CN102331346A - 车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，包括目标机、宿主机、数据采集单元和硬件单元；硬件单元包括依次连接的驱动电机、自动变速器和负载电机，宿主机内建立simulink车辆传动模型，运行时，利用RTW编译simulink车辆传动模型并自动下载至目标机；目标机通过对车辆传动模型的仿真参数的设置，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，数据采集单元通过传感器采集不同阶段的自动变速器的运行数据，并输出数据保存，本发明的试验台可作为控制策略和控制算法的开发验证平台，通过设定不同的系数kt，试验台可以模拟不同的传动系统，从而降低了试验台传递功率，采用小功率的驱动电机和负载电机，降低成本，减小运行费用。

Description

车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台及试验方法

技术领域

本发明涉及变速器试验装置，具体涉及一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，同时还涉及一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验方法。

背景技术

常规自动变速器试验台是以尽量模拟实车工况为目标而设计，变速器传递较大的功率，这对于对效率试验和可靠性试验是必须的。试验台由发动机、变速器、飞轮、加载设备等组成，其中发动机可由功率相当的电机代替，飞轮和加载设备可由满足要求的电机代替，这种试验台结构复杂，成本高，运行过程中能耗较大。

本发明的目的，在进行控制算法研究时，提供一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，能够降低试验台功率，该试验台可作为控制策略和控制算法的开发验证平台。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，本发明的目的之二是提供了一种车辆自动变速器低功耗硬件在环试验方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

该车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，包括目标机、宿主机、数据采集单元和硬件单元；

所述硬件单元包括依次连接的驱动电机、自动变速器和负载电机，所述宿主机内建立simulink车辆传动模型，所述车辆传动模型的仿真参数通过宿主机进行输入，运行时，利用RTW编译simulink车辆传动模型并自动下载至目标机；

所述目标机通过不同的通信接口分别与驱动电机和负载电机控制连接，通过对车辆传动模型的仿真参数的设置，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

所述数据采集单元通过传感器采集不同阶段的自动变速器的运行数据，并输出数据保存至目标机或上传至宿主机。

进一步，在离合器断开阶段，所述驱动电机和负载电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速；其中，

根据数学模型驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e，

根据数学模型

负载电机转速跟踪仿真计算得到的ω_v；

所述ω_e表示发动机角速度，T_e表示发动机扭矩，I_e表示发动机和飞轮转动惯量，ω_v表示驱动轮角速度，T_v表示行驶阻力距，I_v表示整车等效旋转惯量。

进一步，在离合器滑摩阶段，驱动电机和负载电机采用转矩控制模式，其中，

根据数学模型

控制变频器使驱动电机的输出扭矩跟踪该式计算扭矩，

根据数学模型

控制变频器使负载电机的输出扭矩跟踪该式计算扭矩；

所述T_me为驱动电机的目标扭矩，T_mv为负载电机的目标扭矩，k_t为扭矩比例系数；

进一步，在离合器闭合阶段，驱动电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速，负载电机断电空转，

根据数学模型

驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e；

式中，η为常数，i为变速机构速比，i₀为主减速比。

进一步，所述控制单元分别通过变频器I和变频器II实现对驱动电机和负载电机的转速控制；

进一步，所述数据采集单元包括采集卡与变速器接口板，所述变速器接口板与自动变速器上的传感器输出端相连接，并将采集的运行数据通过采集卡输出至目标机；

进一步，所述仿真参数所述仿真参数包括simulink仿真参数、驾驶员模型、发动机参数、CVT参数、路面参数。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

该车辆自动变速器低功耗硬件在环试验方法，包括以下步骤：

1)将驱动电机、自动变速器和负载电机依次联接，组成硬件单元；

2)在宿主机内建立simulink车辆传动模型，并输入车辆传动模型的仿真参数，利用RTW编译模型下载至目标机；

3)运行目标机程序，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

4)对试验过程进行监控，并将数据保存在目标机或上传至宿主机；

5)试验运转结束后，对试验数据进行处理。

本发明的有益效果是：

1.本发明的试验台可作为控制策略和控制算法的开发验证平台，通过设定不同的系数k_t，试验台可以模拟不同的传动系统，从而降低了试验台传递功率，采用小功率的驱动电机和负载电机，降低成本，减小运行费用；

2.相对于纯模型仿真系统而言，本发明将变速器包含在硬件在环之中，提高运行精度；

3.本发明采用基于xPC的宿主机-目标机结构，保证系统运行的实时性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的试验台结构简图；

图2为本发明的动力学模型示意图；

图3为转矩与控制量之间的关系示意图；

图4为控制器模型到离合器执行机构之间的信号传递路线示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，包括宿主机1、目标机2、数据采集单元和硬件单元；

