1、2012 年 ( 第 34 卷 ) 第 11 期汽 车 工 程Automotive Engineering 2012( Vol34) No112012200干式DCT控制系统硬件在环仿真试验台开发* 上海市科委科技攻关计划 ( 08DZ1150400) 和国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划 ) ( 2011CB711200) 资助 。原稿收到日期为 2012 年 4 月 11 日 ， 修改稿收到日期为 2012 年 8 月 1 日 。赵治国 ， 刁威振 ， 王 琪 ， 胡笑天( 同济大学新能源汽车工程中心 ， 同济大学汽车学院 ， 上海 201804) 摘要 本文中介绍了干式 DCT
2、控制系统硬件在环仿真试验台的开发 。首先为某一自主开发的 5 速干式DCT 建立了其在不同运行工况下的动力学微分方程 ， 借助 MATLAB/Simulink/Stateflow/RTW 和 dSPACE 软硬件系统 ， 构建 DCT 车辆实时仿真模型 ; 接着 ， 研制了干式 DCT 电子控制单元 ( TCU) 硬件 ， 开发了相应的软件 ， 并将其下载至 TCU 中 ， 实现了 TCU 控制参数的在线标定和信号测量 ; 然后 ， 开发了台架用双离合器及换挡执行机构 ， 并将其与DCT 车辆实时仿真模型集成 ， 完成了干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台的搭建 ; 最后 ， 在该试验台上
3、进行不同节气门开度下的连续加速试验 。结果表明 : 所开发的干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台与实车测试相比 ， 不仅试验重复性较好 ， 而且能有效 、快速地验证 DCT 在不同工况下的控制性能 ， 并为其控制系统的开发提供了可行的测试和评价平台 。关键词 : 干式双离合器变速器 ; 硬件在环测试台架 ; 变速控制单元 ; 换挡执行机构Development of Hardware-in-the-loop Test Bench for the Control System of Dry DCTZhao Zhiguo， Diao Weizhen， Wang Qi Hu XiaotianNe
4、w Energy Automotive Engineering Center， College of Automotive Engineering， Tongji University， Shanghai 201804 Abstract In this paper the development of the hardware in-the-loop simulation ( HILS) test bench for thecontrol system of dry dual clutch transmission ( DCT) is presented Firstly， the dynami
5、cs differential equations for aself-developed 5-speed dry DCT under different operation conditions is established， and a real-time simulation modelfor DCT vehicle is built with MATLAB /Simulink/ Stateflow/ RTW and dSPACE software/ hardware system Thenthe hardware of transmission control unit ( TCU)
6、for dry DCT is made with corresponding software developed andloaded into TCU to realize the online calibration and signal measurement for the control parameters of TCU Next，the dual clutch and shifting actuator for test bench is developed and integrated with the real-time simulation modelfor DCT veh
