黑龙江省企业管理现代化优秀论文正文-HIL仿真模型.pdf

黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 0 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 目目 录录 企业简介 1 标题 2 摘要 2 1 引言 4 2 6AT 变速箱与液压模型概览 5 3 仿真模型的需求 6 4 基于 modelica 的模型设计 7 5 动力总成 变速器 离合器模型 7 6 液压模块 8 7 实时仿真规范以及代码导出 9 8 dSPACE SCALEXIO 系统集成 10 9 模型验证 11 10 结论 16 参考文献 错误 未定义书签 错误 未定义书签 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 1 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 企业简介 哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司 成立于1998年 是由 中国 日本和马来西亚 三国六方 共同投资组建的中外合资企 业 公司主要从事引自日本三菱汽车的4G1和4G9两大系列排量为 1 3升至2 0升汽油发动机和自动变速器 4AT 5AT 及手动变速 器 MT 产品的研制 开发 生产和销售 是国内首家同时拥有 汽车发动机 自动变速器和手动变速器制造技术的企业 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 2 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 一个先进的 用于 6 速变速器进行 HIL 仿真的实时模型 丁麟 辛海霞 方立辉 哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司 哈尔滨 150060 摘要 自动变速器控制系统对动力总成的整体性能有着极其重要 影响 但是由于机械 液压 电气 整车动力性 驾驶员输入和 变速器控制软件的相互影响 这些系统是很难进行测试验证的 尤其还需要综合考虑换档时间 舒适性以及离合器温度等 所以 搭建一个真实 精准的 可以实现实时仿真的动态物理模型是一 个很好的解决方法 本文将描述如何使用模型语言开发一款具有 起停功能的 6 速变速器的物理模型 此模型包括驾驶员 发动机 带有起停功能的 EMS 变矩器 行星齿轮 带有电磁阀的液压控制 模型 温度计算 油温冷却装置 换档线 轮胎 纵向整车动力 性 输入 输出接口以及 CAN 信号管理 同时 还需要使用 dSPACE 公司的 SCALEXIO 系统测试 TCU 以及接口实时能力以及模型需求 此模型需要与变速器样机在台架上测试数据进行对比验证 关键字 自动变速器 仿真 控制 HIL Advanced real time models for HiL simulation of a 6AT gearbox powertrain Ding Lin Xin Haixia Fang Lihui Dongan Automotive Engine Manufacturing Co Haerbin 150060 Abstract Abstract Automatic transmissions control systems have a key 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 3 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg influence on the overall powertrain performance These systems are complex to test and validate due to the interaction of mechanics hydraulics electronics vehicle dynamics driver inputs and transmission control software It is necessary to balance gearshift timing passenger comfort clutch temperature etc Realistic and accurate dynamic plant models capable of real time simulation are very valuable tools It s described that how the plant models for a new 6AT gearbox with start stop function were developed using Modelica language The model includes driver engine EMS with start stop function torque converter