那天明

(上海汽車變速器有限公司檢測(cè)中心,上海 201800)

0 引言

文中所指自動(dòng)變速器為廣義自動(dòng)變速器，包括AT(Automatic Transmission)、DCT(Dual Clutch Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)、AMT(Automatic Machincal Transmission)等；文中所指新能源變速器為廣義新能源變速器，包括一般HEV(Hybrid Electric Vehicle)變速器、BEV(Battery Electric Vehicle)變速器、FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)變速器、搭載電機(jī)的純電動(dòng)減速箱總成，以及近期提出的DHT(Dedicated Hybrid Transmission)概念變速器等。目前自動(dòng)變速器和新能源變速器的控制器根據(jù)不同企業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)的定義，定義名稱不同。有只控制變速器換擋策略的TCU(Transmission Control Unit)，有電換擋控制器SCU(Shift Control Unit)，有電離合控制器CCU(Clutch Control Unit)，有控制整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)策略的HCU(Hybrid Control Unit)，有用于純電動(dòng)動(dòng)力總成控制策略的VCU(Vehicle Control Unit)等；根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)和控制框架定義，有的某個(gè)控制器集成其他控制器，例如多數(shù)混動(dòng)控制器HCU集成TCU功能，或TCU作為HCU的下位機(jī)控制器。文中將所有變速器控制器暫以TCU代稱。

自動(dòng)變速器和新能源變速器日益成為國(guó)內(nèi)多數(shù)變速器公司的核心發(fā)展方向，尤其是新能源變速器更是在近幾年內(nèi)雨后春筍般地興起，并蓬勃發(fā)展，隨著各公司開(kāi)展TCU自主研發(fā)、PEB(Power Electric Board)自主研發(fā)、混合動(dòng)力3E(E-Park、E-Shift、E-Clutch)自主研發(fā)、DHT自主研發(fā)、E-DCT等新能源擴(kuò)展變速器自主研發(fā)，多數(shù)傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架已無(wú)法滿足多變的試驗(yàn)工況和變速器控制要求，在臺(tái)架安全保護(hù)與樣件早期失效的保護(hù)上、在臺(tái)架運(yùn)行數(shù)據(jù)與樣件數(shù)據(jù)的采集上、在被試件與臺(tái)架的數(shù)據(jù)交互聯(lián)動(dòng)上都遇到了瓶頸。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)變速器開(kāi)發(fā)公司采取的方式方法為購(gòu)買國(guó)外昂貴的開(kāi)放性定義試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，或根據(jù)不同項(xiàng)目向供應(yīng)商定制特定功能，或花大精力開(kāi)發(fā)臺(tái)架版TCU，這樣不僅耗時(shí)長(zhǎng)、通用性差，時(shí)間成本和預(yù)算成本也大幅增加。

1 ASAP3協(xié)議框架

ASAP3協(xié)議(現(xiàn)已更名為ASAM-MCD-3MC，由于行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同原名稱，文中暫沿用)是自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)定義的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，最初由知名歐洲汽車公司成立的標(biāo)準(zhǔn)化組織ASAP(Standardization of Application Calibration Systems Task Force)發(fā)展而來(lái)，已逐漸被世界各大汽車公司所采用[1]。

1.1 ASAP3協(xié)議驅(qū)動(dòng)控制框架

ASAP3是以Ethernet或RS232為物理通信介質(zhì)定義的一套遠(yuǎn)程控制標(biāo)定應(yīng)用層協(xié)議[2]。圖1為典型ASAP3協(xié)議控制驅(qū)動(dòng)樣件邏輯圖。INCA標(biāo)定系統(tǒng)可通過(guò)XCP或CCP等協(xié)議讀取或同步標(biāo)定TCU中關(guān)注變量的值，而遠(yuǎn)程控制PC可通過(guò)ASAP3協(xié)議控制或讀取INCA標(biāo)定系統(tǒng)中相應(yīng)變量的值，由此達(dá)到間接控制或采集TCU關(guān)注變量的目的。