硬件单元包括依次连接的驱动电机3、无极变速器4和负载电机5，所述宿主机内建立simulink车辆传动模型，所述车辆传动模型的仿真参数通过宿主机进行输入，运行时，利用MATLAB的工具软件-RTW，编译simulink车辆传动模型并自动下载至目标机；

目标机通过不同的通信接口分别与驱动电机和负载电机控制连接，通过对车辆传动模型的仿真参数的设置，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

仿真参数设置，就是设置simulink参数和仿真模型的可配置参数，仿真参数包括主要包括：

1.simulink仿真参数

包括仿真时间、仿真步长、求解算法等；

2.驾驶员模型

设置行驶工况，包括起步工况、超车加速工况、车轮打滑工况、标准循环工况等；

3.发动机参数

设置发动机控制模式，比如，经济模式、动力模式、综合模式等；

4.CVT参数

设置速比控制算法、夹紧力控制算法；

5.路面参数

设置路面状况，如水泥、柏油、冰面等，或不同路面的组合，设置路面坡度参数。

本实施例中，控制单元分别通过变频器I 6和变频器II 7实现对驱动电机和负载电机的转速控制，以达到进入转速控制模式或转矩控制模式的目的。

数据采集单元通过传感器(包括图2中的转矩传感器)采集不同阶段的自动变速器的运行数据，并输出数据保存至目标机或上传至宿主机。本实施例中，数据采集单元包括采集卡31与变速器接口板32，变速器接口板与自动变速器上的传感器输出端相连接，并将采集的运行数据通过采集卡输出至目标机。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

XPC是simulink的一个功能模块，用于实现一种宿主机-目标机式的硬件在环结构，其中，目标机为通用PC兼容机，在宿主机上建立simulink模型，通过RTW编译后，下载至目标机并实时运行。目标机是裸机，无需windows等操作系统，只运行编译后的模型程序，保证了运行速度，因此可以实时运行。

与完全在PC机上运行的纯仿真模型比较，本发明的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台具有以下特性：

1.通过驱动电机模拟发动机和飞轮，负载电机模拟道路阻力和整车惯量，自动变速器输出转速较低，如果负载电机采用减速电机，有利于充分利用负载电机的功率；

2.自动变速器采用真实变速器，转速转矩传感器的作用是检测试验台运行，考察低功耗试验台的控制效果；

3.采集卡经变速器接口板连接变速器上的传感器、执行机构。

4.目标机和宿主机采用MATLAB提供的xPC target技术，可以将simulink模型进行RTW编译和下载至目标机，实时运行。

基于以上试验台，本发明的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验方法，包括以下步骤：

1)将驱动电机、自动变速器和负载电机依次联接，组成硬件单元；

2)在宿主机内建立simulink车辆传动模型，并输入车辆传动模型的仿真参数，利用RTW编译模型下载至目标机；

3)运行目标机程序，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

4)对试验过程进行监控，并将数据保存在目标机或上传至宿主机；

5)试验运转结束后，对试验数据进行处理。

本发明的设计基于以下思想：

一、根据图2，对传统试验台的动力学方程进行分析

以下各式中，所述ω_e表示发动机角速度，T_e表示发动机扭矩，I_e表示发动机和飞轮转动惯量，ω_v表示驱动轮角速度，T_v表示行驶阻力距，I_v表示整车等效旋转惯量，T_me为驱动电机的目标扭矩，k_t为扭矩比例系数，η为常数，i为变速机构速比，i₀为主减速比。

1.在离合器断开阶段，有

$T_e=I_e\frac{d{\mathrm{\ω}}_e}{\mathrm{dt}}$

$T_v=-I_v\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}$

2.在离合器滑摩阶段，有

$T_e-T_c=I_e\frac{d{\mathrm{\ω}}_e}{\mathrm{dt}}$

$T_c{\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-T_v=I_v\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}$

3.在离合器闭合阶段，有

$(T_e-I_e\frac{d{\mathrm{\ω}}_e}{\mathrm{dt}}){\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-T_v=I_v\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}$

ω_e＝ii₀ω_v

二、本发明的低功耗运行原理以如下动力学方程为例进行说明，由

$T_c{\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-T_v=I_v\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}$

可得， $\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}=\frac{T_c{\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-T_v}{I_v}$

将方程右边，分式上下两边乘以系数k_t，则有

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_v}{\mathrm{dt}}=\frac{k_t{T}_c{\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-k_t{T}_v}{k_t{I}_v}$

假设η为常数，可见，如果用k_tT_c、k_tT_v、k_tI_v分别代替T_c、T_v、I_v，能够保证试验台的转速与实际情况相同。如果取k_t＝0.2，则可以将试验台的惯量和传递转矩减小至原来的20％，从而降低了试验台传递功率，采用小功率的驱动电机和负载电机，降低成本，减小运行费用。而实际应用中，系数k_t的设定需要考虑控制量与传递转矩的精度，

