干式双离合器自动变速器快速控制原型与台架试验
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对于电机进行开环控制和闭环控制（ PID 控 制） 。前者给定占空比和转动方向； 后者给出目
图 2 DCT 整车控制策略 Fig. 2 Full vehicle control strategy of DCT
第4 期
张建国，等： 干式双离合器自动变速器快速控制原型与台架试验
标位置。图 3 为换档电机 1 的 PID 控制算法，该 算法对电机速度与位置能够精确控制，能够满足
Abstract： A multistage control algorithm was developed for the dry dual clutch transmission （ DCT） system based on the dSPACE rapid control prototyping. The algorithm is completed in the Simulink / Stateflow environment，and realized by the Real-Time Workshop in hardware. The rapid control prototyping accelerates the design，execution，test and realization in the real hardware，and shortens the development cycle. Downloading the algorithm into a DCT transmission control unit to perform the platform test，the correctness of the algorithm was proved by the comparison with the hardware-in-the-loop simulation platform of the rapid control prototyping. The developed control system has been applied in the dry DCT design. Key words： vehicle engineering； dry dual clutch transmission （ DCT ） ； rapid control prototyping； control strategy； brushless DC motor
（ 2） 行车模拟 测试环境模拟各种行车参数，如手柄位置、油
制系统，该芯片为 16 位单片机。控制器软件主要 包 括 系 统 底 层 驱 动 程 序 和 控 制 算 法、控 制 逻 辑。
其中系统底层驱动程序采用手工编写代码，控制
算法、控制逻辑在 Simulink / Stateflow 环境下进行
Βιβλιοθήκη Baidu
编 写，利 用 Simulink 代 码 自 动 生 成 环 境 RTW
7、8 分别为手柄、刹车、当前档位和油门踏板的位 开发时间，大大提高了开发效率。
置。从图中可以看到∶ 1 档起车时，踩下制动踏 板，手柄处于 D 位置，换档电机 1 控制执行机构
4 台架试验
挂 1 档，给定起车命令后进行起车。起车仿真时 4. 1 试验设备
间为 1. 6 s。
采用 Freesacle 的 MC9S12DP512 芯片作为控
图 4 为基于 dSPACE 的干式双离合器快速控 4 中可以看到控制算法对 2 个离合器电机和 2 个
制原型系统的仿真结果。图中曲线 1、2 分别为离 换档电机在行车模拟过程中的控制效果。
合器 1 和离合器 2 的位置； 图中曲线 3、4 分别为
通过快速控制原型，验证了 DCT 控制系统的
换档电机 1 和换档电机 2 的位置； 图中曲线 5、6、 可行性和正确性，为台架试验奠定了基础，节省了
（ Real time workshop） 工具自动生成代码。最后将
生成的代码和手写代码进行集成，将算法下载到
DCT 电控单元 TCU 中进行台架试验，通过 CANoe
图 4 基于 dSPACE 的仿真结果 Fig. 4 Simulation result based on dSPACE
进行实时监控。图 5 为 DCT 台架试验。 4. 2 标定
整车控制算法在 Simulink / Stateflow 中生成， 并 结 合 少 量 的 用 户 C 代 码。 通 过 Real-Time
图 1 干式双离合器快速控制原型 Fig. 1 Rapid control prototyping of dry DCT
Workshop 和 Real-Time Interface 将应用程序生成 并下载到板卡中，该板卡作为电子控制单元的原 型。同时将 dSPACE 的硬件系统 I / O 口与外部受 控对象（ 无刷直流电机） 对应的控制端口相连。 使用 dSPACE 快速原型和 Simulink / Stateflow 控制 设计环境的一个关键性的优点在于大大加速了控 制算 法 的 设 计、执 行、测 试 和 在 真 实 硬 件 上 的 实 现。使用快速控制原型工具缩短了整个控制系统 的开发周期。
