機電控制無級變速器控制單元硬件在環測試系統

夏　超，李　鑫，程　越

(重慶理工大學　a.車輛工程學院;

b.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶　400054)

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機電控制無級變速器控制單元硬件在環測試系統

夏超a，李鑫b，程越b

(重慶理工大學a.車輛工程學院;

b.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶400054)

介紹了基于LABCAr硬件在環測試系統的搭建方法及系統調試方法。以機電控制無級變速器控制單元為測試對象，通過對TCU的需求分析，搭建了基于LABCAR測試平臺的硬件在環測試系統。該系統滿足TCU基本功能、控制策略、故障診斷的測試要求，同時具備了系統實時性、開放性和可擴展性。

硬件在環；機電控制無級變速器；TCU；LACBCAR

采用全新技術的機電控制無級變速器(electronic-mechanical continuously variable transmission，EMCVT)拋棄了傳統金屬帶式無級變速器中泵、閥、液力變矩器等高能耗、高故障率和高成本的液壓系統，以電機、齒輪系和螺旋彈簧等組成的變速機構進行無級調速[1-9]，實現汽車傳動系統與實際工況的最佳匹配，從而提高能量轉化效率、降低整車能耗。EMCVT控制器是實現EMCVT與發動機最佳匹配的關鍵,實質是通過控制離合器電機和調速電機使EMCVT具有最佳傳動效率。

硬件在環仿真測試為現今控制器開發必不可少的環節。LABCAR是德國ETAS公司開發的硬件在環仿真測試系統[2]。它是一部虛擬的實驗室汽車，與真實的汽車一樣能接收控制器發出的控制信號，根據信號特征快速作出響應，向控制器傳輸當前運行狀況的信號。通過該測試系統可以盡早發現控制系統軟硬件出現的不足，取代臺架及實車測試，降低了開發成本，提高了開發效率,縮短了開發周期,保證了控制系統的安全性和功能性。

1　測試系統需求分析及方案確定

TCU硬件在環仿真測試利用EMCVT仿真模型來表現實際變速器的特性，將EMCVT模型化，進而構建一個虛擬的測試環境，為TCU的開發、測試提供一個平臺。在該平臺上，要求能模擬車輛行駛的各種復雜工況，滿足TCU控制功能的測試需求，完全集成Matlab/Simulink，且最大程度地與已有模型或第三方模型兼容。同時要求在高速仿真時，測試人員可以通過對上位機監控面板上的實驗參數進行修改，實現變速器運行工況的改變，并且可以實時跟蹤TCU的輸出結果變化，對TCU進行功能邏輯、控制策略、故障診斷的測試。同時，可以對TCU產生的各種反饋信號進行讀取、存儲、分析。

硬件在環測試系統不僅要為TCU提供測試環境，還要實現對TCU的調試與測試。由于TCU由硬件和軟件2部分組成，因此，測試系統要實現對TCU軟件的調試和軟硬件的測試。硬件測試是在TCU測試程序的支持下，測試控制器的各個模塊硬件是否正常工作，包括MCU是否正常工作、TCU的輸入電路能否檢測到各個傳感器的輸出信號、TCU的輸出電路能否正確驅動各個執行器、通信模塊是否能正常通訊等。軟件測試包括TCU能否正確識別各個傳感器信號所包含的信息、TCU的控制策略是否正常合理等。因此，從實際工程應用的角度考慮，測試系統必須滿足系統的實時性、開放性和可擴展性。

根據以上需求建立硬件在環測試系統，完成硬件選型、線束設計、軟硬件配置、實時仿真模型的建立等系統搭建工作，在此基礎上，完成系統閉環調試工作。

2　LABCAR硬件在環系統

LABCAR硬件在環仿真測試系統如圖1所示。LABCAR系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。硬件系統主要由仿真工控機、斷接盒面板、IO信號板卡箱、負載板卡箱、故障注入單元、可編程電源組成。軟件系統則由系統仿真模型、上位機操作軟件Labcar OPERATOR組成[3]。圖2為EMCVT 控制器基于LABCAR HIL系統的總體架構。

圖1　LABCAR硬件在環仿真測試系統

圖2　LABCAR系統總體架構

2.1硬件系統

1) 仿真工控機RTPC

LABCAR所用仿真工控機為運行實時操作系統Linux的標準PC，用來進行仿真模型運算。

2) 斷接盒面板ES4640

ES4640的主要功能是與ECU相連，為各種信號類型提供標準的信號接口。ES4640與系統搭建和調試相關的接口是前面板和后面板。前面板為各種相關信號提供斷接功能，后面板為各種負載提供連接端口。前面板背面的信號端子跟ES4440連接支持故障注入功能，同時前面板背面也提供了跟板卡箱ES4100的內部線束連接。

