6AT控制器的快速控制原型及硬件在环仿真研究_张炳力
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3 TCU 系统的硬件在环仿真
3. 1 TCU 的硬件在环仿真
· 682 ·
汽车工程
2011 年（ 第 33 卷） 第 8 期
图 3 不同挡位各执行元件的动作
控制系统 RCP 仿真完成后须按照硬件在环仿 真（ hardware-in-the-loop simulation，HILS） 规程完成 控制器原型机的设计工作［9 － 10］。在 HILS 仿真中， 使用真实的控制器在虚拟或半虚拟的环境中运行， 以此来检测和完善控制系统代码。 3. 2 控制器的开发 3. 2. 1 TCU 软件设计
换挡控制模块模仿驾驶员的逻辑思维，根据车 速和加速踏板信号以及换挡点来判断挡位。将车速
* 国家科技支撑计划项目（ 2009BAG12B0003） 、国家 863 计划项目（ 2009AA11A13） 、安徽省科技计划项目（ 10020203026） 和安徽省软科学研究计划项目（ 10030503076） 资助。
快速控制原型试验结果如图 2 所示，分别为在 UDDS 工况下车速、油门开度和挡位与时间的对应 关系。例如： 在 257s 附近，车速超过 80km / h，油门 开度保持在 50% 以上，因此控制挡位输出由 5 挡升 到 6 挡，但随后油门又小于 30% ，于是挡位又从 6 挡 降到 5 挡。由试验结果分析可知： 换挡策略模型正 确，能够根据工况选择合适挡位。
（ 2） 闭锁离合器标定 闭锁离合器的控制通过 CAN 通信采集发动机转速作为泵轮转速，由车速信 号和传动比计算出涡轮转速，通过这些参数计算速 比（ 涡轮转速 / 泵轮转速） ，用来标定解锁提前时间、 起步滑摩结合曲线和闭锁结合控制曲线等。
2 TCU 快速控制原型仿真分析
运用 dSPACE 进行自动变速器快速控制原型试 验，通过 ControlDesk 在线调试算法模型［8］。用于仿 真分析的数据主要有： 油门开度、车速、挡位和不同 挡位执行元件状态。 2. 1 换挡策略模型仿真分析
Keywords： AT； TCU； RCP； HILS
前言
6 速自动变速器（ 6AT） 以其卓越的经济性和平 顺性，成为常见的汽车动力总成部件。本文中基于 dSPACE 的电控系统开发模式对 6AT 控制器（ transmission control unit，TCU） 进行开发，建立了 6AT 快 速控制原型系统，进行了 dSPACE 快速控制原型和 硬件在环 仿 真 试 验，以 及 样 车 试 验。 结 果 表 明，该 TCU 满足性能要求。
［Abstract］ The control strategy of six-speed automatic transmission （ 6AT） is presented． Both rapid control prototyping （ RCP） simulation and hardware-in-the-loop simulation （ HILS） test on transmission control unit （ TCU） are carried out，and the sample vehicle test with TCU developed for 6AT is also conducted． The results show that the TCU meets its performance requirements，and RCP and HILS can enhance the development efficiency of TCU．
图 2 车速、油门开度和挡位与时间关系图
2. 2 执行机构控制模型仿真分析 利用 ControlDesk 监控各执行元件的动作来观
察执行机构的工作状况。不同挡位执行机构的工作 状态如图 3 所示。自上而下分别表示当前挡位和各 执行机构的工作状态，B1 ～ C3 的纵坐标值为 1 时表 示执行机构工作，为 0 表示不工作。由仿真结果可 知： 建立的换挡执行机构控制模型能够实现挡位的 顺利切换。
硬件是软件的载体，在设计 TCU 硬件时除传统 的最小系统的硬件设计外，还要在以下 3 个方面进 行设置。
（ 1） 霍尔式转速传感器在振动较大或车速较低 时易产生高频杂波，扰乱程序的正常运行，须通过低 通滤波电路将其过滤。
（ 2） 使用飞思卡尔 S12 系列单片机作为核心控 制芯片，其内部具有 CAN 控制器模块，只要在外部 设置 CAN 收发器（ PCI8250） 就可实现 TCU 与发动 机 ECU 之间的 CAN 通信。
图 4 HILS 硬件在环仿真示意图
