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变速器硬件在环(HiL)应用

问题描述
在变速器电子控制模块(TCU)的开发中,TCU功能的完整性和可靠性测试是必不可少的。从安全性和成本上考虑,在实际的车辆上实现所有测试是不现实的。因此,我们通常使用虚拟环境---硬件在环(HiL)实现,其中包含变速箱的车辆的动力总成模型和车辆动力学模型,能够对TCU进行全功能和自动化的测试。

设计要求
在对TCU的HiL测试中,建立被控对象的模型是一个关键问题,它必须:
 高精度同时又能保证实时性;
 能够模拟发动机,变速箱,差速器等多种复杂部件,以及车轮和车辆动力学特性;
 必须能够真实反映实际部件的特点,如损耗特性;
 容易开发;
 实现与其他测试软件和硬件的良好接口。

使用工具
 MapleSim,Driveline元件库和Tire元件库;
 实时仿真平台;

解决方案
工程师使用MapleSim创建了车辆动力学模型,包括完整的传动系统,通过仿真分析了发动机转速、离合器和致动器位置分析,并使用MapleSim的Code Generation工具自动将模型转换为C代码,将该模型导入到公司现有的实时仿真平台上,与变速器控制单元、信号转换器、电磁箱(负载)组成完整的测试系统。其中Driveline元件库帮助工程师快速实现动力总成的建模。



整个测试系统如图1所示,实际的变速器控制模块为测试目标,包含变速器的动力总成模型和整车动力学模型运行于实时仿真平台,它与TCU使用线缆连接,与实车上的线束相同。运行于上位机的监控程序提供了人机接口,用以控制模型的运行,注入测试案例和故障,并记录和保存测试数据。

被控对象建模
该TCU用于控制一个6速自动变速器,其最大扭矩为400Nm,如图2所示。


图为速自动变速器

对上述变速器建模,使用MapleSim中的Driveline元件库,可以快速实现其齿轮总成模型,如图3所示。

图 3 齿轮总成模型

最终,生成的实时系统模型架构如图4所示,在被控对象模型中包括了变速器模型, 发动机模型,车辆动力学模型。

图 4 实时系统模型

工作流程
当实时系统模型建好后,通过MapleSim的化简与代码生成功能,将模型导入到相应的实时硬件平台中。其过程如图5所示。

图 5 模型化简与导入的流程

MapleSim建立的被控对象模型,首先自动生成代数方程,并通过Maple独有的符号化简技术进行公式化简,然后将代数微分方程将阶,最后生成相应的实时代码。该过程由MapleSim自动完成,不需要人工干预,其优点是可以大幅减少方程数量,如该案例中,将齿轮总成模型方程的数目从736个减少到80个。

被控对象模型通过MapleSim的代码生成工具,可以直接生成针对不同实时平台的代码或ANSI C代码。这些对应于高精度的模型的代码运行速度非常快,可以直接用于硬件在环仿真。

成果
变速器模型的仿真结果如图6所示,可以看到MapleSim模型与其他专业建模工具创建的模型完全一致。而运行时间却显著减少,如图7所示。

图 6 仿真结果比较




图 7 实时性能比较

结论
在汽车系统的设计和测试中,系统级建模越来越重要,也越来越复杂,MapleSim所使用的符号计算技术极大提高了模型精度同时无需牺牲实时性能,其专业的元件库帮助工程师大大加快了系统建模过程,提高了易用性。

Maplesoft,全球领先的工程、科学研究和数学计算软件开发商,核心技术包括世界上最强大的符号计算引擎和创新的物理建模技术,这些领先的技术提供了尖端的工具用于设计、建模、和高性能仿真。其产品包括Maple™和MapleSim™.