dSPACE快速控制原型在金屬帶式無級(jí)變速器控制中的研究

摘要：本文借助dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出金屬帶式無級(jí)變速器（CVT）電液控制系統(tǒng)ECU快速控制原型（RCP）解決方案。并對(duì)所設(shè)計(jì)的ECU配合實(shí)際的金屬帶式CVT電液控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)研究，取得了良好的效果，并大大縮短了后期相關(guān)控制器的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：快速控制原型，無級(jí)變速器，dSPACE

1.引言
金屬帶式無級(jí)變速器已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車變速器發(fā)展的趨勢(shì)，其中電液系統(tǒng)的控制是該研究所涉及的一個(gè)核心問題。能否快速有效的對(duì)CVT進(jìn)行研究，在很大程度上取決于電液控制系統(tǒng)尤其是ECU的軟硬件設(shè)計(jì)能力。

傳統(tǒng)的ECU控制開發(fā)需要反復(fù)進(jìn)行控制算法仿真和代碼編寫，這種方法會(huì)導(dǎo)致開發(fā)周期長、費(fèi)用高、可靠性差?，F(xiàn)代的ECU控制開發(fā)流程普遍采用快速控制原型（RCP），具有代表性的是德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作平臺(tái)——dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)充當(dāng)控制算法和邏輯代碼的硬件運(yùn)行環(huán)境，通過I/O板與控制對(duì)象連接進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制方案的可行性，大大簡化了開發(fā)過程，提高了開發(fā)效率。本文借助dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，根據(jù)金屬帶式CVT電液系統(tǒng)的具體要求對(duì)ECU進(jìn)行快速控制原型，所設(shè)計(jì)的ECU配合實(shí)際的金屬帶式CVT電液系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果，極大的提高了CVT控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2.dSPACE系統(tǒng)介紹
2.1dSPACE硬件系統(tǒng)[1]
 

圖1 dSPACE AutoBox硬件系統(tǒng)
本研究采用的是dSPACE AutoBox硬件系統(tǒng)，如圖1所示。其中處理器板dS1005是Motorola公司的PowerPC750，主頻480Hz，通過以太網(wǎng)與PC主機(jī)進(jìn)行通信。I/O板dS2210適用于多種I/O而插槽有限的情況，通過32位的PHS總線與處理器板dS1005進(jìn)行通信。

2.2dSPACE軟件系統(tǒng)
dSPACE的軟件包括代碼的生成及下載軟件和測試軟件兩種。
代碼的生成及下載是由MATLAB/RTW與dSPACE系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)接口[2]（RTI）來完成。實(shí)時(shí)工作間（RTW）實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的無縫自動(dòng)下載，RTI提供相應(yīng)的I/O模型。
dSPACE提供的測試軟件主要有：ControlDesk綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境、MLIB/MTRACE實(shí)現(xiàn)自動(dòng)試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整軟件，本研究采用的是ControlDesk綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境。ControlDesk綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)硬件的可視化管理、用戶虛擬儀表的建立、變量的可視化管理、參數(shù)的可視化管理、試驗(yàn)過程自動(dòng)化。

3.CVT電液控制系統(tǒng)ECU快速原型解決方案
3.1CVT控制目標(biāo)
金屬帶式CVT速比控制和夾緊力控制是相互耦合的，即夾緊力變化必然要引起速比的變化。在實(shí)時(shí)控制過程中，并不考慮兩者之間的相互影響。金屬帶式CVT速比 定義為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比：
                                   

金屬帶式CVT所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩與夾緊力和主動(dòng)輪半徑之間的關(guān)系為：
                                

3.2CVT電液控制系統(tǒng)
本研究金屬帶式CVT采用的電液控制系統(tǒng)[3]如圖2所示。電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪速比控制、從動(dòng)輪夾緊力控制、方向控制和閉鎖控制，由于方向控制和閉鎖控制只在汽車起步和倒檔時(shí)起作用，可以單獨(dú)考慮，本研究只對(duì)CVT主動(dòng)輪速比控制、從動(dòng)輪夾緊力控制進(jìn)行研究。
ECU首先接收來自傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、節(jié)氣門開度信號(hào)、CVT從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、CVT從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和CVT轉(zhuǎn)速信號(hào)（車速信號(hào)），通過運(yùn)算得到目標(biāo)速比、目標(biāo)壓力、實(shí)際速比和實(shí)際壓力。目標(biāo)速比（壓力）與實(shí)際速比（壓力）經(jīng)過速比（夾緊力）控制器得到速比（壓力）閥PWM控制信號(hào)。在離線設(shè)計(jì)控制器時(shí)，可以采用各種控制方式，如PID控制，模糊控制等，本文速比（夾緊力）控制器采用的是九點(diǎn)智能控制器[4]。
 