planetary gears hydraulic control modules with solenoid valves thermal computations and oil cooler driveline tyres longitudinal vehicle dynamics I O and CAN signals management A special focus is done on real time capability and model requirements for interfacing and testing the TCU with a dSPACE SCALEXIO system The model is validated by comparison with measurements obtained from a gearbox prototype test bench Keywords Automatic Transmission Simulation Controls HiL Modelica 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 4 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 1 1 引言 引言 自动变速器控制系统对动力总成的整体性能有着极其重要影 响 但是由于机械 液压 电气 整车动力性 驾驶员输入和变 速器控制软件的相互影响 这些系统是很难进行测试验证的 尤 其还需要综合考虑换档时间 舒适性以及离合器温度等 本文将 介绍一个可行工具 一个真实 精准的 可以实现实时仿真的动 态物理模型 对于 TCU 控制软件和动力总成结合作为一个高性能的闭环系 统 此闭环连接需要尽快验证软件与模型是如何相互影响的 不 能仅在样机上进行测试的几个因素如下 在开发过程中 样机开发完成时间晚 早期软件版本没有进过验证 可能会毁坏样机 在开发过程中 样机的实际测试一直是研发的瓶颈 所以 整个系统的仿真是十分必要的 在 TCU 与仿真车辆的 相互影响过程中 可以通过几种方法获取一个闭环仿真 如果控 制模型或控制软件的源代码可用 那么模型在环测试 软件在环 测试以及虚拟 ECU 可能可用 如果 TCU 应用软件不可用 那么硬 件在环测试仍然可用 所以 TCU 可以控制整车进行实时仿真 DAE 目前正在研发具有起停功能的 6 速变速器 为了支持项目开发 将使用 HIL 系统进行 TCU 测试 为了成为高效的工程工具和测试 工具 HIL 系统必须精准的与物理模型进行集成 此物理模型是特 意为当前的 6 速变速箱设计 一个普通的物理模型是无法满足当 前需求 因为众所周知 变速器 离合器 液压模型和其他部件 都是特定的 在普通的变速器模型中是无法准确展示的 此外 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 5 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg EMS 还需要一些特定功能来支持起停功能 在起停功能中 EMS 和 TCU 需要通信 且同步运行 EMS 是车辆仿真的一部分 并非实质 硬件 也就是说 为满足 EMS 起停功能 我们需要特定的 自定 义模型 本文展示了如何开发实时物理模型 如何与 dSPACE 的 SCALEXIO 系统集成验证 2 6AT 变速箱与液压模型概览 2 6AT 变速箱与液压模型概览 首先 简单介绍需开发的变速器结构 如图 1 所示 图 1 6AT 架构图 AT 变速箱 240NM 前轮驱动 拉维纳式行星架 3 个离合器 两个制动 器 1 个单向离合器 变矩器 具有电子液压式锁止离合器 液压模型 包括 7 个电磁阀 主调压阀 11 个其他液压阀 冷却器 起停功能的电子泵 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 6 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 标准的 TCU 硬件 带有 CAN 传感器处理 多种 I O 和 PWM 电磁阀驱动 3 仿真模型的需求 3 仿真模型的需求 在进行物理模型的每个模型 子系统的详细设计前 需要多 次详细考虑模型涉及的 必须进行仿真的影响因素和变量 然后 参照这些高层级的需求 模型的设计和执行才能正确开始设计 针对此项目 DAE 希望模型能够准确仿真整个动力总成的工况 整 车仿真不仅仅包括功能和验收测试 还能够有效支持系统优化以 及进行性能和质量仿真 而简单的模型不能满足当前需求 模型考虑内容包括 频率 50HZ TCU 采样时间 100HZ 任何大于 50HZ 的物理影响 因素 TCU 无法监控 EMS 可以模拟起停功能 驾驶员需求扭矩 发动机性能曲线 发动机燃油消耗 发动机温度和冷却流量 变矩器 效率 损失和扭矩比 离合器温度计算 瞬时温度变化 变速器油温上升 温度对变速器操作影响 油的粘度 摩擦 系数 液压模型 离合器压力 释放油压时间 阀的控制逻辑 主油压控制 锁止离合器的液压控制 动力总成 换档 