基于硬件在環系統的液力自動變速器控制策略開發驗證

摘要：通過硬件在環系統對液力自動變速器液力變矩器解閉鎖控制策略進行開發驗證，應用Simulink/Stateflow進行控制策略的建模仿真，生成代碼集成到控制器硬件，搭建HIL系統測試環境，通過HIL系統仿真實車運行環境對設計的控制策略進行測試驗證，此方法可以縮短開發周期、有效地節約開發成本、提升產品質量。

關鍵詞：液力自動變速器；液力變矩器；硬件在環系統；Simulink/Stateflow；測試驗證

目前控制器開發的主流模式為基于模型的開發方式，在基于模型的開發模式中，硬件在環仿真是被廣泛應用和推薦的測試驗證方法之一。

硬件在環系統（Hardware-In-The-Loop，簡稱HIL），是將真實的控制器連接模擬的被控對象對控制器進行全面測試，是一種低成本但高效的測試驗證方法。

本文通過Simulink/Stateflow對液力自動變速器液力變矩器解閉鎖控制邏輯進行模型建模、仿真，并將生成代碼集成后刷寫到TCU硬件，最后通過硬件在環系統對設計的控制策略進行測試驗證。

HIL系統介紹

HIL測試是一種通過搭建仿真環境，對電控單元進行功能、系統集成、通信及故障測試的方法。HIL仿真環境讓被測控制器“感覺”自己工作在實車環境中，并且被測控制器與模擬器構成完整的控制閉環。HIL系統如圖1所示。

HIL測試可以使測試提前到開發的早期階段，從而大大提升產品的技術成熟度，并相應縮減測試所需要的時間及資金成本。HIL系統可以仿真所有仍處于開發之中的被控對象，如發動機、車輛及其他控制單元，與被測控制單元交互，從而進行測試。另一方面，HIL測試可以將相當一部分測試從臺架或者實車測試平臺遷移到虛擬仿真的實驗室測試平臺，從而使所有測試場景參數的靈活設置變為可能。

HIL系統優勢主要表現在以下方面：

1）在開發的早期階段就可以提升控制器軟件質量。

2）縮短產品投入市場的時間。

3）可以在安全的實驗室環境進行極端測試，實現測試自動化，支持回歸測試。

4）實現自動化的故障注入測試，有助于質量控制。

液力自動變速器系統介紹

液力自動變速器是目前商用車中應用較為廣泛的自動變速器之一，主要由液力變矩器、行星齒輪組、液壓系統及電控單元組成。電控系統接收傳感器、報文及硬線信號，根據控制邏輯控制離合器的結合和釋放實現行星排機構不同的組合方式，實現車輛行駛過程中的變速和變矩。

液力自動變速器變速穩定、換擋平穩，能夠有效提高車輛的乘坐舒適性及可靠性；其不足之處在于結構復雜、傳遞效率低、油耗高。因此，對匹配液力自動變速器的車輛來說，動力性和經濟性指標尤為重要。

其中，液力變矩器主要由泵輪、渦輪、導輪及單向離合器組成。液力變矩器將動力從發動機曲軸傳遞給變速器輸入軸，能夠在發動機和變速器之間提供平穩傳遞轉矩的液力連接。液力變矩器構成如圖2所示。

液力變矩器主要作用為柔性連接，平緩起步，起步過程中增扭，泵輪和渦輪速差變小后，鎖止提高傳遞效率。因此，液力變矩器的性能對整車的動力性和經濟性有至關重要的作用。

液力變矩器解閉鎖控制邏輯

車輛的實際運行工況復雜，因此變矩器的解鎖、閉鎖邏輯需要綜合考慮各種情形以覆蓋車輛運行工況，同時根據液力變矩器的特性設計如下解閉鎖控制邏輯 。

液力變矩器閉鎖控制邏輯如圖3所示。液力變矩器變矩時有增扭作用，但此時傳遞效率低。因此，結合液力變矩器特性曲線，并考慮不同擋位設置不同邏輯，通過當前擋位與最小閉鎖擋位比較設置不同的閉鎖點。

液力變矩器解鎖控制邏輯如圖4所示，通過當前擋位與最小閉鎖擋位，比較設置不同的解鎖點。同時，根據是否處于換擋過程中，設置不同解鎖點。另外，還需要考慮車輛運行過程中，緊急制動時需要解鎖。因此，需要增加緊急制動解鎖邏輯。

