基于線控換擋系統的測試臺架設計

崔書浩，王 瑋，溫 敏，唐程光Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

基于線控換擋系統的測試臺架設計

崔書浩，王 瑋，溫 敏，唐程光
Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

（江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

為了驗證線控換擋系統可靠性，并驗證線控換擋系統控制策略的準確性，開發基于HIL（Hardware in the Loop,硬件在環）的線控換擋系統測試平臺，根據線控換擋系統的控制策略，設計出線控換擋系統測試用例，進一步進行自動化測試驗證。由于換擋操縱桿一般由機械部件組成，設計測試臺架時一般采用信號仿真或使用機械臂模擬駕駛員換擋操作。實際工程中，設計方不開放傳感器協議無法實現信號仿真，采用換擋機械臂實現一種換擋控制測試臺架，可遠程控制換擋操縱桿，實現自動化測試。

硬件在環；線控換擋系統；機械臂；測試臺架

0 引 言

隨著電子技術的飛速發展，汽車上某些傳統機械結構被小巧智能的整車線控取代。常見的車輛線控技術包含線控制動、線控轉向、線控加速踏板、線控懸架以及線控換擋系統；其中，換擋系統經歷從傳統手動換擋發展至機械自動換擋，進而發展為如今電子線控自動換擋[1]。

線控換擋摒棄傳統換擋系統中的機械裝置，僅通過電控來實現傳動，其布置較為靈活，依據換擋開關樣式不同，可大致分為4種：旋鈕式、懷擋式、擋桿式和按鍵式，如圖1所示。

電子換擋控制系統采用線控方案，同時對其功能可靠性驗證提出新的要求；通常采用HIL（Hardware in the Loop，硬件在環）測試平臺實現功能驗證、故障注入驗證，可實現較為全面的測試覆蓋[2]。但HIL測試一般通過電氣信號仿真實現，針對機械部件的測試需要借助測試臺架實現機械動作交互，從而實現信號閉環驗證[3]。

提出一種基于旋鈕式換擋控制系統的測試臺架，通過此臺架可實現HIL測試信號閉環驗證，同時便于實現自動化測試。

圖1 換擋系統電子換擋樣式

1 HIL測試平臺

1.1 線控換擋系統控制原理

換擋控制系統由3部分組成：GSM（Gear Shift Module，換擋開關控制器）、ACM（Action Control Module，換擋控制器）、TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器），其中GSM實現駕駛員控制指令捕獲，通過CAN（Controller Area Network，局域網控制器）總線發送至ACM，再由ACM依據當前車輛狀態判斷最終換擋指令，通過CAN總線發送至TCU，TCU依據收到的指令執行擋位切換動作，網絡拓撲如圖2所示。

注：GSM（Gear Shift Module，換擋開關控制器），ACM（Action Control Module，換擋控制器），TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器）， EMS(Engine Management System，發動機管理系統)，ESC(Electronic Stability Control System,電子穩定控制系統)，EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉向)。

1.2 旋鈕式換擋控制指令

圖3是一種典型的旋鈕式線控換擋控制開關，旋鈕可順時針、逆時針旋轉，開關底部有一圈卡扣，對應16格。

圖3 旋鈕式換擋操縱面板

GSM通過捕獲換擋旋鈕開關狀態識別駕駛員動作，并將其轉化為電氣信號，通過CAN總線發送至ACM，駕駛員操作動作共有7種狀態：向右轉3格、向右轉2格，向右轉1格，無動作，向左轉1格、向左轉2格、向左轉3格，在某個位置停留一定時間后，該位置就會變成復位初始位置，如圖4所示。

圖4 旋鈕式換擋系統指令

GSM將駕駛員動作信號發送至ACM后，ACM依據當前擋位狀態及車輛狀態對目標擋位進行判定，如圖5所示。

圖5 信號傳輸過程

1.3 線控換擋系統HIL測試平臺

旋鈕式線控換擋系統HIL測試平臺通過仿真ACM、TCU、EMS(Engine Management System，發動機管理系統)、ESC(Electronic Stability Control System,電子穩定控制系統)、EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉向)控制器，與GSM控制器進行數據交互。通過測試臺架的GSM旋鈕控制（7種操作指令）模擬駕駛員換擋過程。