圖1 典型ASAP3協(xié)議控制驅(qū)動(dòng)邏輯圖

由于INCA標(biāo)定系統(tǒng)更專注于變速器標(biāo)定量的監(jiān)控和控制，它有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定通信模塊。然而，另一方面其自動(dòng)化差、對(duì)外通用軟件接口有限、二次開(kāi)發(fā)性差，臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)在關(guān)注變速器標(biāo)定量的同時(shí)，還需關(guān)注臺(tái)架本身的控制以及數(shù)據(jù)采集。ASAP3協(xié)議恰好解決了這一問(wèn)題。當(dāng)控制PC通過(guò)ASAP3協(xié)議發(fā)送命令消息，INCA標(biāo)定系統(tǒng)接收指令，并執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)控制PC通過(guò)ASAP3協(xié)議請(qǐng)求一個(gè)測(cè)量信號(hào)時(shí)，INCA標(biāo)定系統(tǒng)將進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，然后轉(zhuǎn)發(fā)給控制PC。

1.2 ASAP3協(xié)議語(yǔ)法結(jié)構(gòu)

ASAP3協(xié)議定義了豐富的命令結(jié)構(gòu)，包括初始化函數(shù)、參數(shù)配置系列函數(shù)、標(biāo)定量表格處理系列函數(shù)、數(shù)采和記錄系列函數(shù)等。這些函數(shù)可有效完成遠(yuǎn)程變量標(biāo)定、變量采集等功能。圖2為ASAP3協(xié)議一般語(yǔ)法順序，控制PC作為Master主控向 Slave從控INCA標(biāo)定系統(tǒng)發(fā)送特定指令, INCA標(biāo)定系統(tǒng)收到指令后會(huì)進(jìn)行確認(rèn),如收到指令有問(wèn)題,INCA標(biāo)定系統(tǒng)會(huì)返回錯(cuò)誤狀態(tài),如正確,INCA系統(tǒng)會(huì)根據(jù)控制PC請(qǐng)求答復(fù)相應(yīng)請(qǐng)求量。

圖2 ASAP3協(xié)議一般語(yǔ)法順序

針對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)的控制標(biāo)定和數(shù)采的需求，最常用到ASAP3協(xié)議中的獲取變量值(命令代碼19)和標(biāo)定變量命令(命令代碼15)。圖3為ASAP3協(xié)議臺(tái)架遠(yuǎn)程控制標(biāo)定常用命令結(jié)構(gòu)，首先進(jìn)行初始化連接，然后Master系統(tǒng)識(shí)別，選取對(duì)應(yīng)標(biāo)定變量文件。針對(duì)數(shù)采需求和標(biāo)定需求，并行發(fā)送變量值獲取命令和標(biāo)定變量指令。將該過(guò)程集成到臺(tái)架控制系統(tǒng)中，即可順利完成臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)框架的搭建。

圖3 ASAP3協(xié)議臺(tái)架遠(yuǎn)程控制標(biāo)定常用命令結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

以典型的新能源變速器為例，在原有手動(dòng)變速器臺(tái)架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行通用型新能源臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建，該系統(tǒng)框架同時(shí)也適用于自動(dòng)變速器。

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)整體邏輯框架

搭載電機(jī)的新能源變速器在原有手動(dòng)變速器臺(tái)架系統(tǒng)硬件配置基礎(chǔ)上，需同時(shí)配備電池模擬器、PEB和變速器冷卻單元，必要試驗(yàn)需求下，需配備功率分析儀。試驗(yàn)系統(tǒng)控制上需配備INCA標(biāo)定系統(tǒng)(如無(wú)數(shù)采需求，配置低成本的ETAS581和INCA軟件即可)，配置必要CAN卡，同時(shí)基于ASAP3協(xié)議和CAN協(xié)議自行編寫(xiě)配置一套通用的上位機(jī)軟件就可。圖4為典型的新能源變速器完整的臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)。其中擴(kuò)展部分為在手動(dòng)變速器臺(tái)架基礎(chǔ)上增加配置的部分。