TCU 硬件在环仿真的测试模型如图 5 所示。汽 车模型的输入量是加速和制动踏板信号，输出是车 速信号、汽车行驶阻力的负载信号和模型算出的挡 位。测试模块通过变速器的输入和输出转速计算出 真实的挡位。由于真实的挡位是由 TCU 独立运行 产生的结果，通过这个参数与模型挡位变换的差别 将能检验出 TCU 控制程序的不足，从而有针对性地
模型 需 要 的 控 制 参 数 为 车 速 和 加 速 踏 板 信 号［2］。在快速控制原型仿真阶段、通过数据采集模 块进行采集： 车速信号是脉冲信号，加速踏板信号是 模拟信号，使用 dSPACE 的 RTI（ real-time interface） 模块将传感器信号输入控制系统。 1. 2 换挡控制模块
所研究的 6AT 执行机构包括离合器和制动器 两种： 离合器 K1、K2、K3 分别由电磁阀 SV1、SV2、 SV3 控制； 制动器 B1 由电磁阀 SV4 控制； 单向离合 器 F 是由机械部分控制； 电磁阀 SV5 用来控制闭锁 离合器的工作。5 个电磁阀通过改变 PWM 占空比 对电磁阀的输出压力进行控制［5］。 1. 3. 2 电磁阀台架标定
1 TCU 快速控制原型建模
在自动变速器控制系统的快速控制原型（ rapid
control prototyping，RCP） 试验中，dSPACE 模拟的是 控制器，TCU 开发人员可以快速地对整个控制系统 进行多次反复的、离线及在线的试验来验证控制系 统的运行状况。文中建立的自动变速器控制模型包 括［1］： 数据采集、换挡控制和执行机构控制等模块。 1. 1 数据采集模块
20ห้องสมุดไป่ตู้1 年（ 第 33 卷） 第 8 期
汽车工程 Automotive Engineering
2011（ Vol． 33） No． 8
2011140
6AT 控制器的快速控制原型及硬件在环仿真研究*
张炳力1 ，杜红亮1 ，金朝勇2 ，赵 韩1 ，冯有成3 ，周小华3
（ 1. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009； 2. 安徽省交通职业技术学院，合肥 230051； 3. 江淮汽车技术中心，合肥 230091）
（ 1） I /O 信号采集层 利用控制器的脉冲累加 模块采集车速信号，通过 AD 模块采集加速踏板信 号。为了对采集的信号进行滤波，须将每一个采样 周期的最大最小值过滤，将剩下的值求平均值后即 为过滤后的数据。因为定时功能只能通过一个对计 时变量进行累加的过程才能实现，所以采样周期是 由定时器中断确定的。
（ 2） 挡位决策层 通过车速、加速踏板信号和 标定好的换挡点来决定挡位。
（ 3） 驱动信号控制层 根据挡位信号来控制执 行机构的电磁阀的工作方式。
（ 4） I / O 信号驱动层 须通过设置 PWM 寄存
器才能将驱动信号控制层的信号通过 PWM 口输出 占空比 0 ～ 100% 的 PWM 波。 3. 2. 2 TCU 硬件设计
Zhang Bingli1 ，Du Hongliang1 ，Jin Chaoyong2 ，Zhao Han1 ，Feng Youcheng3 ＆ Zhou Xiaohua3
1. School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009； 2. Anhui Communication Vocational ＆ Technical College，Hefei 230051； 3. JAC Technical Center，Hefei 230091
原稿收到日期为 2010 年 9 月 8 日，修改稿收到日期为 2011 年 1 月 25 日。
2011（ Vol． 33） No． 8
张炳力，等： 6AT 控制器的快速控制原型及硬件在环仿真研究
· 681 ·
信号和加速踏板信号同时输入换挡图谱 upgear 和 downgear，由 图 谱 输 出 升 挡 信 号 或 降 挡 信 号 给 换 挡 逻辑模块 chart1，如图 1 所示。
使用 Simulink 搭建的换挡控制策略是 Modle 文 件，无法直接烧写到单片机中运行，因此可利用 Targetlink 软件将 Modle 文件自动生成为 C 代码。生成 的 C 代码是上层核心算法程序，只提供与底层程序 的接口，而底层程序则须自己编写并留出对应接口 和上层代码对应接口进行连接。底层程序的编写可 以在 CodeWarrier 综合开发环境中完成。TCU 控制 软件的结构共分 4 层，它们之间是通过各层的接口 进行数据传递。
（ 3） 由控制器输出的 PWM 波的峰值电压只有 5 V，不足以 驱 动 电 磁 阀，这 就 需 要 电 磁 阀 驱 动 电 路 将 PWM 控制信号的功率进行放大，从而控制 PWM 电磁阀正常工作。 3. 3 控制器的硬件在环仿真试验
