基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測試評價技術(shù)研究

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

基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測試評價技術(shù)研究

劉全周，李占旗，張蕾，陳慧鵬
（中國汽車技術(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試平臺，通過整車模型仿真和運行工況設(shè)置對DCT控制器的控制策略、診斷策略以及網(wǎng)絡(luò)交互式功能策略進行測試驗證和控制器參數(shù)預(yù)標定，極大的節(jié)省了實車測試驗證的試驗時間和成本，滿足實車測試所不能覆蓋的故障和極限工況測試需求，對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；測試評價；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控制器測試評價技術(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

雙離合器自動變速器（DCT）作為一種新型的自動變速器，憑借其傳動效率高、換擋平順無中斷等優(yōu)點，以及廣闊的市場前景，吸引了國內(nèi)自主品牌企業(yè)相繼投入研發(fā)設(shè)計，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)計到實車測試驗證階段，整體來說還不具備較完善的測試平臺和測試流程，尤其是DCT變速器控制策略及故障診斷策略的測試驗證方面，還處于簡單的臺架及手動測試階段。這種模式只能對常規(guī)的邏輯類功能進行驗證，不能覆蓋到包括復(fù)雜交互式性能、故障（電器、功能）注入、極限工況以及對時間參數(shù)有嚴格要求的工況測試，況且這些工況在實車測試環(huán)節(jié)中也未必能遇到。從而給車輛運行造成潛在的行車危險。

硬件在環(huán)測試技術(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等，為電控單元提供一個虛擬的整車環(huán)境，能夠模擬實車試驗中的各種工況以及實車試驗中難以實現(xiàn)的特殊或者危險的行駛工況，從而可以在控制單元進行裝車道路試驗前完成對控制單元全面的測試。

本文所述為基于dSPACE Simulator的硬件在環(huán)測試技術(shù)，構(gòu)建6速濕式DCT 變速器測試所需的整車測試環(huán)境，從而對DCT變速器的關(guān)鍵技術(shù)進行測試驗證及評價研究。

1 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)研究目標，首先基于dSPACE Simulator設(shè)計搭建硬件仿真平臺，該平臺提供控制器所需的車輛電器環(huán)境和運行環(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IO模型進行配置，根據(jù)整車參數(shù)，對車輛模型進行參數(shù)化，結(jié)合實車或臺架數(shù)據(jù)對整車模型進行校驗。最終滿足DCT測試所需的車輛閉環(huán)系統(tǒng)。基于該環(huán)境，對DCT控制器的功能策略、故障注入及診斷策略、網(wǎng)絡(luò)交互式功能策略進行測試驗證。

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個撥叉位置傳感器（1/3，2/6，4/R，5/N）、2個溫度傳感器（變速器油溫和離合器溫度）以及2個離合器壓力傳感器；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，起動機繼電器，點火開關(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)需要考慮試驗管理及測試開發(fā)平臺、系統(tǒng)I/O模型以及整車模型。試驗管理軟件能夠進行數(shù)據(jù)采集、記錄、管理和圖表分析，測試軟件用于開發(fā)測試腳本和自動化測試序列。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)動機、變速器、車輛動力學(xué)、道路環(huán)境以及駕駛員模型等。

2 硬件仿真平臺設(shè)計搭建

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)測試平臺。系統(tǒng)測試平臺主要包括系統(tǒng)硬件測試機柜Simulator及輔助臺架、試驗管理和測試軟件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)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩等進行分析計算，對換擋電磁閥、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行控制，進而實現(xiàn)對變速器奇偶軸的預(yù)掛檔位、兩個離合器的傳遞扭矩、離合器油溫的控制[1-2]。

Simulator機柜為德國dSPACE提供的電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試專業(yè)設(shè)備，配置有實時處理器和豐富的IO信號調(diào)理板卡、CAN仿真板卡，能夠?qū)刂破鞯腎O接口信號進行仿真與采集，對殘余總線節(jié)點進行仿真，同時配置有電氣故障注入板卡能夠進行電氣故障注入[3-4]。上位機PC通過網(wǎng)線或光纖與Simulator連接，實現(xiàn)實時仿真模型的編譯下載及測試的運行管理。

2.2 IO模型配置

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

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

圖1 DCT變速器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)平臺框圖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TCU進行HIL測試時可直接根據(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)點多于表1）。