圖4 基于ASAP3協(xié)議的典型新能源變速器臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)

臺(tái)架原控制系統(tǒng)以CAN的方式開(kāi)放臺(tái)架控制權(quán)限，包括臺(tái)架輸入輸出電機(jī)控制模式控制權(quán)限、電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩的控制值權(quán)限、臺(tái)架的報(bào)警和急?？刂茩?quán)限，以及其他一些試驗(yàn)過(guò)程中需要試驗(yàn)系統(tǒng)主控控制的驅(qū)動(dòng)權(quán)限；同時(shí)臺(tái)架控制系統(tǒng)需通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)反饋臺(tái)架實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，包括臺(tái)架輸入輸出電機(jī)實(shí)際控制模式，臺(tái)架傳感器讀到的實(shí)際轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度、振動(dòng)、壓力等值。

試驗(yàn)系統(tǒng)主控通過(guò)ASAP3協(xié)議取得標(biāo)定系統(tǒng)控制權(quán)限并采集變速器相關(guān)變量實(shí)時(shí)參數(shù)，包括變速器搭載電機(jī)的工作模式，轉(zhuǎn)速扭矩控制以及實(shí)時(shí)反饋，換擋、離合器、駐車等子系統(tǒng)的控制權(quán)限及實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，變速器試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)注的例如電壓、電流、換擋行程位移、液壓系統(tǒng)油溫、壓力等成百上千的變量。

2.2 臺(tái)架系統(tǒng)與標(biāo)定系統(tǒng)的解耦協(xié)同控制

臺(tái)架系統(tǒng)與標(biāo)定系統(tǒng)控制的解耦主要包括3個(gè)部分內(nèi)容：臺(tái)架的控制與變速器控制的解耦協(xié)同，臺(tái)架參數(shù)報(bào)警急停與變速器參數(shù)報(bào)警急停的解耦協(xié)同，臺(tái)架狀態(tài)數(shù)采與變速器關(guān)注變量數(shù)采的解耦協(xié)同。這里在傳統(tǒng)臺(tái)架主控和標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套試驗(yàn)系統(tǒng)主控作為整個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)的控制中樞，同時(shí)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)分工合作，可以簡(jiǎn)單有效地完成以上3個(gè)部分工作。

試驗(yàn)系統(tǒng)主控根據(jù)試驗(yàn)工況分別通過(guò)CAN總線和ASAP3協(xié)議分別對(duì)臺(tái)架和標(biāo)定系統(tǒng)下達(dá)動(dòng)作指令，臺(tái)架各子系統(tǒng)和變速器各子系統(tǒng)動(dòng)作分別由臺(tái)架主控和INCA標(biāo)定系統(tǒng)控制完成。同時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)主控通過(guò)CAN總線和ASAP3協(xié)議采集讀取臺(tái)架各子系統(tǒng)和變速器各子系統(tǒng)的最新?tīng)顟B(tài)進(jìn)行反饋控制。這樣，臺(tái)架系統(tǒng)和TCU可根據(jù)其自身控制邏輯和控制策略完成各自控制動(dòng)作，該框架在控制上既可以使控制解耦分離，保證各自控制的完整性和真實(shí)有效性，又可同時(shí)保證兩個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同性。圖5為試驗(yàn)系統(tǒng)控制邏輯圖。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)控制邏輯圖

試驗(yàn)系統(tǒng)的報(bào)警急停包含臺(tái)架參數(shù)報(bào)警急停與變速器參數(shù)報(bào)警急停。這里采用圖6的報(bào)警急?？刂瓶蚣芡瓿烧麄€(gè)系統(tǒng)的報(bào)警急停處理。試驗(yàn)主控報(bào)警急停系統(tǒng)檢測(cè)到變速器狀態(tài)參數(shù)有異常，它通過(guò)ASAP3協(xié)議對(duì)變速器執(zhí)行相應(yīng)急停動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)CAN總線向臺(tái)架發(fā)出急停請(qǐng)求，由臺(tái)架主控報(bào)警急停系統(tǒng)對(duì)臺(tái)架動(dòng)作進(jìn)行處置。另一方面，如果臺(tái)架主控報(bào)警急停系統(tǒng)檢測(cè)到臺(tái)架監(jiān)控參數(shù)異常，它在對(duì)臺(tái)架進(jìn)行報(bào)警急停操作的同時(shí)，通過(guò)CAN向試驗(yàn)系統(tǒng)主控進(jìn)行報(bào)警，由它對(duì)變速器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。圖6為報(bào)警急停系統(tǒng)控制邏輯圖。