控制器硬 件 在 环 仿 真 试 验 方 案 如 图 4 所 示。 TCU 样机输入为加速踏板和车速信号，输出信号为 PWM 信号，并接到液压控制模块的电磁阀。加速踏 板和制动踏板信号通过 RTI（ real-time interface） 接口 输入到 Matlab 中的整车模型，由模型计算出车辆行 驶的速度和阻力，然后将车速信号同时转化成模拟 量和脉冲量信号分别输出给电机控制器和 TCU。车 辆行驶阻力信号转变成模拟量信号输出给电涡流负 载控制器。
2011（ Vol． 33） No． 8
图 1 自动换挡控制模型
换挡控制模块采用 Stateflow 软件建立［3 － 4］。该 模块包括两个并列的状态图： 挡位转移（ shift） 和挡 位控制（ shift_control） 。在 shift 状态图中，有 6 个挡 位状态，定义了 upshift 和 downshift 两个状态转移事 件作为挡位变换的条件。shift_control 状态图包含 3 个状态： 挡位保持（ steady） ，升挡（ upshifting） 和降挡 （ downshifting） 。当 shift_control 被激活后，无条件转 移激活 steady，然后通过判断确定是否换挡或保持 当前挡位不变。 1. 3 执行机构控制模块 1. 3. 1 电磁阀控制
换挡执行机构由特定电磁阀通过对应的压力调 节阀控制。电磁阀台架标定主要分为两部分：
（ 1） 换挡电磁阀标定 在换挡过程中要标定执 行机构重叠的量，若重叠太小则动力传输会中断； 若 重叠过大则执行机构会锁死，影响变速器的寿命甚 至烧毁变速器，因此须对电磁阀控制模型进行 RCP 试验，标定电磁阀的动作曲线［6 － 7］，主要标定参数有 多电磁阀动作时序、结合曲线和脱离曲线等；
［摘要］ 介绍了 6AT 的控制策略； 进行了其控制器快速控制原型仿真和硬件在环仿真试验，并使用开发的 6AT 控制器进行样车试验。结果表明，该控制器满足性能要求，快速控制原型及其硬件在环仿真能提高控制器的开 发效率。
关键词： 自动变速器； 变速器控制器； 快速控制原型； 硬件在环仿真
A Research on Rapid Control Prototyping and Hardware-in-the-Loop Simulation for the Control Unit of Six Speed Automatic Transmission
3. 1 TCU 的硬件在环仿真
· 682 ·
汽车工程
2011 年（ 第 33 卷） 第 8 期
图 3 不同挡位各执行元件的动作
控制系统 RCP 仿真完成后须按照硬件在环仿 真（ hardware-in-the-loop simulation，HILS） 规程完成 控制器原型机的设计工作［9 － 10］。在 HILS 仿真中， 使用真实的控制器在虚拟或半虚拟的环境中运行， 以此来检测和完善控制系统代码。 3. 2 控制器的开发 3. 2. 1 TCU 软件设计
换挡控制模块模仿驾驶员的逻辑思维，根据车 速和加速踏板信号以及换挡点来判断挡位。将车速
* 国家科技支撑计划项目（ 2009BAG12B0003） 、国家 863 计划项目（ 2009AA11A13） 、安徽省科技计划项目（ 10020203026） 和安徽省软科学研究计划项目（ 10030503076） 资助。
快速控制原型试验结果如图 2 所示，分别为在 UDDS 工况下车速、油门开度和挡位与时间的对应 关系。例如： 在 257s 附近，车速超过 80km / h，油门 开度保持在 50% 以上，因此控制挡位输出由 5 挡升 到 6 挡，但随后油门又小于 30% ，于是挡位又从 6 挡 降到 5 挡。由试验结果分析可知： 换挡策略模型正 确，能够根据工况选择合适挡位。
（ 2） 闭锁离合器标定 闭锁离合器的控制通过 CAN 通信采集发动机转速作为泵轮转速，由车速信 号和传动比计算出涡轮转速，通过这些参数计算速 比（ 涡轮转速 / 泵轮转速） ，用来标定解锁提前时间、 起步滑摩结合曲线和闭锁结合控制曲线等。
2 TCU 快速控制原型仿真分析
运用 dSPACE 进行自动变速器快速控制原型试 验，通过 ControlDesk 在线调试算法模型［8］。用于仿 真分析的数据主要有： 油门开度、车速、挡位和不同 挡位执行元件状态。 2. 1 换挡策略模型仿真分析
Keywords： AT； TCU； RCP； HILS
前言
6 速自动变速器（ 6AT） 以其卓越的经济性和平 顺性，成为常见的汽车动力总成部件。本文中基于 dSPACE 的电控系统开发模式对 6AT 控制器（ transmission control unit，TCU） 进行开发，建立了 6AT 快 速控制原型系统，进行了 dSPACE 快速控制原型和 硬件在环 仿 真 试 验，以 及 样 车 试 验。 结 果 表 明，该 TCU 满足性能要求。