2.3 開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標定及閉環(huán)實現(xiàn)

開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)測試與標定主要是對HIL機柜與TCU各IO通道電氣信號及CAN信號是否正常進行測試，并對HIL機柜與TCU接口物理信號的一致性進行標定，從而為TCU提供一個準確可靠的整車電氣運行環(huán)境。

以3/1檔撥叉位置傳感器信號標定為例，通過創(chuàng)建的ControlDesk上位機測試管理界面控制HIL機柜仿真的3/1檔撥叉位置值，然后通過CANape讀取TCU內(nèi)部識別的此撥叉位置值，配置調(diào)試完成的測試曲線見圖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標定曲線Fig.3 Calibration curve of 3/1 gear shifting fork position sensor signal

3 測試開發(fā)及試驗驗證

3.1 功能測試

功能測試基于閉環(huán)系統(tǒng)以及設(shè)計創(chuàng)建的功能測試管理界面并依據(jù)功能測試規(guī)范進行，設(shè)計合理而覆蓋度高的測試規(guī)范是使測試全面有效的保證，測試規(guī)范依據(jù)控制器功能需求規(guī)范、相關(guān)標準、實際中遇到的問題等進行設(shè)計，考慮道路條件、典型及復(fù)雜工況。功能測試管理界面實現(xiàn)硬件管理、模型下載及變量管理的同時實現(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)信號的監(jiān)控。

基于構(gòu)建的閉環(huán)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對TCU功能的測試，圖5是換擋規(guī)律測試中30%定油門升檔的部分測試結(jié)果曲線，上面曲線是DCT實際有效的檔位，中間曲線分別是發(fā)動機轉(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 故障診斷測試

故障診斷測試通過為TCU設(shè)計故障仿真平臺，對TCU注入相關(guān)故障，結(jié)合功能測試工況，測試TCU對注入故障的識別及相應(yīng)的安全處理措施，從而實現(xiàn)對TCU故障診斷策略的測試。

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)行器信號的開路和短路，功能故障主要包括機械故障和CAN信號故障。

針對兩種故障類型，診斷測試平臺開發(fā)主要進行電氣故障注入環(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時仿真模型開發(fā)故障模型模塊實現(xiàn)對機械故障的仿真，如換擋撥叉偏離在檔位置、一軸多檔預(yù)掛、變速器傳動比錯誤等，通過配置殘余總線報文信號實現(xiàn)對CAN信號故障的仿真，如某報文信號無效、Checksum錯誤等。

診斷測試平臺通過上位機故障注入管理界面（ControlDesk軟件）控制HIL機柜對電氣故障與功能故障的注入與恢復(fù)，并對對車輛狀態(tài)和TCU指令進行監(jiān)視，同時利用診斷工具加載診斷數(shù)據(jù)庫讀取控制器的故障碼，如圖6所示。

圖4 TCU實時仿真模型集成Fig.4 TCU real-time simulation model integration

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

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

如當變速器奇數(shù)軸預(yù)掛1檔時，通過故障注入模塊控制3/1檔撥叉位置從在檔位置（12mm）移動到非正常位置（5mm），使其偏離1檔在檔位置（≥7.5mm），檢測到此故障后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，該故障部分測試結(jié)果曲線見圖7，同時通過診斷工具可以讀取到TCU相應(yīng)的故障碼。

圖6 診斷測試平臺示意圖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)測試系統(tǒng)，構(gòu)建DCT的HIL測試平臺，通過對DCT控制系統(tǒng)原理及其測試需求的分析研究，實現(xiàn)了對TCU換擋策略、離合器控制等的功能測試及多種故障模式下的診斷測試。功能測試及故障診斷測試結(jié)果曲線證明，構(gòu)建的TCU硬件在環(huán)仿真測試平臺可以有效地對TCU的功能策略及故障診斷策略進行驗證和測試。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.007

*基金項目：天津市科技計劃項目（14TXSYJC00456）；天津市科技創(chuàng)新體系及平臺建設(shè)計劃項目

作者簡介：劉全周（1977-），男，工學(xué)碩士，高級工程師，現(xiàn)任職于中國汽車技術(shù)研究中心，主要從事汽車硬件在環(huán)測試技術(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