7、icle， and so the construction of HILS test bench for dry DCT control system is completed Finally a con-tinuous acceleration test at different throttle openings is conducted on the test bench The results show that comparedwith real vehicle testing， the HILS test bench developed for dry DCT control sy
8、stem not only has better test repeat-ability but also can quickly and effectively verify the control performance of DCT under different operation condi-tions， and provide feasible test/evaluation platform for the development of DCT control systemKeywords: dry DCT; HILS test bench; TCU; shifting actu
9、ator前言双离合器自动变速器 ( dual clutch transmission，DCT) 既继承了手动变速器与机械式自动变速器传动效率高 、结构紧凑和质量轻等诸多优点 ， 又融合了液力机械式自动变速器换挡无动力中断的特性 。同时 ， 良好的燃油经济性 、换挡品质和起步性能 ， 也使DCT 具有广阔的发展前景 。硬件在环仿真技术已广泛应用于自动变速器控2012( Vol34) No11 赵治国 ， 等 : 干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台开发 1025制系统的开发 1 3。在干式 DCT 控制系统研发的初期 ， 采用硬件在环仿真 ， 可快速有效地开发 、验证和优化其控制策略 ( 包
10、括故障诊断策略 ) ， 反复测试电子控制单元 ( transmission control unit， TCU) 硬件工作的可靠性 ， 缩短并降低了 TCU 的研发周期和成本 ， 并可对极端危险工况的控制策略进行开发 ， 减少了 TCU 装车试验风险和实车测试费用 4 5。本文中构建了 5 速干式 DCT 车辆实时仿真模型 ， 结合自主开发的 TCU 和台架用双离合器及其换挡执行机构 ， 搭建了干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台 。并根据驾驶员实际操作 ， 在不同加速踏板位置进行了连续换挡试验 ， 初步验证了所搭建的硬件在环仿真试验台的有效性 。由于实现了双离合器及其执行机构的硬件在环
11、， 可使 DCT 控制策略的台架预测结果更加接近实车 。图 1 5 速干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台方案1 硬件在环仿真试验台方案图 1 为 5 速干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台方案 ， 电控单元 TCU 实时采集加速踏板 、制动踏板和挡杆位置等驾驶操纵信号 ， 并利用 CAN 通信方式获取 Micro-AutoBox 中实时仿真模型的发动机转速 、离合器从动盘转速 、车速和其他状态信息 ，以决策车辆运行状态 、换挡时机和执行机构的目标位置 。同时 ， TCU 还实时采集双离合器 、同步器位置传感器信号 ， 协调两离合器和同步器执行电机的有序动作 ， 实现对同步器和离合器位
12、置的精确闭环控制 ， 并将相关计算结果传至 Micro-AtuoBox 中的实时仿真模型以控制其运行 。建立 5 速干式 DCT 动态模型和整车纵向动力学模型 ， 利用 Matlab 的 RTW( real time workshop) 将其转化为 C 代码格式 ， 并经 dSPACE 工具下载到 Mi-cro-AutoBox 原型控制器中 。TCU 中所固化的控制程序由计算机中 Matlab/Simulink 环境下编写的上层策略以及 Code-WarriorIDE 集成开发环境下编写的底层驱动集成而来 。具体实现过程为 : 通过 RTW 将控制策略模型转换为 C代码 ， 并在 CodeWa
13、rrior IDE 下与手写的底层驱动集成后进行整体编译 ， 再利用 BDM 方式 ( PE) 或CAN 方式 ( CANape) 将编译生成的最终机器码烧写到控制单元的 Flash 中 。此外 ， TCU 中的控制软件以及 Micro-AutoBox 中的实时仿真模型 ， 均可通过相应的上位机软件 CAN-ape 和 ControlDesk 进行测量与标定 ， 其中 CANape 采用的是基于 CCP 协议的 CAN 通信方式 ， 而 Con-trolDesk 采用的则是基于 Micro-AutoBox 特定协议的串口通信方式 ， 两者都可在计算机中建立相应的图形化显示界面以便于直观地测量和