根据本发明的低功耗运行原理，需要离合器传递转矩为k_tT_c，T_c与离合器转矩控制量有关，因此需要改变转矩控制量。转矩与控制量之间的关系如图3所示，或用D＝f(T_c)，T_c＝F(D)表达两者之间的关系。

设控制器输出控制量为D，要使离合器传递转矩为k_tT_c，步骤如下：

1)根据T_c＝F(D)计算理论传递转矩T_c

2)根据D_cal＝f(k_tT_c)计算修正控制量D_cal

则在本低功耗试验台中，离合器转矩控制量应改为D_cal。

控制器模型到离合器执行机构之间的信号传递路线如图4所示，图中的离合器转矩控制量转换单元就是把D转换成D_cal。

本离合器处于不同的阶段时，驱动电机和负载电机采用不同的控制方式，具体来说，包括：

1、离合器断开阶段

驱动电机和负载电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速。

根据数学模型

驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e

根据数学模型

负载电机转速跟踪仿真计算得到的ω_v

2、离合器滑摩阶段

驱动电机和负载电机采用转矩控制模式

根据数学模型控制变频器使驱动电机的输出扭矩跟踪该式计算得到的扭矩。

根据数学模型控制变频器使负载电机的输出扭矩跟踪该式计算得到的扭矩。

3、离合器闭合阶段

驱动电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速；负载电机断电空转。

根据 $(T_e-I_e\frac{d{\mathrm{\ω}}_e}{\mathrm{dt}}){\mathrm{ii}}_0\mathrm{\η}-T_v=I_v\frac{d{\mathrm{\ω}}_v}{\mathrm{dt}}$ 和ω_e＝ii₀ω_v，可推导出

驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e。

通过上述方程仿真得到发动机转速和车速，通过变频器使驱动电机转速跟踪计算得到的发动机转速，调节负载电机转速，跟踪目标车速对应的车轮转速，这样自动变速器就工作在与实际工况相同的发动机转速和车速下，通过采集相应的数据，从而达到试验目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：所述试验台包括目标机、宿主机、数据采集单元和硬件单元；

所述硬件单元包括依次连接的驱动电机、自动变速器和负载电机，所述宿主机内建立simulink车辆传动模型，所述车辆传动模型的仿真参数通过宿主机进行输入，运行时，利用RTW编译simulink车辆传动模型并自动下载至目标机；

所述目标机通过不同的通信接口分别与驱动电机和负载电机控制连接，通过对车辆传动模型的仿真参数的设置，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

所述数据采集单元通过传感器采集不同阶段的自动变速器的运行数据，并输出数据保存至目标机或上传至宿主机。

2.根据权利要求1所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：在离合器断开阶段，所述驱动电机和负载电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速；其中，

根据数学模型

驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e，

根据数学模型

负载电机转速跟踪仿真计算得到的ω_v；

所述ω_e表示发动机角速度，T_e表示发动机扭矩，I_e表示发动机和飞轮转动惯量，ω_v表示驱动轮角速度，T_v表示行驶阻力距，I_v表示整车等效旋转惯量。

3.根据权利要求1或2所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：在离合器滑摩阶段，驱动电机和负载电机采用转矩控制模式，其中，

根据数学模型

控制变频器使驱动电机的输出扭矩跟踪该式计算扭矩；

根据数学模型

控制变频器使负载电机的输出扭矩跟踪该式计算扭矩；

所述T_me为驱动电机的目标扭矩，T_mv为负载电机的目标扭矩，k_t为扭矩比例系数。

4.根据权利要求3所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：在离合器闭合阶段，驱动电机采用转速控制模式，跟踪仿真模型得到的转速，负载电机断电空转，

根据数学模型

驱动电机转速跟踪仿真计算得到的ω_e；

式中，η为常数，i为变速机构速比，i₀为主减速比。

5.根据权利要求1所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：所述控制单元分别通过变频器I和变频器II实现对驱动电机和负载电机的转速控制。

6.根据权利要求1所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：所述数据采集单元包括采集卡与变速器接口板，所述变速器接口板与自动变速器上的传感器输出端相连接，并将采集的运行数据通过采集卡输出至目标机。

7.根据权利要求1所述的车辆自动变速器低功耗硬件在环试验台，其特征在于：所述仿真参数包括simulink仿真参数、驾驶员模型、发动机参数、CVT参数、路面参数。

8.车辆自动变速器低功耗硬件在环试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将驱动电机、自动变速器和负载电机依次联接，组成硬件单元；

2)在宿主机内建立simulink车辆传动模型，并输入车辆传动模型的仿真参数，利用RTW编译模型下载至目标机；

3)运行目标机程序，仿真离合器断开阶段、离合器滑摩阶段或离合器闭合阶段，每一阶段中，目标机使驱动电机和负载电机处于不同的控制模式；

4)对试验过程进行监控，并将数据保存在目标机或上传至宿主机；

5)试验运转结束后，对试验数据进行处理。

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