汽车动力总成-基于GCAir和GCKontrol的TCU硬件在环HiL测试

前言

随着车辆动力传动控制系统功能的日渐复杂，对自动变速控制单元（Transmission Control Unit，TCU）的要求也越来越高，TCU的全面综合测试就显得尤为重要。采用硬件在环仿真（HIL）技术，可在实验室环境下完成对TCU的测试，对TCU的快速开发有重要的意义。

本文以本年度3月4日发布的《汽车—双离合器自动变速器（DCT）动力总成-GCKontrol模型》文章中所述的工程为基础，采用GCAir系统仿真测试验证一体化平台，来完成对TCU的硬件在环测试，检测TCU系统自动变速控制功能的有效性。

双离合自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）广泛应用于乘用车领域，具有燃油经济性好、驾驶性能好、成本低廉以及生产继承性好等重要特性。基于双离合自动变速器的混动化变速箱可能会成为国内主机厂的主要开发方向。

《汽车—双离合器自动变速器动力总成的GCKontrol模型》一文详细讲述了如何使用GCKontrol系统设计与仿真软件来模拟基于双离合自动变速器动力总成的运动学及动力学规律，并将该模型应用于变速箱控制单元（TCU）的快速开发，以及不同应用场景的分析与测试。

一、内容概述

1.1双离合自动变速器(DCT)介绍

DCT是一种纯机械式变速器，可理解为机械式自动变速器（Automatic mechanical transmission，AMT）的改进版本，通过增加一个离合器，实现离合器1打开过程中结合离合器2来动力换挡。图1为典型双离合变速器的机械结构。

图1 双离合变速器机械结构

图1的双离合变速器有四个同步器，换挡过程中发动机到离合器1、离合器2的功率流向可如图2所示，输出轴将力矩输出到差速器实现不同挡位下的驱动。

图2 功率流向

1.2 基于DCT的汽车动力总成主要构成

1)发动机和发动机控制模型；

2)双离合器模型；

3)变速器和同步器模型；

4)自动变速控制单元（TCU）；

5)驱动轴；

6)轮胎；

7)车辆纵向动力学。

1.3 基于GCKontrol对汽车动力总成建模

用GCKontrol对汽车动力总成建模，总体图如图3所示，其中包括了1.2所述的7个模块。

图3 汽车动力总成模型

上述七个模型的详细原理，除TCU外，此文不再赘述。有兴趣的读者可参见文章《汽车—双离合自动变速器动力总成的GCKontrol模型》。

1.4 自动变速控制单元(TCU)介绍

TCU控制算法是一个闭环控制，主要使用来自齿轮箱传感器（轴速度和执行器位置）的反馈信号，有两种实现方式：

1)使用GCKontrol软件中的C-Code模块，采用C代码实现。(参见本年度3月4日文章《汽车——双离合器自动变速器动力总成的GCKontrol模型》)

2)使用GCKontrol软件中的状态图模块，采用状态图方式实现。(参见本年度10月15日文章《GCKontrol状态图使用案例——双离合自动变速器控制单元(TCU)模型设计与仿真》)