2 旋鈕式換擋測試臺架設計

2.1 機械部件設計

采用57步進電機實現旋鈕操作。為了實現步進電機與換擋旋鈕開關固定連接，依據換擋旋鈕三維數據開發出固定卡蓋，借助3D打印技術得到實物，如圖6所示。

圖6 旋鈕開關固定卡蓋

固定卡蓋與步進電機通過同軸連接器與旋鈕開關嵌套，如圖7所示。

注：1.測試臺固定框架；2.57步進電機；3.同軸連接器；4.旋鈕開關固定卡蓋；5.換擋控制面板；6.單片機主控模塊。

測試臺架安裝后實物如圖8所示。

圖8 測試臺架實物

2.2 硬件及核心部件選型

主控板采用Arduino WeMos D1開發板，此開發板以ESP8266 WiFi開發板為基礎開發的功能擴展板，其工作電壓為3.3～5.0 V，主控芯片為32位ESP8266，集成WiFi接口，緩存較大，包含11個數字I/O引腳以及1個模擬輸入引腳，使用Micro-B type USB線進行連接，采用串口通信[4]，實物如圖9（a）所示。

57二相步進電機采用永磁硅鋼片及NSK原裝軸承，定位精度高，輸出力矩較高，響應頻率高，同時運行噪聲低，動態特性好，如圖9（b）所示。

圖9 主控模塊及電機實物圖

57二相步進電機技術參數見表1。

表1 步進電機參數表

57步進電機采用專業的兩相步進電機驅動器實現驅動，可實現正反轉控制，驅動器通過3位撥碼開關實現7擋細分控制，通過3位撥碼開關選擇8擋電流控制，電流區間為0.5～4.0 A，適合驅動57、42型兩相、四相混合式步進電機。可以達到低振動、小噪聲、高速度效果的電機驅動器的技術參數見表2。

表2 步進電機驅動器參數表

輸入信號共有3路，分別為步進脈沖信號、方向電平信號、脫機信號。驅動器與控制器、電機、電源的接線采用共陽接法，如圖10所示。

2.3 控制軟件開發及調試

旋鈕式換擋測試臺架主控單片機采用C語言編程，與HIL測試臺架通過串口或WiFi接口完成數據通信，實現了遠程自動化控制，指令協議如圖11所示。

注：DIR為電機方向控制端，CP為驅動脈沖輸出，+5V為5V電壓上拉，A+為A相電機繞組+，A-為A相電機繞組-，B+為B相電機繞組+，B-為B相電機繞組-，GND為DC16～70 V，VCC為電源輸入負極，EN-為電機使能負輸入，EN+為電機使能正輸入，DIR-為方向負輸入，DIR+為方向正輸入，PUL-為脈沖負輸入，PUL+為脈沖正輸入。

圖11 定義通信數據協議

通信數據采用10字節數據，其中報文頭占2個字節，使用固定數值0xAA和0x55，報文尾占2個字節，使用固定數值0x55和0xAA；控制指令占5個字節，可存儲2次旋轉控制指令；為保證通信數據的準確性，設置校驗碼占用1個字節，置于報文最后。使用串口調試助手，按照圖10中協議進行通信控制功能調試，如圖12所示。

圖12 通信控制調試

3 結束語

HIL仿真測試平臺通過串口或WiFi通信接口與旋鈕式換擋控制系統測試臺架集成，按所定義的通信協議實現閉環控制和自動化測試驗證功能。

[1]張文，楊劍，韋雄，等.面向電控柴油機的車載換擋智能控制策略開發[J].車用發動機，2008（Z1）：102-109.

[2]田鑫, 劉全周, 晏江華,等. 基于HIL的車用電機控制器故障保護策略測試[J]. 電機與控制應用, 2019, 46(11):82-87.

[3]呂峰，歐增開.整車電控系統硬件在環測試技術研究[J].汽車電器，2013（7）：60-62.

[4]張新豐，王春濛, 李健聰，等.“汽車電子控制系統仿真與設計”課程實驗設計[J].電氣電子教學學報，2017（2）：117-119，123.

2021-06-04

1002-4581（2021）05-0037-04

U467.5+23

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.010