AT硬件在环平台搭建

李宇航 张国光 喻 凡 梅近仁

（1.上海交通大学汽车工程研究所；2.上海汽车联合电子有限公司）

1 前言

TCU的逻辑功能验证是在TCU开发过程中非常重要的一环。尽管实车道路测试是最具可靠性的方法，但是硬件在环仿真测试越来越多的参与到TCU开发中，尤其是在TCU前期的功能验证中。这主要是由于硬件在环仿真平台有如下优点：使功能验证的过程简单，这就意味着减少成本和缩短开发周期；此外还能减少极端工况下的潜在危险。

联合汽车电子有限公司（UAES）已经在发动机控制器（ECU）开发中广泛使用了硬件在环仿真，并有较为精确的汽油机模型。在此基础上，本文将介绍如何在已有的汽油机硬件在环平台上搭建供TCU开发的仿真平台。首先，建立了六档自动变速器的模型，并与已有的汽油及整车模型集成，再与Labcar硬件在环系统集成以后，进行了模拟仿真和实车道路测试。最终对测试结果进行对比，表明本仿真平台在用于TCU开发。

2 建模

2.1 传动系建模

毫无疑问，要建立AT硬件在环仿真平台，必须要有较为精确的传动系模型。由于已有的汽油机整车模型中的传动系模型过于简单，不能满足TCU开发的需要，因此需要搭建变速箱模型，并且此模型要与已有的Simulink车辆模型集成。

本文采用AMESim软件来搭建变速箱模型，AMESim采用可视化、模块化的建模方式，并且对于其中的每个模块已经处理好了边界条件，因此大大提高了工作效率。此外，通过AMESim实时代码生成功能，就可以生成目标平台所需要的实时代码。

图1所示为AMESim建立的传动系模型。图中每个图标均表示一个传动系的模块，如液力变矩器和离合器，此外还添加了一个能与Matlab/Simulink集成的接口。表1则表示离合器和制动器状态与变速箱所处档位之间的关系。K1、K2、K3指离合器，B1、B2指制动器，F则表示单向离合器。

图1 AT传动系模型Fig.1 AT Driveline model

表1 档位与离合器状态Table1 Gear and clutch status

从图1中可以看出，关于变速箱结构部分建模详细，而轮胎等模块做了简化。由于实时仿真目标机计算能力有限，需要对模型进行优化，保证其在仿真步长小于1ms时不发散。因此，对此模型1－6顺序升档过程进行了仿真（液力变矩器始终闭锁）。图2和图3分别指示离合器控制信号和节气门开度的控制信号；图4指示1－6顺序升挡过程中变速箱输入转速和输出转速；图5则指示换挡过程中离合器传递扭矩的大小。

图2 离合器控制信号Fig.2 Clutch control signal

图3 节气门开度Fig.3 Opening degree of Throttle

由图4和图5可以看出，1－6顺序升档过程中，输出转速会出现小的“凹坑”，这是由于换挡过程中离合器结合分离的叠加时间过长所引起的。离合器扭矩波动也在可以接受的范围内，因而，建立的模型能够反映实际变速箱的换档过程，因而可以用于实时仿真。

图4 输入转速与输出转速Fig.4 Input speed and output speed

图5 离合器扭矩Fig.5 Clutch torque

图6 整车集成模型Fig.6 Model of Vehicle Integration

2.2 模型集成

由于已有的汽油机整车模型最核心的部分在于其发动机部分，因此有必要将其中的传动系模型替换掉，用以满足TCU开发的需要。前文已经提到，利用AMESim添加能与Simulink集成的接口。此外，由于使用AMESim建立液压控制模型具有较大难度，因此对其做了简化，并在Simulink环境下来实现。如图6所示，驾驶员、发动机及变速箱和整车模块均已集成到模型中。图中黄色图标则指示模型与Labcar硬件系统的接口。此模型可通过Matlab/Simulink的RTW生成实时代码，下载到实时目标机中进行仿真。