图4 GCKontrol TCU模型图（基于C-Code模块）

图5 GCKontrol TCU模型图（基于状态图模块）

图6 GCKontrol TCU状态图模块内部结构

TCU模型的主要功能是根据车辆行驶状态（如车速、节气门开度等）信息为车辆提供升降挡决策，本示例工程的升降挡曲线如图7、图8所示。

图7 TCU升挡曲线

图8 TCU降挡曲线

此外，TCU还主要应用以下控制律：

1)怠速控制；

2)爬行模式控制；

a)TCU对发动机进行转速控制；

b)TCU应用离合器扭矩控制；

3)换挡过程控制；

a)检查同步器的位置；

b)如果同步器处于正确位置，则完成两个离合器之间的扭矩切换；

c)在升挡过程中，TCU请求减小扭矩，以使发动机转速降低得更快；

4)当车速非常低时，TCU会恢复到爬行状态。

1.5 该模型主要应用场景

1)驾驶性分析；

2)换挡线分析；

3)换挡过程分析，包括换挡时间，扭矩中断，冲击等；

4)自动变速控制单元（TCU）的开发和测试，HiL硬件在环测试。

二、对汽车动力总成工程做控制系统与被控对象分解

2.1 GCAir 半实物仿真-HiL介绍

GCAir软件可完成半实物仿真。在仿真系统中接入硬件实物，利用计算机接口（数据总线等）把硬件实物接入到软件仿真环境中，系统的软件和硬件可实时仿真运行，模拟整个系统的运行状态，从而使硬件实物在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，提高系统设计的可靠性。

GCAir软件半实物仿真，可用于控制系统测试。在仿真系统中接入实物控制器，被控对象是虚拟的，通过修改被控对象参数，来模拟实际工作时的各种工况。该完整的闭环仿真系统可对控制系统进行测试，达到全面考察验证控制器开发质量及控制算法可靠程度的目的。如图9所示。

图9 GCAir HiL半实物仿真示意图

2.2 对汽车动力总成模型进行分解

在本案例中，控制系统是自动变速控制单元（TCU），被控对象是基于DCT的汽车动力总成，包括发动机和发动机控制模型、双离合器模型、变速器和同步器模型、驱动轴模型、轮胎模型和汽车纵向动力学模型。

2.3 自动变速控制单元(TCU)导出FMU

在GCKontrol的汽车动力总成模型中，对需要导出FMU的TCU模型填加输入端口和输出端口，并导出FMU，该FMU命名为TCU。如图10所示。

图10 GCKontrol TCU模型图

该FMU TCU的输入端口和输出端口定义如下表：

2.4 汽车动力总成被控对象导出FMU

在GCKontrol的汽车动力总成模型中，对被控对象导出FMU，需要对被控对象模型作为整体导出FMU，其中包括发动机、双离合器、DCT、整车纵向动力学和轮胎。对该被控制对象填加输入端口和输出端口。特别指出，在HiL测试时，需要增加驾驶员输入作为外部激励，故驾驶员输入也作为被控对象的输入信号（如紫色字符所示）。最终该被控对象模型如图11所示，并导出该模型的FMU，该FMU命名为Vehicle_DCT。

图11 GCKontrol 汽车被控对象模型图

该FMU Vehicle_DCT的输入端口和输出端口定义如下表：

三、建立GCAir工程

3.1 CAN总线简介

CAN(Controller Area Network)总线协议是由 BOSCH（博世）发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线，它起初用于实现汽车内ECU之间可靠的通信。后因其简单实用可靠等特点，也被应用于工业自动化、船舶、医疗等其他领域。CAN总线在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上著名的汽车制造厂商大多都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测机构和执行机构间的数据通信。

本工程采用CAN总线，来实现汽车动力总成的HiL测试，即TCU（控制器）与被控制对象之间的通信。

3.2 Cable数据线公母接口简介

在本工程中，控制器（TCU）与被控制对象之间，除了CAN总线需要传输的信号外，还存在模拟量/数字量，需要Cable数据线传输，并采用公母接口的Cable数据线。被控制对象(Engine+Vehicle+DCT)是纯虚拟的，运行在GCAir实时仿真机上。实时仿真机具备Cable数据线的公口接头，且具备数字量、模拟量的主站板卡，可实现数字量、模拟量的解析与传输。如图12所示，展示了公母接口的作用、特点、用例及表示方式。

图12 GCAir公母端口示意图

3.3 建立CAN总线的数据收发矩阵和报文

通过对工程的分析，在GCAir里可建立CAN总线的报文信息如下，TCU_Tx和EMS_Tx，TCU_Tx包含EngTrqLim、EngSpedReq；EMS_TxCarSpeed、EngineSpeed、AccPedal、BrakePedal信号。具体配置信息如图13、图14所示。