3) I/O信號板卡箱ES4100

ES4100板卡箱含有21個VME板卡插槽，可根據ECU信號需要靈活配置IO板卡。表1展示了VME板卡的種類。

表1　VME板卡的種類

4) 負載板卡箱ES4408

負載箱ES4408為硬件在環系統下的電控單元ECU測試提供電負載，包括仿真電磁閥噴油器和大量的電流源負載，而且還配有大量的上拉、下拉負載。ES4408可安裝12張負載板卡。負載箱背面安裝有以太網聯接接口ES4408CON，用戶通過此接口對負載配置進行控制。內部控制器監控所有內部功能，便于對控制信號和參數進行掃描。此外，ES4408配有通用電源。

5) 故障注入單元ES4440

ES4440主要用于ECU信號的電氣故障注入，可獨立使用或與硬件在環測試系統結合使用。ES4440.1具有CAN和以太網接口，用于遠程控制故障模擬模塊。ES4440能支持的故障類型有對地/電源/其他信號短路、斷路、虛接、漏電流等。一個故障注入單元最多支持16路高電壓和64路大電流的故障模擬。如通道數不夠，系統支持多個ES4440的級聯。

6)可編程電源LAMBDA 50-30

LABCAR系統標配的電源是可編程直流電源LAMBDA50-30，電壓調節范圍為0～50 V，電流范圍為0～30 A。系統主要利用電源控制板卡ES1391.1來控制直流電源的輸出，利用大電流開關板卡ES1392.1來管理各節點的供電。

2.2軟件系統

LABCAR上位機操作軟件主要包括用于系統集成和手動測試的LABCAR Operator(LCO)軟件和用于故障注入控制的Pin Control軟件。

1) LABCAR Operator軟件

LABCAR系統的用戶界面軟件LABCAR Operator的LCO IP用于系統配置工作，并和LCO EE(圖3)一起完成實驗的建立和運行。LABCAR軟件運行于裝有Windows的 PC。

LCO IP提供了系統用戶界面來配置LABCAR的硬件，建立模型和硬件之間的信號連接，并生成測試代碼，下載到RTPC中執行。用于CAN總線模擬的配置工作也用這個軟件完成。該模型的硬件配置嚴格分離，確保各個項目的高度可重用性。

LCO EE提供了測試執行的用戶界面。該界面實現了實驗和圖形用戶界面、集成的參數和數據管理、代碼下載、實驗執行、實時信號產生和測量數據記錄，以及信號管理等功能。

圖3　LCO EE

LABCAR的實驗環境可以顯示CAN報文的特殊圖形用戶界面。在模擬過程中，信息信號值的簡單操作通過圖形界面顯示，可輸入值為十進制或十六進制。同時 LABCAR插件NIC提供了定制的C代碼在CAN消息發送和接收程序的可能性。

2) Pin Control軟件

LABCAR-Pin Contro為ES4440的上位機軟件，具有方便用戶使用的接口，可實現ES4440的手動操作。軟件可實現的功能如下：① 創建并管理故障模式，產生ECU信號的一系列故障;② 簡化故障仿真信號的選取;③ 設置故障產生的時間;④ 通過點擊鼠標來觸發故障;⑤ 設置多臺ES4440同時使用;⑥ 提供自動化測試的API接口。

3) ECU線束設計

ECU線束設計是系統供電、模數信號傳輸、通訊傳輸的橋梁。線束繁多雜亂，所以對線束的設計尤為重要。ECU與LABCAR的線束連接如圖4所示。

線束設計的基本原則：① 根據ECU確定是否制作一條線束，或制作分段式線束；② 評估ECU工作電流，合理分配供電節點，注意常電、主繼電器、各節點的連接關系；③ 轉速傳感器的通道選擇與ECU處理轉速的方式有關，根據需要可選擇ES1335通道和ES1321通道；④ 角位移傳感器的通道通常選擇DA通道；⑤ 換擋器輸出的通道通常選擇DO通道；⑥ 電機控制信號的通道選擇與是否外接負載有關，如果外接負載，需選擇與LOAD1-LOAD8對應的通道，如果不外接負載，可任意選擇DI通道連接；⑦ 需要考慮DI/DO信號參考的選擇和連線。