合器切换工作，离合器 1（ CL1） 联接 1、3 和 5 档， 离合器 2（ CL2） 联接 2、4、6 和倒档。DCT 系统在 停车时，2 个离合器均 处 于 分 离 状 态，车 辆 起 步 时，换上 1 档，然后 CL1 开始接合，使车辆实现 1 档运行。当 TCU 判断车辆要升 2 档时，预先将与 CL2 相联的 2 档换入档位，然后在分离 CL1 的同 时接合 CL2，直到 CL1 完全分离，CL2 完全接合。 换入新的档位后，1 档脱开置空档等待挂入新的 档位。这种换档方式没有动力中断，从而能够实 现平稳换档。换至其他档位与此类似 。 ［4-6］ 1. 2 DCT 的控制电机
Rapid control prototyping of dry dual clutch transmission and platform test
ZHANG Jian-guo1 ，LEI Yu-long1 ，LIU Hong-bo1 ，ZHANG Jun-jie2 ，YU Zheng-cai2
（ 1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation，Jilin University，Changchun 130022，China； 2. Hangzhou Iveco Acctomotive Transmission Company Ltd. ，Hangzhou 311203，China）
2 dSPACE 快速控制原型
dSPACE 实 时 控 制 系 统 是 基 于 MATLAB / Simulink 仿真软件实施控制系统快速开发及性能 测试的开发平台［9］。本系统使用 dSPACE 组件系 统 DS1005，其本身就是一 个 完 整 的 实 时 仿 真 系 统。将快速原型硬件系统与所要控制的硬件系统 相连，硬件包括执行电机、油门踏板、制动踏板、手 柄、位置传感器等。如图 1 所示，该仿真平台 I / O 需要用到 9 路模拟输入、2 路开关输入和 CAN 接 口，4 路 PWM 输出。dSPACE 的仿真对象是控制 器，实现了双离合器电控系统中 TCU 的功能。
第 40 卷 第 4 期 2010 年 7 月
吉林大学学报（ 工学版）
Journal of Jilin University （ Engineering and Technology Edition）
Vol. 40 No. 4 July 2010
干式双离合器自动变速器快速控制原型与台架试验
张建国1 ，雷雨龙1 ，刘洪波1 ，章俊杰2 ，俞正才2
用 CANape 进行标定，标定内容包括离合器 半结合点、各档档位点等。
相比湿式双离合器，干式双离合器主要是依 靠离合器执行电机和换档执行电机对离合器和换 档机构进行控制，实现平稳起步和换档。
考虑到电机驱动系统应具有较高的转矩 /重 量比（ 即单位出力） 、宽调速范围、高效率区以及 良好的转矩控制特性，特别是需要在低速时能够 提供瞬间的大力矩。直流电动机功率密度大、损 耗小，具有良好的调速性能，同时控制方法相对简 单。因此本项目中 DCT 操纵系统采用 4 个无刷 直流电机分别驱动 2 个离合器执行机构及奇数 档、偶数档换档执行机构 。 ［7-8］
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吉林大学学报（ 工学版）
第 40 卷
在线测试，验证了控制系统软件、硬件方案的可行 性。在完成快速原型的半实物仿真之后，用真实 的 TCU 替代 dSPACE 进行台架试验，进一步验证 整车控制系统的控制算法和控制策略。
1 干式双离合器系统
1. 1 DCT 的结构 本项目开发的 DCT 系统有 6 个档位，2 个离
优势，使得这种自动变速器具有广阔的应用前景。 DCT 可供选择的离合器有湿式和干式两种，在传 动效率和成本方面，干式离合器比湿式离合器要 好得多。为了缩短干式双离合器自动变速器控制 系统的开发周期，使用 dSPACE 快速控制原型开 发控制系统的多级控制算法，快速地建立控制对 象和控制器模型，并对控制系统进行多次离线及
DCT 执行机构控制精度的要求。
·903·
图 3 换档电机 1 的 PID 控制算法
Fig. 3 PID control algorithm of shift motor 1
3. 3 系统仿真结果与分析
门踏板位置、刹车信号、换档请求信号以及当前档
（ 1） 起车
位等，基本上达到了模拟行车环境的要求。从图
（ 1. 吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室，长春 130022； 2. 杭州依维柯汽车变速器有限公司，杭州 311203）
摘 要： 基于 dSPACE 快速控制原型开发了干式双离合器自动变速器系统的多级控制算法，算 法在 Simulink / Stateflow 环境下完成，通过 Real-Time Workshop 在硬件中实现。快速控制算法 的设计、执行、测试和在真实硬件上的实现，缩短了开发周期。将算法下载到双离合器电控单 元进行台架试验，通过与快速原型的半实物仿真对比，验证了控制算法的正确性。目前控制系 统已应用于干式双离合器自动变速器的开发中。 关键词： 车辆工程； 干式双离合器； 快速控制原型； 控制策略； 无刷直流电机 中图分类号： U463. 2 文献标志码： A 文章编号： 1671-5497（ 2010） 04-0901-05
收稿日期： 2009-04-23. 基金项目： “863”国家高技术研究发展计划项目（ 2006AA110110） ； 吉林省科技发展计划项目（ 20096008） . 作者简介： 张建国（ 1977 ） ，男，博士研究生. 研究方向： 车辆自动变速理论与控制技术.