图13 CAN总线报文TCU_Tx配置图

图14 CAN总线报文EMS_Tx配置图

该收发矩阵关系如图15所示。由图可知TCU_Tx报文由TCU（控制器）发送给Vehicle（被控对象），EMS_Tx报文由Vehicle（被控对象）发送给TCU（控制器）。

图15 CAN总线报文收发矩阵配置图

3.4 建立Cable数据线的数据收发报文

通过对工程的分析，在GCAir里可建立Cable数据线的报文信息为，该Cable数据线选择公母接口，在GCAir仿真机为公端口，具有输入量（Input）和输出量（Output），在TCU（控制器）端为母端口，如图16描述信息第2条“表中的信号类型对应公端口，母端口信号类型与之相反”。该公母端口描述名称为：TCU_DCT_cables，具体配置信息也如图16所示。

图16 Cable数据线公母端口信号配置图

3.5 将被控对象的FMU导入GCAir

3.5.1 将被控对象子系统填加数据总线端口

如图17所示，虚拟子系统Vehicle_DCT是被控对象，对该子系统中填加数据总线端口，CAN总线PT_CAN和Cable数据线CABLES。

图17 被控对象填加数据总线端口

3.5.2 分析FMU数据传输关系

分析被控对象的GCKontrol工程，该被控对象包含五个模块：发动机、双离合器、变速器（DCT)、轮胎和车辆纵向动力学，此处统称为Vehicle。该被控对象所有的输入输出量及传输关系在图18中标出，其分为五大部分：

1)驾驶员输入；

2)CAN总线输入量（Vehicle接收TCU的数据）；

3)CAN总线输出量（Vehicle发送给TCU的数据）；

4)Cable-公母端口（公口）输入量[DCT(Vehicle)接收TCU的数据]；

5)Cable-公母端口（公口）输出量[DCT(Vehicle)发送数据给TCU的数据]。

图18 被控对象端口信号收发关系图

3.5.3 将被控对象的FMU导入GCAir

在虚拟子系统Vehicle_DCT里导入FMU Vehicle_DCT，如图19所示，对FMU的各输入输出变量与CAN总线变量、CABLES变量相连接。特别说明：该FMU的输入变量有四个变量是驾驶员输入信号（图中用紫色标出），分别如下：

