費用。

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