14、标定相应的变量与参数 。2 试验台硬件组成试验台硬件包括 2 套单离合器及其执行机构 、同步器执行电机及其角位移传感器 、MicroAutoBox原型控制器 、基于 MC9S12XDP512 芯片自主开发的TCU、CANape 标定系统 、2 台笔记本电脑 、离合器位置传感器 、膜片弹簧大端压力传感器 、加速踏板 、制动踏板 、手自一体的换挡操纵手柄 、钥匙开关和显示装置等 。单离合器及其执行机构如图 2 所示 ， 由直流有刷电机 、齿轮及螺旋传动机构 、助力弹簧 、实车用膜片弹簧及其压盘等组成 。工作时 ， 直流电动机通过一对圆柱齿轮副减速后带动螺母旋转 ， 螺旋传动再将螺母的旋转运动转化为
15、螺杆的直线往复运动 ， 螺杆下端固定着离合器分离轴承 ， 通过分离轴承的往复运动推动或松开离合器膜片弹簧的分离指 ， 从而使离合器工作在分离或接合的不同状态 。同步器执行电机及角位移传感器如图 3 所示 ， 其中角位移传感器用以判断当前挡位 。TCU 硬件电路及接口如图 4 所示 ， 输入信号包括 15 路模拟信号 、8 路数字信号 、2 路转速信号 ; 输1026 汽 车 工 程 2012 年 ( 第 34 卷 ) 第 11 期图 2 单离合器及其执行机构图 3 同步器作动电机及其角位移传感器出 5 个电机的控制信号 ， 包括 5 路 PWM 控制信号 、5路方向控制信号 、5 路启停控制信
16、号 。3 试验台模型与控制策略开发3. 1 DCT 车辆动力学模型与控制策略3. 1. 1 5 速干式 DCT 结构忽略传动轴的弹性与径向振动 、轴承座弹性与齿轮啮合弹性 、传动系间隙与阻尼和离合器与齿轮传动的机械损失 ， 将离合器视为干摩擦单元 。自主改造的 5 速干式 DCT 传动结构简图如图 5 所示 ， 其中包括 2 个干摩擦离合器 ( 离合器 1 和离合器 2) 、2个离合器的从动轴 ( C1轴和 C2轴 ) 、1 个中间轴 ( m轴 ) 、输出轴 ( s 轴 ) 、各挡位的主被动齿轮和同步器 ，同步器 1 为 1 和 3 挡的同步器 ， 同步器 2 为 2 和 4 挡的同步器 ，
17、同步器 3 为 5 挡和倒挡的同步器 。3. 1. 2 5 速干式 DCT 动态模型DCT 车辆行驶过程可划分为起步工况 、起步完成后的稳定行驶工况 、以某一挡位稳定行驶同时下图 4 TCU 硬件电路及接口图 5 5 速干式 DCT 传动结构简图一挡位同步器开始接合的工况 、以某一挡位稳定行驶同时下一挡位同步器完成接合的工况和 DCT 动态换挡工况 6。下面以最复杂的 DCT 动态换挡工况为例 ， 建立其数学模型 ( 其余工况类似 ) 。图 6 为根据动力学原理在 Matlab/Simulink 下建立的 DCT 动态换挡动力学模型 7， 图 7为前进挡下不同的离散子状态模块2012( Vol
18、34) No11 赵治国 ， 等 : 干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台开发 1027图 6 DCT 动态换挡状态下的动力学模型图 7 前进挡下不同的离散子状态模块( C1 C8) ， 其中偶数挡换奇数挡过渡状态下的动力学微分方程为Tesign( ec1) Tc1esign( ec2) Tc2ebee=Iededtsign( ec1) Tec1Tmc1bc1c1=Ic1dc1/dtsign( ec2) Tec2Tmc2( bc2+bg) c2=( Ic2+Ig)dc2dtTc1m+Tc2mTsm( bm+bg) m=( Im+Ig) dm/dtTmsTrbss=Isds/dtc1=mio
19、dd， m=sia， c2=mievenTc1m=Tmc1iodd， Tc2m=Tmc2ievenTms=Tsmia( 1)式中 : Ie为发动机曲轴和离合器主动部分的转动惯量 ; Ic1、Ic2分别为 C1轴和 C2轴及其固联部件的转动惯量 ; Im为中间轴 m 及其固联部件的转动惯量 ; Is为输出轴 s 及主减速器主动齿的转动惯量 ; Ig为单个齿轮的转动惯量 ; Te为发动机输出转矩 ; Tc1e、Tc2e分别为 C1轴和 C2轴对发动机输出轴的反作用转矩 ; Tec1、Tec2分别为发动机输出轴传递给 C1轴和 C2轴的转矩 ; Tc1m、Tc2m分别为 C1轴和 C2轴传递给 m轴