［Abstract］ The control strategy of six-speed automatic transmission （ 6AT） is presented． Both rapid control prototyping （ RCP） simulation and hardware-in-the-loop simulation （ HILS） test on transmission control unit （ TCU） are carried out，and the sample vehicle test with TCU developed for 6AT is also conducted． The results show that the TCU meets its performance requirements，and RCP and HILS can enhance the development efficiency of TCU．
图 2 车速、油门开度和挡位与时间关系图
2. 2 执行机构控制模型仿真分析 利用 ControlDesk 监控各执行元件的动作来观
察执行机构的工作状况。不同挡位执行机构的工作 状态如图 3 所示。自上而下分别表示当前挡位和各 执行机构的工作状态，B1 ～ C3 的纵坐标值为 1 时表 示执行机构工作，为 0 表示不工作。由仿真结果可 知： 建立的换挡执行机构控制模型能够实现挡位的 顺利切换。
硬件是软件的载体，在设计 TCU 硬件时除传统 的最小系统的硬件设计外，还要在以下 3 个方面进 行设置。
（ 1） 霍尔式转速传感器在振动较大或车速较低 时易产生高频杂波，扰乱程序的正常运行，须通过低 通滤波电路将其过滤。
（ 2） 使用飞思卡尔 S12 系列单片机作为核心控 制芯片，其内部具有 CAN 控制器模块，只要在外部 设置 CAN 收发器（ PCI8250） 就可实现 TCU 与发动 机 ECU 之间的 CAN 通信。
图 4 HILS 硬件在环仿真示意图
TCU 硬件在环仿真的测试模型如图 5 所示。汽 车模型的输入量是加速和制动踏板信号，输出是车 速信号、汽车行驶阻力的负载信号和模型算出的挡 位。测试模块通过变速器的输入和输出转速计算出 真实的挡位。由于真实的挡位是由 TCU 独立运行 产生的结果，通过这个参数与模型挡位变换的差别 将能检验出 TCU 控制程序的不足，从而有针对性地
模型 需 要 的 控 制 参 数 为 车 速 和 加 速 踏 板 信 号［2］。在快速控制原型仿真阶段、通过数据采集模 块进行采集： 车速信号是脉冲信号，加速踏板信号是 模拟信号，使用 dSPACE 的 RTI（ real-time interface） 模块将传感器信号输入控制系统。 1. 2 换挡控制模块
所研究的 6AT 执行机构包括离合器和制动器 两种： 离合器 K1、K2、K3 分别由电磁阀 SV1、SV2、 SV3 控制； 制动器 B1 由电磁阀 SV4 控制； 单向离合 器 F 是由机械部分控制； 电磁阀 SV5 用来控制闭锁 离合器的工作。5 个电磁阀通过改变 PWM 占空比 对电磁阀的输出压力进行控制［5］。 1. 3. 2 电磁阀台架标定
1 TCU 快速控制原型建模
在自动变速器控制系统的快速控制原型（ rapid
control prototyping，RCP） 试验中，dSPACE 模拟的是 控制器，TCU 开发人员可以快速地对整个控制系统 进行多次反复的、离线及在线的试验来验证控制系 统的运行状况。文中建立的自动变速器控制模型包 括［1］： 数据采集、换挡控制和执行机构控制等模块。 1. 1 数据采集模块
20ห้องสมุดไป่ตู้1 年（ 第 33 卷） 第 8 期
汽车工程 Automotive Engineering
2011（ Vol． 33） No． 8
2011140
6AT 控制器的快速控制原型及硬件在环仿真研究*
张炳力1 ，杜红亮1 ，金朝勇2 ，赵 韩1 ，冯有成3 ，周小华3
（ 1. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009； 2. 安徽省交通职业技术学院，合肥 230051； 3. 江淮汽车技术中心，合肥 230091）
（ 1） I /O 信号采集层 利用控制器的脉冲累加 模块采集车速信号，通过 AD 模块采集加速踏板信 号。为了对采集的信号进行滤波，须将每一个采样 周期的最大最小值过滤，将剩下的值求平均值后即 为过滤后的数据。因为定时功能只能通过一个对计 时变量进行累加的过程才能实现，所以采样周期是 由定时器中断确定的。
