金属带式无级变速器电液控制系统硬件在环仿真研究

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1、设计研究 收稿日期: 2010- 01- 29 金属带式无级变速器电液控制系统 硬件在环仿真研究 胡朝峰 ?(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司, 上海?201804) 过学迅 ?(武汉理工大学汽车工程学院, 武汉?430070) ?摘要 ?介绍了金属带式 CVT电液控制系统硬件在环仿真原理, 借助 dSPACE建立了金属带式 CVT 电 液控制系统硬件在环仿真系统平台。利用 MATLAB /Si mulink开发了用于 ECU研制和测试的 CVT模型, 进行金 属带式 CVT电液控制系统硬件在环仿真实验, 结果表明基于 dSPACE系统的金属带式 CVT 电液控制系统硬件 在环仿真的有效性。

2、 ?Abstract ? The principle of the metalV?belt type CVT s electro?hydraulic control syste m H IL si mulation is introduced ,and aH IL si mulation platfor m of the metalV?belt type CVT s electro?hydrau? lic control syste m based on dSPACE is buil. t The CVT model forECU studying and testing is used by

3、 MATLAB /Si mulink . ECU hardware?in?loop CVT si mulation experi m ents are carried ou, t which showed the validity of the metalV? belt type CVT s electro?hydraulic control system H IL si mulation based on dSPACE system. ?主题词 ? 无级变速器 ? 电液控制? 仿真 0? 引言 在当今社会, 市场对产品的需求呈现多样性、 快速性的趋势, 使得新产品开发面临着多样性需求 与快速

4、开发之间的矛盾, 同时对控制系统鲁棒性及 可靠性的要求也日益增加。现代 ECU开发引入了 并行工程 (即设计、 实现、 测试和生产准备同时进 行 ), 在开发初期, 快速地建立控制对象及控制器模 型, 并对整个控制系统进行多次、 离线及在线的试验 来验证控制系统软件、 硬件方案的可行性 (称之为 快速控制原型 RCP);再就是在产品上市之前, 采用 真实的控制器, 被控对象或者系统运行环境部分采 用实物, 部分采用实时数字模型来模拟, 进行整个系 统仿真测试 (称之为硬件在回路仿真 H ILS)。 dSPACE实时仿真系统为并行工程提供了协 调统一的一体化解决途径 1, 即用 dSPACE 实

5、时 系统, 既可以实现快速控制原型也可以实现硬件 在回路仿真。本文基于 dSPACE实时系统, 进行 金属带式无级变速器电液控制系统硬件在环仿真 研究。硬件在环仿真技术是了解系统物理机理的 有效工具, 并在控制系统的开发中发挥着重要作 用, 可对其控制效果和控制逻辑进行基本验证, 从 而大大降低开发成本和试验强度, 同时也极大地 缩短了开发周期。 1 ? ECU硬件在环金属带式无级变速 器电液控制仿真 1. 1? 金属带式无级变速器电液控制系统开发流程 !18! 上海汽车?2010?05? ? 设计研究 电液控制系统是金属带式 CVT重要的组成部 分, 传统的 ECU开发流程已经难以满足现代金

6、属 带式 CVT 电液控制系统开发的要求。基于计算机 辅助工具来进行金属带式 CVT现代 ECU 开发流 程, 可以支持从需求定义直到最终产品的全过程。 国外很多著名的汽车开发商普遍采用现代的设计 开发流程 2: 离线功能设计# 快速控制原型 # 目 标代码生成 # 硬件在回路仿真 # 标定匹配所构 成的 V模式 , 如图 1所示。新的开发流程符合 国际汽车行业标准 (ASAM ), 可以结合现有的测试 系统构成从开发到标定的统一平台, 并成为国际 汽车电子产品开发的标准流程。在开发过程中使 用统一的软硬件平台, 可以将在桌面上的控制算 法的离线仿真, 实验室内的控制原型的测试, 以及 车辆的