1)加速踏板信号；

2)刹车踏板信号；

3)发动机启动信号；

4)自动挡开启信号。

这四个信号与GCAir控件绑定（这将在本文后面讲述），采用调节控件的方式可实时调节运行时工况，并实现不同工况的切换。

图19 被控对象总线/端口与FMU输入/输出连接关系

3.6 将控制系统TCU的FMU导入GCAir

3.6.1 将TCU子系统填加数据总线端口

如图20所示，虚拟子系统TCU是控制器，对该子系统中填加数据总线端口，CAN总线PT_CAN和Cable数据线CABLES。

图20 控制单元TCU子系统填加数据总线端口

3.6.2 分析FMU数据传输关系

分析控制器TCU工程，该控制器所有的输入输出量及传输关系在图21中标出。该FMU的输入输出量分为四类：

1)CAN总线输入量（TCU接收Vehicle的数据）；

2)CAN总线输出量（TCU发送给Vehicle的数据）；

3)Cable-公母端口（母口）输入量[TCU接收DCT(Vehicle）的数据]；

4)Cable-公母端口（母口）输出量[TCU发送数据给DCT(Vehicle]的数据）。

图21 控制单元TCU总线/端口与FMU输入/输出端口连接关系

如图20所示，虚拟子系统TCU是控制器，对该子系统中填加数据总线端口，CAN总线PT_CAN和Cable数据线CABLES。

3.6.3 将控制系统TCU的FMU导入GCAir

在虚拟子系统TCU里导入FMU TCU，对FMU的各输入输出变量与CAN总线变量、CABLES变量相连接。连接关系如图22所示。

图22 控制单元TCU总线/端口与FMU输入/输出连接关系

3.6.4 建立通信后的工程

如图23、图24所示，是创建CAN总线及Cable数据线后的具体图例，对两个子系统建立PT_CAN总线连接，CABLES连接。

图23 在GCAir里定义的CAN总线和Cable数据线

图24 被控对象和控制单元的总线/数据线连接

3.7 在GCAir 2D面板建立输入/输出控件

在2D面板建立输入控件和输出控件，每个控件的描述如下（所述控件在下一小节3.8有最终效果图）：

输入控件（控制型控件）：

1)EngineStart：驾驶员输入信号-发动机启动；

2)PRND：驾驶员输入信号-自动挡开启；

3)APP：加速踏板信号；

4)Brake：刹车踏板信号。

输出控件（显示型控件）：

1)EngSpd rad/s：仪表盘-发动机转速信号；

2)Km/h：仪表盘-车速信号；

3)同步器13/24/57/6R：4个进度条-4个同步器信号；

4)Clutch1Pos/Clutch2Pos：2个进度条-2个离合器位置信号；

5)发动机扭矩：进度条-发动机扭矩信号；

6)车辆状态：显示型变量列表-车辆状态信号；

7)TCU状态：显示型变量列表-TCU状态信号；

8)当前挡位/目标挡位：显示型变量列表-显示挡位。

3.8 基于CAN总线和Cable数据线的全虚仿真

启动GCAir工程，基于以下步骤模拟驾驶员对汽车的控制：

1)驾驶员启动汽车发动机-点击按钮EngineStart；

2)驾驶员开启汽车自动挡-点击手柄PRND；

3)驾驶员踏下加速踏板-调节滑动条APP从0到80；

4)驾驶员踩下刹车踏板-调节滑动条Brake从0到90。

整车运行状态如图25所示（动图）：

图25 GCAir 2D面板总工程运行效果（动图）

四、汽车动力总成工程的GCAir仿真

车辆行驶的实际行驶工况错综复杂，此工程通过配置以下几种典型工况，演示DCT动力总成模型的动态表现。

4.1 工况一

工况一：全油门0-100km/h加速工况仿真，车辆需要18.2秒达到100公里每小时的时速，图26展示了在自动挡1/2/3/4换挡过程，TCU的各状态变量。

图26 工况一运行效果图

4.2 工况二

工况二：在工况一的基础上，当车辆达到最大速度时，踩下刹车踏板到100，同时松开加速踏板（加速踏板调节至10），触发降挡指令降低发动机工作转速。图27显示了TCU的各状态变量。

图27 工况二运行效果图

五、将TCU设为被测硬件做硬件在环测试

经过上述分析，完成了HiL测试的全虚拟仿真。经过下述4步操作，可将TCU设为被测硬件，用真实的TCU（自动变速控制单元）完成汽力动力总成的半实物测试。达到全面考察验证控制器开发质量及控制算法可靠程度的目的。

1)将TCU虚拟子系统设为被测硬件；

2)CAN总线通道配置；

3)Cable数据线通道配置；

4)完成HiL半实物测试

以上操作将会在后续文章中详细阐述。

六、结论

本案例采用GCAir系统仿真测试验证一体化平台，实现了整车动力总成的TCU硬件在环测试。其中TCU作为控制单元，汽车其他部件 (发动机+双离合器+变速器和同步器+轮胎和车辆纵向动力学) 是纯虚拟的，作为被控对象，运行在GCAir实时仿真机上；又搭建了CAN总线通信报文及收发矩阵、 Cable数据线公母端口及通信数据集，实现了控制单元与被控对象的通信。该GCAir工程可对TCU做HiL测试，包括：驾驶性能分析、换挡分析、换挡过程分析（包括换挡时间、扭矩中断、冲击）、刹车分析等等，以此达到了全面考察验证控制器开发质量及控制算法可靠程度的目的。