20、的转矩 ; Tmc1、Tmc2分别为 m 轴对 C1轴和 C2轴的反作用转矩 ; Tms、Tsm分别为 m 轴和 s 轴之间的作用转矩与反作用转矩 ; Tr为等效到变速器输出轴处的车辆总转矩 ; e、s分别为发动机输出轴和 s 轴的转速 ; be、bc1、bc2、bm、bs、bg分别为发动机轴 、C1轴 、C2轴 、m 轴 、s 轴和单个齿轮的阻尼系数 ; iodd、ieven、ia分1028 汽 车 工 程 2012 年 ( 第 34 卷 ) 第 11 期别为奇数挡 、偶数挡和主减速器的速比 ; 为齿轮传动效率 ; m、CD、A 分别为整车质量 、风阻系数和迎风面积 ; v、r 分别为车速
21、、道路坡度和车轮半径 。3. 1. 3 DCT 图形化建模DCT 传动系统的工作过程可分为多个离散状态 ， 如不同的挡位接合 、不同的离合器接合等 ， 而每个特定的状态下又都包含了对应的连续状态 ， 即前面分析得到的动力学微分方程 。因此 ， DCT 传动系统是一个典型的混杂系统 ， 可以基于混杂系统的理论 ， 在 Matlab/Simulink 下建立其动力学模型 。3. 2 DCT 控制策略3. 2. 1 控制策略架构DCT 控制策略主要包含 4 大模块 ， 即信号输入模块 、主控制策略模块 、执行机构驱动模块和信号输出 模块 ， 如图 8所示 。其中主控制策略模块又分为图 8 控制策略顶
22、层模块主界面目标挡位决策模块 、当前挡位判断模块 、离合器与同步器位置检测模块和整车运行状态切换模块 ; 执行机构驱动模块包括离合器和同步器执行电机的闭环控制模块等 。由于主控制策略模块是整个 DCT 的核心 ， 故主要对此模块进行介绍 ， 并以整车运行状态切换模式具体展开阐述 。3. 2. 2 目标挡位决策DCT 目标挡位主要根据驾驶员换挡杆的位置和换挡规律决定 ， 即在非 D 挡 ( 自动挡 ) 状态下 ， 目标挡位主要由换挡杆位置确定 ， 但也受到换挡规律的一定制约以防止驾驶员误操作 ; 而在 D 挡状态下 ， 目标挡位主要由换挡规律唯一确定 。换挡规律的制定是换挡控制的关键 ， 须考虑
23、诸多因素的影响 ， 如上下坡 、转弯 、三高 ( 高原 /高寒 /高温 ) 、发动机转矩等 ，实际应用中应对其进行严格的标定 8 9。使用表 1 所示的兼顾车辆动力性和燃油经济性的两参数换挡规律 10， 表中的数据表示在不同节气门开度下车辆的换挡速度 。在小节气门开度时选取较大的换挡延迟 ， 以使车辆避免频繁换挡且使发动机工作在转速较小的区域 ， 在保证动力性的同时改善车辆的燃油经济性 ， 即采用两参数经济性换挡规律 ; 而在节气门开度 40%时 ， 选取较小的换挡延迟使车辆在大节气门开度时提前降挡且在降挡前后转速差较小从而获得更好的动力性 ， 即采用两参数动力性换挡规律 。表 1 中 ， U
24、ij表示 i 挡升 j 挡的最佳换挡规律的临界速度值 ， Dij表示 j 挡降 i 挡的最佳换挡规律的临界速度值 。基于上述的挡位决策逻辑 ， 在 Matlab/Stateflow软件平台上编写相应的策略模型 ， 图 9为基于换挡表 1 换挡规律表节气门开度 /% 0 3 6 10 20 30 40 50 60 70 80U12/( km/h) 22. 507 23. 592 27. 393 27. 648 34. 982 39. 306 39. 361 39. 628 39. 638 39. 602 39. 196U23/( km/h) 43. 084 44. 871 47. 662 62.
25、 714 70. 332 70. 467 71. 328 71. 330 71. 368 72. 331 72. 228U34/( km/h) 71. 324 73. 982 78. 071 95. 916 103. 543 108. 541 110. 467 110. 482 112. 417 113. 311 113. 369U45/( km/h) 96. 000 99. 592 103. 183 128. 967 130. 814 135. 082 137. 281 139. 766 139. 783 139. 961 141. 803D21/( km/h) 18. 807 20. 25
26、3 23. 692 23. 948 31. 282 35. 614 35. 692 35. 928 35. 938 35. 902 35. 496D32/( km/h) 39. 381 41. 174 43. 962 59. 014 66. 632 66. 639 67. 621 67. 637 67. 540 68. 316 68. 387D43/( km/h) 67. 622 70. 283 74. 371 92. 216 99. 843 104. 845 106. 767 106. 832 108. 700 109. 612 109. 665D54/( km/h) 92. 317 95.