圖2  CVT電液控制系統(tǒng)

3.3基于dSPACE CVT快速控

制原型解決方案
在開發(fā)的初期階段，快速地建立控制對(duì)象及控制器模型，并對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次離線的及在線的測試來驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個(gè)過程稱之為快速控制原型[5]（RCP）。使用RCP技術(shù)，可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷；在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細(xì)研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問題。通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實(shí)際設(shè)備相連，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)的性能特征。

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)提供了RCP解決方案：第一步，在MATLAB/Simulink下建立的金屬帶式CVT模型和控制方案，進(jìn)行離線仿真來確定CVT主動(dòng)輪速比和從動(dòng)輪夾緊力控制策略的可行性；第二步，通過RTI進(jìn)行dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與MATLAB/Simulink控制設(shè)計(jì)平臺(tái)的連接（如圖3所示），將金屬帶式CVT電液控制系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)運(yùn)行在dSPACE的處理板dS1005中，利用I/O板dS2210生成速比和壓力控制信號(hào)傳送給實(shí)際的CVT電液系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)離線算法的實(shí)時(shí)性和控制方案的可靠性，RCP的關(guān)鍵是代碼的自動(dòng)生成和下載，基于dSPACE與MATLAB/Simulink的無縫集成，只需鼠標(biāo)輕輕一點(diǎn)，就可以完成設(shè)計(jì)的修改；第三步，利用dSPACE的代碼生成器Target Link或MATLAB RTW Embeded Coder從MATLAB/Simulink生成針對(duì)特定處理器芯片產(chǎn)品級(jí)嵌入式代碼，完成目標(biāo)代碼的生成，目標(biāo)代碼即可在CVT ECU上運(yùn)行。CVT快速控制原型解決方案如圖4所示。
 
圖3 MATLAB/Simulink與dSPACE連接的CVT快速控制原型模型
 

圖4  CVT快速控制原型解決方案

4.CVT實(shí)時(shí)仿真測試
CVT快速控制原型不僅需要能夠方便的構(gòu)建系統(tǒng)的快速原型，還需要及時(shí)準(zhǔn)確的測量調(diào)試工具，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以修改。當(dāng)代碼經(jīng)過RTW編譯下載到dSPACE實(shí)時(shí)處理器dS1005中運(yùn)行時(shí)，可以借助dSPACE提供的集成化調(diào)試軟件平臺(tái)CintrolDesk進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測仿真結(jié)果和在線調(diào)參。
為了驗(yàn)證速比（夾緊力）控制算法的準(zhǔn)確性，本實(shí)時(shí)仿真中采用定步長0.01 ode1（Euler）算法，分別調(diào)試速比（夾緊力）控制算法的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，如圖5所示。
 

圖5 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.結(jié)束語
基于本文的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：
（1）dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠性高。利用dSPACE提供的集成開發(fā)調(diào)試平臺(tái)可以方便快速的構(gòu)建CVT快速控制原型，完成電液控制系統(tǒng)的調(diào)試。所設(shè)計(jì)的ECU很好的配合CVT電液系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)和控制器的快速開發(fā)。
（2）先進(jìn)的dSPACE系統(tǒng)為快速、靈活、可信地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)提供了有效途徑。本文提出了CVT電液系統(tǒng)ECU快速原型解決方案，對(duì)汽車工程和其它領(lǐng)域，在基于dSPACE環(huán)境下的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)和參考意義。

參考文獻(xiàn)：
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[2] dSPACE. Real-Time Interface (RTI and RTI-MP) Implementation Guide, Release3.3 [Z]. Paderborn: dSPACE GmbH, 2001.
[3] 張伯英,周云山,張友坤,張寶生,方泳龍.金屬帶式無級(jí)變速器電—液控制系統(tǒng)的研究[J].汽車工程，2001，23（5）：315～319.
[4] 過學(xué)迅，胡朝峰.九點(diǎn)控制電機(jī)在手動(dòng)變速器換擋同步中的應(yīng)用.動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2005.3（3）：83～85.
[5] 沈悅明，陳啟軍. dSPACE快速控制原型在機(jī)器人控制中的應(yīng)用[J].機(jī)器人，2002，24（6）：545～549.