7、实际测试标定过程统一起来, 减少开发的 成本和冗余的工作, 加快开发进程。做到汽车电 子产品开发过程的快 、 好 、 省。 图 1? 现代金属带式 CVT 电液控制系统开发模式 1. 2? 硬件在环仿真 所谓的金属带式 CVT 电液控制 ECU硬件在 环仿真, 就是把金属带式 CVT ECU 以实物的形式 通过相应的接口管理系统与处理器中数字 CVT模 型联系起来, 使其在虚拟的 CVT 环境下工作。 CVT ECU测试是一件复杂的工作, 也是整个开发 流程的关键环节, 采用硬件在环仿真对软件进行 系统的自动化测试已经成为必不可少的手段。自 80年代以来, 用于实时仿真与硬件在环的软硬件 系统

8、出现了 4种形式 2 3 4。 ( 1)通过购买商品化的处理器模板组成多处 理器系统, 自主设计专用接口模板。采用通用的 C 语言或汇编语言编译器进行软件开发。 ( 2) ADI公司专门为实时动态仿真设计的实 时动态工作站 (ADRTS), 它由高速计算机和高速 I/O系统组成, 具有很高的执行速度, 并且具有在 线人机对话、 调参等功能。 ( 3)采用普通微机作为处理器的 xPC? Target 形式, 它借助 MATLAB /Si mulink , 在 Si mulink中有 常用的 xPC基本模块。这种形式对处理器的操作 系统没有具体要求, 它通过 xPC系统启动盘将计 算机引入自己的操

9、作系统。 xPC? Target为硬件在 环仿真提供了一些有利的工具, 可以实现多数的 硬件在环仿真所需的功能, 但 xPC? Target形式的 部分硬件和实验软件都需要自己来选型和开发。 ( 4)采用 dSPACE公司生产的面向实时仿真 和高速 I/O处理的硬件系统。 dSPACE系统是基 于 MATLAB/Si mulink的控制系统开发及测试的工 作平台, 实现了和 MATLAB /Si mulink的完全无缝 连接。 dSPACE实时系统拥有高速计算能力的硬 件系统 (包括处理器、I/O等 ) 及方便易用的实时 代码 生 成、下 载、 实 验 和 测 试 的 软 件 环 境。 dSP

10、ACE系统具有前 3种形式所不能比拟的优点: 组合性强、 过渡性好、 对产品实时控制器的支持性 强、 基于 PC机 W I NDOWS操作系统、 实时性好、 可 靠性高。 总之, dSPACE是进行基于 MATLAB /Si mulink 模型硬件在环仿真的首选工具, 利用 dSPACE系 统可以完成从金属带式无级变速器电液控制系统 建模、 分析、 离线仿真到实时仿真的全过程, 如图 2 所示。 1. 3? ECU硬件在环金属带式无级变速器电液控 制仿真的主要功能 金属带式 CVT电液控制系统的功能是合理控 制金属带的夹紧力和速比, 把发动机的输出功率 可靠地传递到驱动车轮, 尽可能减小功率损

11、失; 根 据汽车的运行条件, 按驾驶员选定的操作模式, 自 动改变传动比, 使发动机维持在理想的工作点。 ECU硬件在环金属带式 CVT 电液控制仿真主要 !19! ? 上海汽车?2010?05 设计研究 图 2? 利用 dSPACE实时仿真全过程 是进行 ECU的测试, 实现对金属带式 CVT 电液控 制系统控制算法的验证、 诊断功能的测试和参数 的标定。 2? 金属带式无级变速器电液控制系 统硬件在环仿真平台设计 2. 1?dSPACE系统硬件 dSPACE标准组件系统的基本出发点是将实 时系统和提供用户接口的系统完全分开, 它由处 理器板与外围 I/O板通过 PHS总线构成, 具有处 理