E-mail： zhangjianguo@ email. jlu. edu. cn 通信作者： 雷雨龙（ 1970 ） ，男，教授，博士生导师. 研究方向： 车辆自动变速理论与控制技术. E-mail： leiyl@ jlu. edu. cn
双离合器式自动变速器（ Dual clutch transmission，DCT） 是一种具有双离合器结构的新型自 动 变 速 器［1-3］，它 克 服 了 机 械 式 自 动 变 速 器 （ Automated mechanical transmission，AMT） 换档时 动力中断的缺点，可以像自动变速器 （ Automatic transmission，AT） 那样实现动力换档。DCT 有机 地集成了 AT 和 AMT 在舒适性和经济性方面的
3 系统控制仿真与结果
3. 1 整车控制策略 DCT 整车控制策略如图 2 所示。控制策略在
Simulink / Stateflow 环境下进行编写。控制对象分 别为离合器电机（ 2 个） ，换档电机（ 2 个） 和发动 机。由于控制系统开发处于快速控制原型阶段， 发动机暂不控制。 3. 2 电机 PID 控制算法
图 2 DCT 整车控制策略 Fig. 2 Full vehicle control strategy of DCT
第4 期
张建国，等： 干式双离合器自动变速器快速控制原型与台架试验
标位置。图 3 为换档电机 1 的 PID 控制算法，该 算法对电机速度与位置能够精确控制，能够满足
Abstract： A multistage control algorithm was developed for the dry dual clutch transmission （ DCT） system based on the dSPACE rapid control prototyping. The algorithm is completed in the Simulink / Stateflow environment，and realized by the Real-Time Workshop in hardware. The rapid control prototyping accelerates the design，execution，test and realization in the real hardware，and shortens the development cycle. Downloading the algorithm into a DCT transmission control unit to perform the platform test，the correctness of the algorithm was proved by the comparison with the hardware-in-the-loop simulation platform of the rapid control prototyping. The developed control system has been applied in the dry DCT design. Key words： vehicle engineering； dry dual clutch transmission （ DCT ） ； rapid control prototyping； control strategy； brushless DC motor
（ 2） 行车模拟 测试环境模拟各种行车参数，如手柄位置、油
制系统，该芯片为 16 位单片机。控制器软件主要 包 括 系 统 底 层 驱 动 程 序 和 控 制 算 法、控 制 逻 辑。
其中系统底层驱动程序采用手工编写代码，控制
算法、控制逻辑在 Simulink / Stateflow 环境下进行
Βιβλιοθήκη Baidu
编 写，利 用 Simulink 代 码 自 动 生 成 环 境 RTW
7、8 分别为手柄、刹车、当前档位和油门踏板的位 开发时间，大大提高了开发效率。
置。从图中可以看到∶ 1 档起车时，踩下制动踏 板，手柄处于 D 位置，换档电机 1 控制执行机构
4 台架试验
挂 1 档，给定起车命令后进行起车。起车仿真时 4. 1 试验设备
间为 1. 6 s。
采用 Freesacle 的 MC9S12DP512 芯片作为控