整车自然频率 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 7 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 轮胎打滑 道路系数可变下的整车纵向动力性 驾驶循环 4 基于 modelica 的模型设计 4 基于 modelica 的模型设计 Modelica 是一种模型语言 详见 1 2 是通过很多开源 和商业平台实施 此语言已用于开发复杂的物理系统模型框架 已广泛用于汽车企业 参见 3 4 5 SIMULATIONX 是一款 商业平台 主要使用 modelica 语言 同时能够提供一些商业库 便于动力总成和液压模型的开发 SIMULATIONX 同样支持最新模型 化 尤其便于控制逻辑模型 此项目下所有模型都是通过 SIMULATIONX 平台搭建 Modelica 语言提供了很好的框架架构 十分贴合当前汽车设 计概念 作为一个标准语言 modelica 使用文本文件 可以非常 便捷的进行模型的版本控制 在此项目过程中 版本控制广泛应 用于团体工作过程中模型数据的同步开发 5 动力总成 变速器 离合器模型 5 动力总成 变速器 离合器模型 简单介绍发动机和 EMS 变矩器 变速箱和离合器模型 发动机模型主要依据发动机扭矩和燃油消耗特性 MAP EMS 模型能 够仿真起停功能 可通过 TCU 需求实现扭矩控制和转速控制 变速箱模型是依据 6AT 架构搭建的 包括拉维纳式行星齿轮 组和常规齿轮组 具体参数主要通过 CAD 草图和变速箱需求规范 提取 为了实现实时仿真的目的 使用定步长 齿轮和离合器的 惯性和强度需要实时调整 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 8 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 我们搭建的离合器模型依据的是 SIMULATIONX 的离散式离合器 模型 通过离合器温度和压力计算摩擦系数 离合器模型的验证 主要通过的是在可变条件下离合器的台架测量 作为一个子部件 离合器可单独验证 验证结果如图 2 所示 图 2 离合器模型验证 主油压 5bar 油温 40 6 液压模块 6 液压模块 液压模型模块包括每个离合器执行器 电磁阀 以及所有的 逻辑阀和控制阀 模型设计依据实际阀的尺寸 弹簧负载 对于 电磁阀依据的是阀的性能曲线 图 3 为液压系统模块架构 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 9 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 图 3 液压系统模块架构 电子阀模块验证主要是使用电磁阀台架测试数据 电磁阀施加 预知的负载 图4显示负载压力增加曲线以及释放负载压力曲线 图 4 电磁阀验证 增加压力 释放压力 7 实时仿真规范以及代码导出 7 实时仿真规范以及代码导出 SimulationX平台可以生成最优化的可执行代码用于实时仿真 代码生成的详细描述参见 7 实时建模要求使用定步长处理器 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 10 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 为了使在所有条件下CPU的负荷基本固定 但是定步长增加了模型 频率方面的约束 例如 1ms的Euler仿真器可以处理一个包含了 50 100Hz特征频率的模型 并保证合理的数值稳定性 对于TCU 测试来说 此范围是合理的 由于TCU使用10ms任务处理器 这就 意味着 通过Shannon 采样理论 TCU无法检测50HZ以上的频率 因此 对于模型中包含的更高频率是不相关的 这也意味着模型 必须提供真实动作 最高达到50HZ频率范围 在模型开发过程中 实时性能需要检查 模型需要优化 确 保高速计算 依据以往经验 8 9 世冠公司已经优化 了标准的SIMULATIONX流体模型 以增加仿真速度 减少流体属性 计算时间 对于液压模块 流体属性计算时间时常达到CUP负载的 75 世冠采用的方法是 使用SIMULATIONX的Global Symoblic 分 析 对于整个液压模型 允许仅采用部分流体属性计算 可以很 大提升液压计算速度 结果是 整个整车模型可以仅使用120s完成一个1200s的NEDC 仿真 8 dSPACE SCALEXIO系统集成 8 dSPACE SCALEXIO系统集成 为了进行硬件在环测试 DAE采用了dSPACE 的SCAEXIO系统 在dSPACE 实时仿真系统中集成物理模型的方法是生成物理模型 的完整C代码 并封装为S Function 然后将S Function添加到 simulink模型中 此模型包括与dSPACE硬件的CAN配置 Simulink 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 11 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 