3 实时仿真平台集成

3.1 硬件及软件配置

基于Labcar系统的硬件在环仿真平台由软件、硬件及信号接口组成。图7和图8分别表示了本硬件在环平台系统的结构和原理。

软件部分用于汽车模型的创建和修改，实时仿真的控制，信号的排序及硬件的驱动。

硬件部分主要由上位机（HOST PC）、信号测量与产生模块（SGMM）、实时目标机（RTPC）、TCU、信号采集模块以及执行器电磁阀等组成。

Host PC：用于实时修改汽车模型及配置硬件板卡，并下载模型至RTPC，并实时监控模型运行状态；用于控制驾驶员输入，并记录和标定控制器参数。由以上可知，HOST PC并不是硬件在环仿真中的一环。

SGMM：由一系列硬件板卡和接口组成。它具有以下功能：测量电磁阀电流或占空比并转化后送给RTPC（模型）；模拟传感器信号并传递给TCU硬件。

RTPC：RTPC运行系统模型的实时仿真计算，并接收HOST PC发出的驾驶员信号、SGMM模拟的TCU控制信号给模型。

TCU：TCU从SGMM获取所需的档位、转速等信号，并经过其算法控制输出电磁阀所需信号。

电磁阀：电磁阀作为实时仿真平台的负载。TCU和总线接口：用于TCU标定，诊断和刷新程序，并采集CAN信号等。

Figure5 硬件在环仿真平台结构Fig.5 Hardware in a simulation platform structure

Figure6 硬件在环系统工作原理Fig.6 HIL system works

3.2 信号关联及硬件板卡配置

RTPC中运行的模型需要从HOST PC提供的驾驶员信号，和电磁阀电流、占空比等信号，并将转速等信号输出。这均需要配置软硬件接口。

由前文可知，Labcar软件为Simulink提供了与Labcar硬件的接口。图4中所示黄色图标则是模型与Labcar硬件的接口。需要将其与硬件板卡的各个通道相连。只有硬件板卡配置正确，并且各个信号做了相应的关联才能开始仿真并验证。

4 测试和验证

为了验证所搭建的硬件在环平台的有效性，需要将仿真测试和实车测试的结果比较。众所周知的是，硬件在环仿真平台的一个重要功能就是重现实车测试的工况。具体过程就是在实车上测试1－6升档和6－1降档，并记录节气门开度、换档手柄信号和刹车信号，再将其所为仿真测试的输入，测试相应输入下仿真测试的结果。

如图7所示为节气门开度和刹车踏板输入，由于刹车扭矩不是UAES公司TCU的一个控制参数，因此图7所示的刹车踏板输入只能指示是否有刹车动作，而不能表示刹车扭矩的大小。这也间接导致了两者刹车降档过程的较大区别。

图8为在相同的驾驶员输入下，变速箱的换档过程，其中8指示的是空挡。

图7 驾驶员输入信号Fig.7 Driver input signal

图8 换档曲线Fig.8 Curve of Shifting

由于仿真模型精度有限，并与实车有一定的差别，导致变速箱输入转速和输出转速也不一样，这也间接导致了换档过程的区别。图9和10分别指示的是仿真测试和实车测试的变速箱输入转速（发动机转速）和输出转速。由图中可知，数据记录的起点时刻，发动机处于怠速状态。图11指示的则是由EMS得到的发动机扭矩。

由以上结果对比可知，硬件在环仿真和实车测试的换档过程具有相似性。输出转速和发动机扭矩波动也在可以承受的范围。因而，此为六档自动变速器搭建的硬件在环仿真平台能够运行稳定，并用于TCU开发。

图9 输入转速Fig.9 Input speed

图10 输出转速Fig.10 Output speed

图11 发动机指示扭矩Fig.11 Indicated torque of the Engine

5 结论

本文深入研究了基于硬件Labcar系统和已有的汽油机整车模型，建立了适用于TCU开发的硬件在环仿真平台。首先，建立了能与已有车辆模型集成的传动系模型，并与已有硬件系统进行集成，并验证了模型的有效性。然后，进行了实车测试和仿真测试，并对其结果进行对比。结果表明，所开发的硬件在环仿真系统能够模拟变速箱工作的某些工况，能够用于TCU开发和逻辑功能验证。

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