图 4 为基于 dSPACE 的干式双离合器快速控 4 中可以看到控制算法对 2 个离合器电机和 2 个
制原型系统的仿真结果。图中曲线 1、2 分别为离 换档电机在行车模拟过程中的控制效果。
合器 1 和离合器 2 的位置； 图中曲线 3、4 分别为
通过快速控制原型，验证了 DCT 控制系统的
换档电机 1 和换档电机 2 的位置； 图中曲线 5、6、 可行性和正确性，为台架试验奠定了基础，节省了
（ Real time workshop） 工具自动生成代码。最后将
生成的代码和手写代码进行集成，将算法下载到
DCT 电控单元 TCU 中进行台架试验，通过 CANoe
图 4 基于 dSPACE 的仿真结果 Fig. 4 Simulation result based on dSPACE
进行实时监控。图 5 为 DCT 台架试验。 4. 2 标定
整车控制算法在 Simulink / Stateflow 中生成， 并 结 合 少 量 的 用 户 C 代 码。 通 过 Real-Time
图 1 干式双离合器快速控制原型 Fig. 1 Rapid control prototyping of dry DCT
Workshop 和 Real-Time Interface 将应用程序生成 并下载到板卡中，该板卡作为电子控制单元的原 型。同时将 dSPACE 的硬件系统 I / O 口与外部受 控对象（ 无刷直流电机） 对应的控制端口相连。 使用 dSPACE 快速原型和 Simulink / Stateflow 控制 设计环境的一个关键性的优点在于大大加速了控 制算 法 的 设 计、执 行、测 试 和 在 真 实 硬 件 上 的 实 现。使用快速控制原型工具缩短了整个控制系统 的开发周期。
合器切换工作，离合器 1（ CL1） 联接 1、3 和 5 档， 离合器 2（ CL2） 联接 2、4、6 和倒档。DCT 系统在 停车时，2 个离合器均 处 于 分 离 状 态，车 辆 起 步 时，换上 1 档，然后 CL1 开始接合，使车辆实现 1 档运行。当 TCU 判断车辆要升 2 档时，预先将与 CL2 相联的 2 档换入档位，然后在分离 CL1 的同 时接合 CL2，直到 CL1 完全分离，CL2 完全接合。 换入新的档位后，1 档脱开置空档等待挂入新的 档位。这种换档方式没有动力中断，从而能够实 现平稳换档。换至其他档位与此类似 。 ［4-6］ 1. 2 DCT 的控制电机
Rapid control prototyping of dry dual clutch transmission and platform test
ZHANG Jian-guo1 ，LEI Yu-long1 ，LIU Hong-bo1 ，ZHANG Jun-jie2 ，YU Zheng-cai2
（ 1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation，Jilin University，Changchun 130022，China； 2. Hangzhou Iveco Acctomotive Transmission Company Ltd. ，Hangzhou 311203，China）
2 dSPACE 快速控制原型
dSPACE 实 时 控 制 系 统 是 基 于 MATLAB / Simulink 仿真软件实施控制系统快速开发及性能 测试的开发平台［9］。本系统使用 dSPACE 组件系 统 DS1005，其本身就是一 个 完 整 的 实 时 仿 真 系 统。将快速原型硬件系统与所要控制的硬件系统 相连，硬件包括执行电机、油门踏板、制动踏板、手 柄、位置传感器等。如图 1 所示，该仿真平台 I / O 需要用到 9 路模拟输入、2 路开关输入和 CAN 接 口，4 路 PWM 输出。dSPACE 的仿真对象是控制 器，实现了双离合器电控系统中 TCU 的功能。
第 40 卷 第 4 期 2010 年 7 月
吉林大学学报（ 工学版）
Journal of Jilin University （ Engineering and Technology Edition）
Vol. 40 No. 4 July 2010
干式双离合器自动变速器快速控制原型与台架试验
张建国1 ，雷雨龙1 ，刘洪波1 ，章俊杰2 ，俞正才2
用 CANape 进行标定，标定内容包括离合器 半结合点、各档档位点等。