圖4　線束連接

2.3LABCAR系統配置

LABCAR系統配置的主要任務是在硬件系統完成搭建和連線正確的基礎上進行軟件配置，保證各通道信號按照設計需求與ECU正常交互。 LABCAR-RTC是LCO軟件中進行硬件模塊集成和配置的插件，RTIO編輯器是該插件在LCO軟件中的用戶編輯界面。

表2列出了本項目硬件系統中配置的部分I/O板卡類型和功能。以下對本項目系統部分板卡功能及配置作簡要說明。

1) ES1391電源控制板卡

Pwrctrl用于電源控制。ES1391最多支持2個通道的電源控制。由于硬件系統使用的是Delta電源，根據電源類型只能選擇Other Power Supply Types。除此以外，根據需要限制輸出電壓和輸出電流。

Swctrl用于對ES1392的節點開關控制。DigOutCtrl_0-DigOutCtrl_4為電源節點的使能標志，根據Spec定義， DRVPA和DRVPB由主繼電器控制，而ES1392內置繼電器可作主繼電器功能。

2) ES1321數字/PWM信號輸入/出板卡

ES1321信號連接關系如表3所示，其中：輸入信號有2種類型：數字輸入和占空比輸入；輸出信號有2種類型：數字輸出和頻率輸出。每塊ES1321板卡為輸入和輸出分別提供2路參考。

表2　系統板卡配置

表3　ES1321信號連接關系

ES1321-In-HW-Globals用于數字信號高低電平配置。在配置過程中：Threshold主要定義數字/PWM信號高低電平轉化的門檻值； Threshold設置支持手動設置電壓值。Threshold設置需根據實際ECU信號決定，可通過示波器顯示的信號作為判斷依據。

ES1321-In-Meas-Signals用于數字信號測量對象的選擇，在配置過程中，Measurement Procedure為測量對象選擇，如果是數字信號，則應選擇Level(Active High)或者Level(Active Low)；如果是PWM信號，則應選擇Duty Cycle L或Duty Cycle H。

ES1321-Out-DigPWM-Signals 用于數字/PWM輸出信號配置，在配置過程中：Output Usage為輸出信號選擇；Hardware Update為PWM信號輸出更新方式選擇； Cycle End對PWM信號的更改只在當前PWM信號當前周期完成后發生。

3) PB4350DAC 模擬信號輸出板卡

在配置過程中，PB4350DAC-Signals Data用于硬件通道基本配置。DAC通道如選擇Internal Reference，有信號發生時Data中實時顯示的數值為電壓值；DAC通道如選擇External Reference，則通道的參考電壓為ECU提供的外接參考，信號發生時Data中實時顯示的數值為相對于參考電壓的百分數。

3　實時仿真模型

在HIL測試中，仿真模型的精度直接決定了測試結果的有效性．如果模型過于簡單，則無法反映車輛動力學的真實特性；模型過于復雜則會影響其計算速度，仿真結果也較難收斂。

基于人-車-路的仿真模型如圖5所示，包括駕駛員模型、環境模型以及車輛模型。其中：駕駛員模型(driver)用于模擬加速、剎車、換擋、停車等操作；環境模型(environment)用于模擬車輛行駛時的溫度、壓力、坡度等因素；車輛模型(vehicle)由發動機、傳動系統、車輛動力學、輔助機構四大子模型組成[4]。本項目在已有模型的基礎上，根據 EMCVT HIL測試系統要求，對該模型進行適當剪裁，基于Matlab/Simulink在傳動系統模型中增加EMCVT模型，建立EMCVT控制器硬件在環測試所需的仿真模型。

圖5　基于人-車-路的仿真模型

4　系統集成調試及工況測試

系統集成調試是在系統搭建完成的基礎上對系統進行開環調試和閉環調試，驗證傳感器、執行器、接口模塊功能，以及控制器基本功能和基本控制策略。

4.1系統調試方法

開環激勵驗證傳感器和執行器功能。在模型中設置物理值，用標定軟件監控ECU讀取值進行比對。ECU設置占空比和數字量，在LCO EE中讀取進行比對。

在Simulink環境中手動給定電機占空比和方向，根據需要的角位移變化是否合理來判斷電機和驅動模塊的參數是否合理，比對各種參數進行初步參數化。

編寫電機接口模塊，分析ECU控制接口和模型電機接口以確定電機方向與角位移的關系。

通過ECU激勵開環調試電機響應，手動給定各電機的工作條件，觀察電機響應和角位移的運動是否合理。

閉環調試怠速穩定和離合器磨合過程，觀察速比變化時的跟隨性。

4.2系統調試結果

開環激勵驗證傳感器和執行器功能。以離合器錐盤位置為例，它是通過錐盤位置角位移傳感器進行測量的，在本次測試中，通過比較模型輸出值、板卡輸出值、TCU測量值這3個數據來驗證TCU測量信號的偏差。表4給出了離合器錐盤位置信號的測試結果，從表中可以看出：TCU測量值的偏差很小，在允許范圍(0.07 V)之內；TCU能準確地識別讀取傳感器信號值，對傳感器信號的采集正常。

