崔書(shū)浩，王 瑋，溫 敏，唐程光Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

基于線控?fù)Q擋系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)

崔書(shū)浩，王 瑋，溫 敏，唐程光
Cui Shuhao，Wang Wei，Wen Min，Tang Chengguang

（江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

為了驗(yàn)證線控?fù)Q擋系統(tǒng)可靠性，并驗(yàn)證線控?fù)Q擋系統(tǒng)控制策略的準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)基于HIL（Hardware in the Loop,硬件在環(huán)）的線控?fù)Q擋系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，根據(jù)線控?fù)Q擋系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計(jì)出線控?fù)Q擋系統(tǒng)測(cè)試用例，進(jìn)一步進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試驗(yàn)證。由于換擋操縱桿一般由機(jī)械部件組成，設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)架時(shí)一般采用信號(hào)仿真或使用機(jī)械臂模擬駕駛員換擋操作。實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)方不開(kāi)放傳感器協(xié)議無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)仿真，采用換擋機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)一種換擋控制測(cè)試臺(tái)架，可遠(yuǎn)程控制換擋操縱桿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

硬件在環(huán)；線控?fù)Q擋系統(tǒng)；機(jī)械臂；測(cè)試臺(tái)架

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)上某些傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)被小巧智能的整車(chē)線控取代。常見(jiàn)的車(chē)輛線控技術(shù)包含線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向、線控加速踏板、線控懸架以及線控?fù)Q擋系統(tǒng)；其中，換擋系統(tǒng)經(jīng)歷從傳統(tǒng)手動(dòng)換擋發(fā)展至機(jī)械自動(dòng)換擋，進(jìn)而發(fā)展為如今電子線控自動(dòng)換擋[1]。

線控?fù)Q擋摒棄傳統(tǒng)換擋系統(tǒng)中的機(jī)械裝置，僅通過(guò)電控來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其布置較為靈活，依據(jù)換擋開(kāi)關(guān)樣式不同，可大致分為4種：旋鈕式、懷擋式、擋桿式和按鍵式，如圖1所示。

電子換擋控制系統(tǒng)采用線控方案，同時(shí)對(duì)其功能可靠性驗(yàn)證提出新的要求；通常采用HIL（Hardware in the Loop，硬件在環(huán)）測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證、故障注入驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)較為全面的測(cè)試覆蓋[2]。但HIL測(cè)試一般通過(guò)電氣信號(hào)仿真實(shí)現(xiàn)，針對(duì)機(jī)械部件的測(cè)試需要借助測(cè)試臺(tái)架實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作交互，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)閉環(huán)驗(yàn)證[3]。

提出一種基于旋鈕式換擋控制系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)架，通過(guò)此臺(tái)架可實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試信號(hào)閉環(huán)驗(yàn)證，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

圖1 換擋系統(tǒng)電子換擋樣式

1 HIL測(cè)試平臺(tái)

1.1 線控?fù)Q擋系統(tǒng)控制原理

換擋控制系統(tǒng)由3部分組成：GSM（Gear Shift Module，換擋開(kāi)關(guān)控制器）、ACM（Action Control Module，換擋控制器）、TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器），其中GSM實(shí)現(xiàn)駕駛員控制指令捕獲，通過(guò)CAN（Controller Area Network，局域網(wǎng)控制器）總線發(fā)送至ACM，再由ACM依據(jù)當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)判斷最終換擋指令，通過(guò)CAN總線發(fā)送至TCU，TCU依據(jù)收到的指令執(zhí)行擋位切換動(dòng)作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

注：GSM（Gear Shift Module，換擋開(kāi)關(guān)控制器），ACM（Action Control Module，換擋控制器），TCU（Transmission Control Unit，變速箱控制器）， EMS(Engine Management System，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))，ESC(Electronic Stability Control System,電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))，EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉(zhuǎn)向)。

1.2 旋鈕式換擋控制指令

圖3是一種典型的旋鈕式線控?fù)Q擋控制開(kāi)關(guān)，旋鈕可順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)底部有一圈卡扣，對(duì)應(yīng)16格。