相比湿式双离合器，干式双离合器主要是依 靠离合器执行电机和换档执行电机对离合器和换 档机构进行控制，实现平稳起步和换档。
考虑到电机驱动系统应具有较高的转矩 /重 量比（ 即单位出力） 、宽调速范围、高效率区以及 良好的转矩控制特性，特别是需要在低速时能够 提供瞬间的大力矩。直流电动机功率密度大、损 耗小，具有良好的调速性能，同时控制方法相对简 单。因此本项目中 DCT 操纵系统采用 4 个无刷 直流电机分别驱动 2 个离合器执行机构及奇数 档、偶数档换档执行机构 。 ［7-8］
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吉林大学学报（ 工学版）
第 40 卷
在线测试，验证了控制系统软件、硬件方案的可行 性。在完成快速原型的半实物仿真之后，用真实 的 TCU 替代 dSPACE 进行台架试验，进一步验证 整车控制系统的控制算法和控制策略。
1 干式双离合器系统
1. 1 DCT 的结构 本项目开发的 DCT 系统有 6 个档位，2 个离
优势，使得这种自动变速器具有广阔的应用前景。 DCT 可供选择的离合器有湿式和干式两种，在传 动效率和成本方面，干式离合器比湿式离合器要 好得多。为了缩短干式双离合器自动变速器控制 系统的开发周期，使用 dSPACE 快速控制原型开 发控制系统的多级控制算法，快速地建立控制对 象和控制器模型，并对控制系统进行多次离线及
DCT 执行机构控制精度的要求。
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图 3 换档电机 1 的 PID 控制算法
Fig. 3 PID control algorithm of shift motor 1
3. 3 系统仿真结果与分析
门踏板位置、刹车信号、换档请求信号以及当前档
（ 1） 起车
位等，基本上达到了模拟行车环境的要求。从图
（ 1. 吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室，长春 130022； 2. 杭州依维柯汽车变速器有限公司，杭州 311203）
摘 要： 基于 dSPACE 快速控制原型开发了干式双离合器自动变速器系统的多级控制算法，算 法在 Simulink / Stateflow 环境下完成，通过 Real-Time Workshop 在硬件中实现。快速控制算法 的设计、执行、测试和在真实硬件上的实现，缩短了开发周期。将算法下载到双离合器电控单 元进行台架试验，通过与快速原型的半实物仿真对比，验证了控制算法的正确性。目前控制系 统已应用于干式双离合器自动变速器的开发中。 关键词： 车辆工程； 干式双离合器； 快速控制原型； 控制策略； 无刷直流电机 中图分类号： U463. 2 文献标志码： A 文章编号： 1671-5497（ 2010） 04-0901-05
收稿日期： 2009-04-23. 基金项目： “863”国家高技术研究发展计划项目（ 2006AA110110） ； 吉林省科技发展计划项目（ 20096008） . 作者简介： 张建国（ 1977 ） ，男，博士研究生. 研究方向： 车辆自动变速理论与控制技术.
E-mail： zhangjianguo@ email. jlu. edu. cn 通信作者： 雷雨龙（ 1970 ） ，男，教授，博士生导师. 研究方向： 车辆自动变速理论与控制技术. E-mail： leiyl@ jlu. edu. cn
双离合器式自动变速器（ Dual clutch transmission，DCT） 是一种具有双离合器结构的新型自 动 变 速 器［1-3］，它 克 服 了 机 械 式 自 动 变 速 器 （ Automated mechanical transmission，AMT） 换档时 动力中断的缺点，可以像自动变速器 （ Automatic transmission，AT） 那样实现动力换档。DCT 有机 地集成了 AT 和 AMT 在舒适性和经济性方面的
3 系统控制仿真与结果
3. 1 整车控制策略 DCT 整车控制策略如图 2 所示。控制策略在
Simulink / Stateflow 环境下进行编写。控制对象分 别为离合器电机（ 2 个） ，换档电机（ 2 个） 和发动 机。由于控制系统开发处于快速控制原型阶段， 发动机暂不控制。 3. 2 电机 PID 控制算法