（ 2） 挡位决策层 通过车速、加速踏板信号和 标定好的换挡点来决定挡位。
（ 3） 驱动信号控制层 根据挡位信号来控制执 行机构的电磁阀的工作方式。
（ 4） I / O 信号驱动层 须通过设置 PWM 寄存
器才能将驱动信号控制层的信号通过 PWM 口输出 占空比 0 ～ 100% 的 PWM 波。 3. 2. 2 TCU 硬件设计
Zhang Bingli1 ，Du Hongliang1 ，Jin Chaoyong2 ，Zhao Han1 ，Feng Youcheng3 ＆ Zhou Xiaohua3
1. School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009； 2. Anhui Communication Vocational ＆ Technical College，Hefei 230051； 3. JAC Technical Center，Hefei 230091
原稿收到日期为 2010 年 9 月 8 日，修改稿收到日期为 2011 年 1 月 25 日。
2011（ Vol． 33） No． 8
张炳力，等： 6AT 控制器的快速控制原型及硬件在环仿真研究
· 681 ·
信号和加速踏板信号同时输入换挡图谱 upgear 和 downgear，由 图 谱 输 出 升 挡 信 号 或 降 挡 信 号 给 换 挡 逻辑模块 chart1，如图 1 所示。
使用 Simulink 搭建的换挡控制策略是 Modle 文 件，无法直接烧写到单片机中运行，因此可利用 Targetlink 软件将 Modle 文件自动生成为 C 代码。生成 的 C 代码是上层核心算法程序，只提供与底层程序 的接口，而底层程序则须自己编写并留出对应接口 和上层代码对应接口进行连接。底层程序的编写可 以在 CodeWarrier 综合开发环境中完成。TCU 控制 软件的结构共分 4 层，它们之间是通过各层的接口 进行数据传递。
（ 3） 由控制器输出的 PWM 波的峰值电压只有 5 V，不足以 驱 动 电 磁 阀，这 就 需 要 电 磁 阀 驱 动 电 路 将 PWM 控制信号的功率进行放大，从而控制 PWM 电磁阀正常工作。 3. 3 控制器的硬件在环仿真试验
控制器硬 件 在 环 仿 真 试 验 方 案 如 图 4 所 示。 TCU 样机输入为加速踏板和车速信号，输出信号为 PWM 信号，并接到液压控制模块的电磁阀。加速踏 板和制动踏板信号通过 RTI（ real-time interface） 接口 输入到 Matlab 中的整车模型，由模型计算出车辆行 驶的速度和阻力，然后将车速信号同时转化成模拟 量和脉冲量信号分别输出给电机控制器和 TCU。车 辆行驶阻力信号转变成模拟量信号输出给电涡流负 载控制器。
2011（ Vol． 33） No． 8
图 1 自动换挡控制模型
换挡控制模块采用 Stateflow 软件建立［3 － 4］。该 模块包括两个并列的状态图： 挡位转移（ shift） 和挡 位控制（ shift_control） 。在 shift 状态图中，有 6 个挡 位状态，定义了 upshift 和 downshift 两个状态转移事 件作为挡位变换的条件。shift_control 状态图包含 3 个状态： 挡位保持（ steady） ，升挡（ upshifting） 和降挡 （ downshifting） 。当 shift_control 被激活后，无条件转 移激活 steady，然后通过判断确定是否换挡或保持 当前挡位不变。 1. 3 执行机构控制模块 1. 3. 1 电磁阀控制
换挡执行机构由特定电磁阀通过对应的压力调 节阀控制。电磁阀台架标定主要分为两部分：
（ 1） 换挡电磁阀标定 在换挡过程中要标定执 行机构重叠的量，若重叠太小则动力传输会中断； 若 重叠过大则执行机构会锁死，影响变速器的寿命甚 至烧毁变速器，因此须对电磁阀控制模型进行 RCP 试验，标定电磁阀的动作曲线［6 － 7］，主要标定参数有 多电磁阀动作时序、结合曲线和脱离曲线等；
［摘要］ 介绍了 6AT 的控制策略； 进行了其控制器快速控制原型仿真和硬件在环仿真试验，并使用开发的 6AT 控制器进行样车试验。结果表明，该控制器满足性能要求，快速控制原型及其硬件在环仿真能提高控制器的开 发效率。
关键词： 自动变速器； 变速器控制器； 快速控制原型； 硬件在环仿真
A Research on Rapid Control Prototyping and Hardware-in-the-Loop Simulation for the Control Unit of Six Speed Automatic Transmission