液力變矩器控制策略開發及HIL系統驗證

1.液力變矩器控制策略開發

基于前文描述的液力變矩器控制需求，通過Simulink/Stateflow對液力變矩器解閉鎖控制邏輯進行建模仿真，最后將控制模型生成代碼，并與控制器底層代碼集成，刷寫到控制器硬件。

2.HIL系統實施

將變速器控制器TCU與模擬被控對象的HIL系統連接起來，在實時環境下，對TCU控制功能進行閉環測試。

被控對象的物理模型建模，閉環測試模型基于Matlab/Simulink搭建，模型包括被控對象模型和IO模型，模型架構如圖5所示。

閉環模型主要包括如下幾個模塊：

1）Engine模塊，包括發動機控制器模型和發動機本體模型。

2）Drivertrain模塊，包括變速器控制器模型和變速器本體模型，因此此測試是液力自動變速器控制器閉環測試，模塊中包括了真實變速器控制信號。

3）VehicleDynamic模塊，包括整車縱向動力學模型以及相關控制策略模型，以及車輛基本屬性配置。

4）Driver模塊，包括駕駛員相關信號的選擇和計算。

5）Environment模塊，包括車輛運行環境的初始化模型，如溫度、海拔、坡度及風速等。

6）DomainControl模塊，包括車輛鑰匙起動信號的控制與解析。

7）Simulator模塊，包括所有硬件IO和CAN總線通信的配置和解析。

3.試驗管理

為方便測試及分析、管理測試結果，需搭建測試主控界面，主要包括儀表界面（用于提供車速、發動機轉速、里程及擋位等信號的顯示）、駕駛員操作界面（提供形象化的鑰匙、加速踏板、制動踏板及換擋手柄的操作等）。另外，可以根據具體需求增加需要顯示的內容，試驗管理界面如圖6所示。

4.控制策略測試驗證

編寫測試用例通過主控界面模擬車輛運行過程，驗證液力自動變速器液力變矩器的控制策略，采集運行車輛運行過程中的發動機轉速、液力自動變速器輸入軸轉速、液力自動變速器輸出軸轉速、擋位、解閉鎖控制信號及閉鎖離合器等信號，進行控制測試的測試分析。本文以解鎖為例，通過HIL系統進行控制策略的分析驗證。

1）車輛運行過程中，通過測試設備模擬ABS激活信號，當TCU接收到ABS激活信號使立即觸發解鎖命令，解鎖離合器釋放，如圖7所示，測試通過。

2）當前擋位不等于最小閉鎖擋位時，解鎖轉速為低怠速加250r/min，通過HIL系統模擬變速器處于4擋車輛滑行工況，當輸入軸轉速降到低于900r/min且持續50ms時，觸發解鎖命令如圖8所示，測試通過（其中發動機低怠速為650r/min）。

3）當前擋位等于最小閉鎖擋位3擋時，通過HIL設備模擬變速器處于3擋車輛滑行工況。當輸入軸轉速低于解鎖點轉速（1060r/min）且持續50ms后，觸發解鎖命令，如圖9所示，測試通過。

結語

本文采用Simulink/Stateflow進行液力自動變速器液力變矩器控制邏輯建模仿真集成；搭建HIL系統測試環境，包括物理模型及IO模型，創建試驗管理界面；將控制器連接HIL系統，通過HIL系統模擬整車運行環境，對設計的液力變矩器解閉鎖邏輯進行測試驗證。通過仿真結果分析控制策略的可行性，通過此方法可以縮短開發周期、有效地節約開發成本、提升產品質量。

參考文獻：h+cY3QUZu+gmIb1VwNcjwxuMj1oTU0ZHf7Vd1SOJIRE=

[1] 何佳議.AT自動變速器電液控制系統研究分析[D].長沙：湖南大學，2021.

[2] 姚正遠.DCT變速器電控單元及其硬件在環的研究與實現[D].南寧：廣西大學，2020.

[3] 張雪鵬.基于AT變速器的LOCKTOLOCK Shift燃油消耗仿真分析[J].汽車實用技術，2014（1）：12-15.

[4] 朱海天，李紅勛，孟祥德，等.重型AT換擋品質仿真研究[J].軍事交通學院學報，2016，18（6）：31-32.

[5] 李宇航，張國光，喻環.AT硬件在環搭建[J].傳動技術，2014，28（3）：14-18，33.