27、 816 99. 483 125. 267 127. 100 131. 384 133. 586 133. 667 135. 916 136. 262 138. 170杆位置的目标挡位决策控制策略 ， 在输入模块中根据传感器采集的 P、N、R、M +、M 的值来确定挡位操纵值的大小 ， 以此作为判断条件进行不同挡位的切换 。当挡位操纵值为 4 时 ， 进入 D 挡 ， 此时 ， 目标挡位主要由换挡规律唯一确定 ， 图 10 为 D 挡状态下基于换挡曲线的目标挡位决策控制策略 。在挡位选择逻辑模块中 ， 通过判断车速与换挡规律曲线值 ( 即升挡临界速度值和降挡临界速度值 ) 的大小 ， 结合当前
28、2012( Vol34) No11 赵治国 ， 等 : 干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台开发 1029图 9 基于换挡杆位置的目标挡位决策控制策略图 10 D 挡状态下基于换挡曲线的目标挡位决策控制策略挡位的值进行挡位之间的切换 ， 例如当满足条件 车辆速度 升挡临界速度 当前挡位 4 时 ， 则进入升挡状态 ， 此时 ， 停留一段时间 ( after( 200， tick) )后 ， 然后判断 车辆速度 升挡临界速度 是否满足 ， 若满足 ， 则进行升挡 ( GearState UP) 。而当挡位操纵值不等于 4 时 ， 进入非 D 挡状态 ， 此时目标挡位主要由挡位操纵值来确定 ，
29、 确定其进入倒挡 ( R_Gear) 、空挡 ( N_Gear) 、停车 ( P_Gear) 或是手动挡状态 。1030 汽 车 工 程 2012 年 ( 第 34 卷 ) 第 11 期3. 2. 3 整车运行状态切换模块采取整车运行状态包含 DCT 状态的原则设计整车状态的切换逻辑 11， 即首先将 DCT 车辆的运行过程分为不同的状态 ， 如上电 ( PowerOn) 、静止( StandStill) 、怠速 ( EngineIdle) 、起步 ( Launch) 、前进( GoForward) 、空挡滑行 ( NeutralSlip) 、倒车 ( Roll-Back) 和下电 ( Pow
30、erOff) ， 其次在不同的车辆状态下再将 DCT 划分为不同的子状态 ， 从而给出离合器 、同步器等 DCT 部件的目标控制量 。由于整个状态切换逻辑比较复杂 ， 所以必须保证状态的完备性和切换逻辑的正确性 。基于上述的状态切换逻辑 ， 利用 Matlab/Stateflow 编写切换逻辑模型如图 11 所示 。由图可见 ， 不同整车运行状态之间的转换逻辑条件 ， 仅以怠速 ( EngineIdle) 切换到( GoForward) 运行状态之间逻辑判断为例加以说明 。当车辆处于怠速状态时 ， 当制动踏板 ( BrakePedal)=0， 离合器 1 接合 ， 当前挡位为 1 或 1， 这
31、 3 逻辑条件 制动踏板 = =0 离合器 1 状态 = =0( 当前挡位 = =1| 当前挡位 = = 1) 同时满足时 ， 进入起步 ( Launch) 状态 ， 然后判断车速是否大于最低稳定车速 ， 离合器 1 是否接合 ， 挡位是否在 1 挡 ， 离合器与发动机曲轴转速是否同步 ， 上电信号是否为 1，这 5 个条件是否满足 ， 即满足 车速 车辆稳定运行最低行驶速度 离合器 1 状态 = =1 当前挡位 =1abs( 发动机转速 离合器 1 转速 ) 转速误差允许值 时 ， 车辆进入前进 ( GoForward) 状态 。在前进状态内部又有子状态 ， 如图 12 所示 ， 包含前进状