12、器板与外围 I/O板任意可扩展性, 用户可以根 据自己的需要扩展处理器或 I/O板。处理器板通 过 PHS总线连接在一起, 处理器之间的数据传输 速率高达 1Gbit/ s以上。 I/O板和处理器之间可通 过共享内存 /光纤接口进行数据交换。 dSPACE处 理器板以高性能的 POWER PC处理器为核心, 可 以实现高速运算与 I/O的管理。有了 dSPACE组 件系统, 用户可以构造非常复杂的系统。如金属 带式无级变速器电液控制仿真系统。 2. 2?dSPACE系统软件 dSPACE的软件包括代码的生成及下载软件 和测试软件。 代码 的生成 及下载 是由 MATLAB/RTW 与 dSPA

13、CE系统中的实时接口 (RT I)来完成。实时工作 间 (RTW)实现从 Sm i ulink模型到 dSPACE实时硬件 代码的无缝自动下载, RTI提供相应的 I/O模型。 dSPACE提供的测试软件主要有: ControlDesk综 合实验环境、 MLIB /MTRACE实现自动试验及参数调 整软件, 本文采用的是 Control Desk综合实验环境。 ControlDesk综合实验环境可以实现对实时硬件的可 视化管理、 用户虚拟仪表的建立、 变量的可视化管理、 参数的可视化管理、 试验过程自动化。 2. 3? 金属带式无级变速器电液控制模型 金属带式 CVT电液控制模型分为两类: 输

14、入 输出模型和物理模型 (如图 3所示 )。输入输出模 型是根据控制输入对控制输出的影响建立起来 的, 只能反映输出与输入之间的关系, 不能反映 CVT 的工作原理。物理模型用来模拟 CVT的动力 传递过程, 反映 CVT的工作机理。 图 3? 金属带式 CVT电液控制模型 2. 4? 金属带式无级变速器电液控制系统硬件在 环仿真平台 将金属带式 CVT 电液控制系统 5模型实时运 行在 dSPACE 的处理板 dS1005中。利用 I/O板 dS2210生成速比信号和压力信号传送给 ECU, ECU 利用速比信号和压力信号计算出速比阀和压力阀 的占空比, 液压控制模型计算出油压传递给 ECU

15、, ECU输出速比阀和压力阀喷油信号, 并通过 dS2210 测量 CVT 的转速信号, 获得主动缸和从动缸的压 力, 传给 CVT 模型。ECU硬件在环金属带式 CVT 电液控制仿真系统的结构简图如图 4所示。 3 ? 基于 dSPACE 系统金属带式 CVT 电液控制系统硬件在环仿真 为了验证模型的准确性, 根据 H onda金属带 式 CVT 的结构数据, 运用定步长 ode4算法, 在 MATLAB/Si mulink下计算并验证模型, 将模型下 !20! 上海汽车?2010?05? ? 设计研究 图 4?ECU硬件在环仿真系统的结构简图 载到 ds1005处理器板和 ds2210 I

16、/O 板构成的 dSPACE组件系统中进行实时运算, 并与实际的 ECU相连进行实验。图 5为目标速比发生变化 时, 经 ECU调节后得到的实时仿真速比, 图 6为从 动缸压力经 ECU调节后得到的实时压力, 从实时 仿真实验结果可以看出金属带式 CVT电液控制系 统模型完全可以满足 ECU的实时性要求。 图 5? 速比实时仿真实验结果 图 6? 从动轮缸压力实时仿真实验结果 4 ? 结语 本文介绍了基于 dSPACE系统金属带式 CVT 电液控制系统硬件在环仿真的基本原理和基本方 法、 dSPACE系统的软硬件和基本的建模方法。分 析了 ECU硬件在环金属带式 CVT 电液控制系统 仿真的可行性和必要性。在 MATLAB/Si mulink下 开发了用于 ECU 开发和测试的金属带式 CVT 电 液控制系统模型, 并进行了实时运算和 ECU硬件 在环仿真实验, 实验结果表明基于 dSPACE 系统 金属带式 CVT电液控制系统硬件在环仿真的有效 性。 参考文献 1? 恒润利技. dSPACE- 基丁 MATLAB/