圖6 報(bào)警急停系統(tǒng)控制邏輯圖

INCA標(biāo)定系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)采和數(shù)據(jù)分析能力，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)采框架可以根據(jù)圖7的配置進(jìn)行，由INCA系統(tǒng)采集變速器關(guān)注參數(shù)和通過(guò)CAN總線同步傳來(lái)的臺(tái)架相關(guān)參數(shù)，臺(tái)架數(shù)采系統(tǒng)只需對(duì)傳統(tǒng)關(guān)注參數(shù)進(jìn)行采集即可，無(wú)需進(jìn)行額外配置。

圖7 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)采系統(tǒng)框架圖

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

試驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架是搭建整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心要素。這里以某新能源變速器換擋試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架搭建為例,如圖8所示：CAN1網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)整車動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN2為整車上基于新能源控制策略開(kāi)發(fā)混動(dòng)CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN3為臺(tái)架主控與試驗(yàn)系統(tǒng)控制指令與臺(tái)架數(shù)據(jù)交互CAN，CAN4為電池模擬器控制CAN和數(shù)據(jù)交互CAN；Ethernet用于控制交互試驗(yàn)系統(tǒng)主控與INCA標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)；同時(shí)，根據(jù)整車CAN網(wǎng)絡(luò)定義，換擋控制器SCU在CAN2網(wǎng)絡(luò)上，兩個(gè)電機(jī)控制器同時(shí)在CAN1和CAN2網(wǎng)絡(luò)上。臺(tái)架主控通過(guò)RS485協(xié)議對(duì)臺(tái)架電機(jī)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)DAQ系統(tǒng)對(duì)臺(tái)架必要數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為了進(jìn)行整車控制策略，試驗(yàn)系統(tǒng)主控需在CAN1和CAN2上模擬必要的整車信號(hào)信息，例如車速信號(hào)、油門(mén)踏板信號(hào)、BMS信號(hào)等。試驗(yàn)系統(tǒng)主控通過(guò)4路CAN總線和1路Ethernet線上監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)變量狀態(tài)，根據(jù)試驗(yàn)工況對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)集成報(bào)警急停功能，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。INCA標(biāo)定系統(tǒng)通過(guò)4路CAN總線完成對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和記錄，完成試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的收集工作和數(shù)據(jù)后處理工作。

圖8 一款新能源變速器換擋試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架圖

3 總結(jié)

該套臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)可用于搭建絕大多數(shù)新能源變速器和自動(dòng)變速器的臺(tái)架試驗(yàn)，降低了對(duì)臺(tái)架原本復(fù)雜多變的要求，通用性強(qiáng)，TCU無(wú)需經(jīng)框架性修改，在充分利用臺(tái)架本身控制、監(jiān)控、報(bào)警急停處理能力的同時(shí)，很好地協(xié)同了對(duì)被試件狀態(tài)的控制和報(bào)警急停處理，同時(shí)充分利用INCA標(biāo)定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力和分析能力，增加了試驗(yàn)的有效性和可靠度，降低了對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)主控系統(tǒng)的技術(shù)要求和開(kāi)發(fā)難度。在新能源和DCT變速器的開(kāi)發(fā)性試驗(yàn)系統(tǒng)搭建過(guò)程中采用該架構(gòu)，周期短，成本低，可靠性、通用性好，同時(shí)無(wú)需對(duì)臺(tái)架供應(yīng)商開(kāi)放過(guò)多項(xiàng)目信息，兼具保密性功能。

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