32、态下各挡位的切换逻辑 ， 同时每个挡位子模块 1 挡5 挡内部又具体包含有相应挡位切换时的逻辑判断和进入不同离散状态下的状态标志位 ( C1 C8)值 ， 这些值作为前进状态下进入不同离散状态 ( 结合图 7) 的判定条件 。图 11 整车状态切换逻辑模型图 12 GoForward 子系统2012( Vol34) No11 赵治国 ， 等 : 干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台开发 10314 硬件在环仿真试验与结果分析4. 1 模型 、策略的参数标定及变量测量界面在试验的过程中 ， 实时控制程序以及仿真模型的变量和参数通过上位机软件 CANape 和 Con-trolDesk 进行测
33、量与标定 ， 通过它们提供的虚拟测试控件建立了 DCT 面向对象的实施测控系统 ， 通过该系统能进行试验的实时测控 、参数在线调整和试验数据保存 。两者都可在 PC 机中建立相应的图形化显示界面以便直观地测量和标定所对应的变量和参数 ， 可监控仿真试验的运行并分析试验结果 。其中CANape 的标定界面如图 13 和图 14 所示 ， Con-trolDesk 的界面如图 15 所示 。在对 DCT 进行硬件在环试验前 ， 应先对双离合器执行机构 、同步器作动电机的工作性能进行检测 ;然后 ， 标定各个传感器 ， 检测驱动单元与传感器的工作性能 ; 接着 ， 检测各子系统协调控制性能 ， 并进
34、行参数在线调试和优化 ; 最后将 TCU 和 Micro-AutoBox控制器进行硬件在环仿真试验 ， 实时验证 DCT 的换挡控制策略 。4. 2 DCT 硬件在环仿真试验结果与分析利用已搭建的 DCT 控制系统硬件在环仿真平台进行开环驾驶模拟 ， 试验时节气门开度为 20%时 ， 车辆从 1 挡连续换到 5 挡 ， 仿真试验结果如图 16所示 。由图可见 ， DCT车辆从起步逐渐加速至最高图 16 20%节气门开度连续加速试验1032 汽 车 工 程 2012 年 ( 第 34 卷 ) 第 11 期挡的过程中 ， 车速变化平稳 ， 转速曲线与实际操作过程中的转速状况吻合 ， 在整个过程中没
35、有出现频繁换挡和乱跳挡的现象 ， 真实地模拟了实际车辆连续升挡的加速过程 ， 验证了所设计的 DCT 硬件在环仿真试验台的可行性 。5 结论搭建了 5 速干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台 ， 开发了 DCT 动态仿真模型和控制策略 。利用该试验台 ， 根据驾驶员实际操作 ， 进行了连续加速换挡试验 ， 结果表明 : 所开发的干式 DCT 控制系统硬件在环仿真试验台能有效 、快速地验证干式 DCT在不同工况下的控制性能 ， 为后续 TCU 实车测试奠定了基础 。参考文献 1 张新荣 ， 黄宗益 自动变速器电子控制单元硬件在环仿真试验 J 长安大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2005，
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39、控制区域并不是静应力最大区域 ， 表明在疲劳分析中 ， 应力幅度具有相当重要的地位 ， 最大静应力作用位置并不就是疲劳寿命的关键位置 ， 以静应力危险区域的寿命作为整个结构的寿命将产生较大的估计误差 。参考文献 1 贺岩松 ， 官磊 ， 徐中明 ， 等 商用车驱动桥壳的疲劳分析 J 世界科技研究与发展 ， 2010( 5) : 633 635 2 刘惟信 汽车车桥设计 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2004 3 林正祥 汽车驱动桥动力学特性分析与疲劳寿命预测 D 合肥 : 合肥工业大学 ， 2009: 18 31 4 彭天权 装载机两种载荷谱的差异化分析 J 建筑机械 ， 2010( 10
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