实时工作组被用于编译模型 和其他模型一样 在dSPACE的RTI环 境或编译程序中 无需进行特定修改和调整 这就使得程序的掌 控更平顺简单 ITI公司 SimulationX供应商 针对SimulationX 生成的头文件增加了一些镜像修改 为的是解决使用dSPACE SCALEXIOde QNX 操作系统编译时产生的冲突 这些修改已经包含 在最新发布的Simulationx版本中 物理模型的S Function提供了整车仿真模型计算的70个I O 信号 这70个信号包括发动机转速 发动机扭矩 EMS起停信号 离合器扭矩 压力和温度 这些选中的物理模型参数同样适用于 dSPACE ControlDesk环境 图5 dSPACE SCALEXIO 仿真器 实时校验在dSPACE SCALEXIO中运行 试验表明物理模型完全 满足硬件实时需求 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 12 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 9 模型验证 9 模型验证 整车物理模型的完整验证时需通过一系列的步骤 一 功能 验证 二 使用测量数据验证模型精确度 如果必要可标定一些 未知参数 现在 总结一下如何进行功能验证 然后提供一些仿 真结果与台架测量的对比数据 下图为整个项目模型示意图 图6 物理模型的完整架构 功能验证 功能验证主要检查所有的功能和模型计算是否与预期的动作 相同 如 模型可以进行NEDC运转 计算合理的燃油消耗 所有离合器 锁止离合器工作与预期一致 主油压和离合器压力通过阀的电流控制与预期效果一致 手动阀 PRND 依据液压逻辑动作与预期一致 起停功能正确仿真 加速度和最高转速在与预期范围内 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 13 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 此功能验证在模型开发过程中是持续进行的 不是等所有模 块和子系统集成在一起时一起测试的 而是在物理模型开发期间 所有模块一个一个测试 但是 在物理模型开发过程中 TCU软件 或TCU硬件不可用 然而 为了验证系统和物理模型按预期效果动 作 有必要验证系统能够实现换档 按预期速率加速 以及提供 合理的燃油消耗评价 我们也希望能够证明物理模型在稳定工况 下运行 没有崩溃或数值问题 特别是在使用定步长仿真的情况 下 定步长能够导致很多数值问题 因为定步长是不能完全处理 数值固化以及离散系统 总的来说 为了实现功能验证 需要有 一个 软件 TCU 此TCU可在Simulationx中运行 使用信号流 状态机以及通过PWM驱动电磁阀完成换档以及锁止离合器控制 TCU的状态机如图7所示 图7 具有起停功能的状态机 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 14 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 图8为一个驾驶循环中的功能验证结果 图8 NEDC循环验证结果 与试验数据对比 此时 液压系统样机测试数据可用 以下 提供了几组测量 数据与仿真结果的对比结果 此模型还未进行任何标定过程 但 与测量结果有较好的贴合度 图9 B1制动器压力的仿真结果与测量结果对比 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 15 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 图10 B1压力的仿真结果和测量结果 细节 图11 B2制动器压力的仿真结果与测量结果对比 通过以上图示分析 我们注意到 液压模块仿真压力与测量 数据匹配 因此 我们可以预期 离合器压力和扭矩也能正确匹 配 黑龙江省企业管理现代化优秀论文 第 16 页 共 17 页 黑龙江省企业管理现代化创新成果审定委员会办公室 电话 0451 82306051 304 电子邮件 glcxcg glcxcg glcxcg 10 结论10 结论 一个先进的实时物理模型已经开发完成 并集成到了定制化 的HIL系统上 此模型可以模拟整车工况 并能够提供用于TCU测 试和验证的所有信号 目前模型已经完成液压模块验证 在没有 进行参数的调整和标定的情况下 测试结果十分精准 最后 模 型已经成功集成到dSPACE SCALEXIO系统中 同时也进行了实时性 能验证 参考文献 参考文献 1 Collective www modelica org Modelica Association 2 Martin Otter Modelica Overview Modelica Association Modelica org 2011 3 A Abel U Schreiber Valsania Fornelli Simulation based design of gearboxes for high performance sport