表4　離合器錐盤位置信號測試結果

在調試過程中，出現電機方向和角位移判斷不對的情況。通過開環激勵的方式修正后解決問題。發動機出怠速后，調速時輸出扭矩超限導致模型卡死，只有在每個模塊中限制扭矩輸出，不考慮慣性扭矩。簡化離合器磨合計算，將扭矩線性化提升進出怠速魯棒性。

4.3系統工況測試

EMCVT硬件在環測試系統主要對離合器以及調速機構的功能進行驗證。系統通過循環工況測試，采集所需信號輸出結果，分析離合器的結合情況，主要包括是否出現起步結合抖動等問題。分析調速機構的調速情況，如加減速時速比跟隨性是否滿足要求、車速跟隨是否良好等，從而完成控制單元的功能驗證。

本項目使用ECE2循環工況，通過LABCAR操作軟件導入到測試系統中，將駕駛員操作模式從手動切換到自動模式，選定所需測試循環工況。系統將根據循環工況所設定的速度作為目標車速輸入，再通過模型計算以及EMCVT控制單元的調速功能完成循環工況的模擬試驗。

圖6為調試之后進行工況試驗的測試效果。采集了發動機轉速、目標車速、實際車速、CVT速比等數據。從測試結果來看，發動機出怠速時轉速不穩，魯棒性較差，通過簡化離合器磨合計算和扭矩線性化可以改善這一問題。實際車速與目標車速跟隨性良好，速比調節滿足實際要求。該硬件在環測試系統滿足EMCVT控制單元基本功能的測試要求。

圖6　測試效果

5　結束語

為了滿足對機電控制無級變速器控制單元測試要求、驗證其硬件與控制算法功能的有效性和可靠性，搭建了機電控制無級變速器控制單元硬件在環測試系統。

利用機電控制無級變速器控制單元硬件在環仿真系統進行了仿真測試，結果表明：所搭建的硬件在環測試系統能滿足控制單元軟硬件的實時驗證及優化控制要求,為變速器電子控制單元的開發提供了很好的仿真測試平臺。

下一步可結合LABCAR的故障注入功能，完善TCU的故障診斷測試，為其產品化奠定基礎。

[1]楊新樺.金屬帶式無級變速器控制系統和控制策略研究[D].武漢：華中科技大學,2010.

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[3]邵華,錢人一,郭曉潞,等.LabCar的功能與構成[J].世界汽車,2002(11):22-24.

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[7]彭江,馬翔,夏超,等.搭載機電控制CVT的電子換擋系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2015(11):28-36.

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(責任編輯劉舸)

Hardware in the Loop Test System of Transmission Control Unit for Electronic-Mechanical Continuously Variable Transmission

XIA Chaoa, LI Xinb, CHENG Yueb

(a.College of Vehicle Engineering; b.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts, Ministry of Education， Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

This article focused on the building method and the system debugging method based on LABCAR hardware in the loop test system. As the test object of electronic-mechanical continuously variable transmission control unit, the hardware in the loop test system based on LABCAR test platform will be built according to requirements analysis of TCU. This system meets the demands of TCU’s basic functions test, control strategy test and fault diagnosis test. Meanwhile, it posses the characteristics of real-time, openness and extensiveness.Key words：hardware in the loop; electronic-mechanical continuously variable transmission; TCU; LACBCAR

2016-07-13

國家自然科學基金資助項目(51275549)

夏超(1991—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事車輛傳動系統及其控制研究，E-mail：523869820@qq.com。

format：XIA Chao, LI Xin, CHENG Yue.Hardware in the Loop Test System of Transmission Control Unit for Electronic-Mechanical Continuously Variable Transmission[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):18-25.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.003

U463

A

1674-8425(2016)09-0018-08

引用格式：夏超，李鑫，程越.機電控制無級變速器控制單元硬件在環測試系統[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):18-25.