圖3 旋鈕式換擋操縱面板

GSM通過(guò)捕獲換擋旋鈕開(kāi)關(guān)狀態(tài)識(shí)別駕駛員動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)，通過(guò)CAN總線發(fā)送至ACM，駕駛員操作動(dòng)作共有7種狀態(tài)：向右轉(zhuǎn)3格、向右轉(zhuǎn)2格，向右轉(zhuǎn)1格，無(wú)動(dòng)作，向左轉(zhuǎn)1格、向左轉(zhuǎn)2格、向左轉(zhuǎn)3格，在某個(gè)位置停留一定時(shí)間后，該位置就會(huì)變成復(fù)位初始位置，如圖4所示。

圖4 旋鈕式換擋系統(tǒng)指令

GSM將駕駛員動(dòng)作信號(hào)發(fā)送至ACM后，ACM依據(jù)當(dāng)前擋位狀態(tài)及車(chē)輛狀態(tài)對(duì)目標(biāo)擋位進(jìn)行判定，如圖5所示。

圖5 信號(hào)傳輸過(guò)程

1.3 線控?fù)Q擋系統(tǒng)HIL測(cè)試平臺(tái)

旋鈕式線控?fù)Q擋系統(tǒng)HIL測(cè)試平臺(tái)通過(guò)仿真ACM、TCU、EMS(Engine Management System，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))、ESC(Electronic Stability Control System,電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))、EPS(Electronic Power Steering,電子助力轉(zhuǎn)向)控制器，與GSM控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過(guò)測(cè)試臺(tái)架的GSM旋鈕控制（7種操作指令）模擬駕駛員換擋過(guò)程。

2 旋鈕式換擋測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械部件設(shè)計(jì)

采用57步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋鈕操作。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與換擋旋鈕開(kāi)關(guān)固定連接，依據(jù)換擋旋鈕三維數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)出固定卡蓋，借助3D打印技術(shù)得到實(shí)物，如圖6所示。

圖6 旋鈕開(kāi)關(guān)固定卡蓋

固定卡蓋與步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同軸連接器與旋鈕開(kāi)關(guān)嵌套，如圖7所示。

注：1.測(cè)試臺(tái)固定框架；2.57步進(jìn)電機(jī)；3.同軸連接器；4.旋鈕開(kāi)關(guān)固定卡蓋；5.換擋控制面板；6.單片機(jī)主控模塊。

測(cè)試臺(tái)架安裝后實(shí)物如圖8所示。

圖8 測(cè)試臺(tái)架實(shí)物

2.2 硬件及核心部件選型

主控板采用Arduino WeMos D1開(kāi)發(fā)板，此開(kāi)發(fā)板以ESP8266 WiFi開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的功能擴(kuò)展板，其工作電壓為3.3～5.0 V，主控芯片為32位ESP8266，集成WiFi接口，緩存較大，包含11個(gè)數(shù)字I/O引腳以及1個(gè)模擬輸入引腳，使用Micro-B type USB線進(jìn)行連接，采用串口通信[4]，實(shí)物如圖9（a）所示。

57二相步進(jìn)電機(jī)采用永磁硅鋼片及NSK原裝軸承，定位精度高，輸出力矩較高，響應(yīng)頻率高，同時(shí)運(yùn)行噪聲低，動(dòng)態(tài)特性好，如圖9（b）所示。

圖9 主控模塊及電機(jī)實(shí)物圖

57二相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表

57步進(jìn)電機(jī)采用專(zhuān)業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)7擋細(xì)分控制，通過(guò)3位撥碼開(kāi)關(guān)選擇8擋電流控制，電流區(qū)間為0.5～4.0 A，適合驅(qū)動(dòng)57、42型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)?？梢赃_(dá)到低振動(dòng)、小噪聲、高速度效果的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)表

輸入信號(hào)共有3路，分別為步進(jìn)脈沖信號(hào)、方向電平信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器與控制器、電機(jī)、電源的接線采用共陽(yáng)接法，如圖10所示。

2.3 控制軟件開(kāi)發(fā)及調(diào)試

旋鈕式換擋測(cè)試臺(tái)架主控單片機(jī)采用C語(yǔ)言編程，與HIL測(cè)試臺(tái)架通過(guò)串口或WiFi接口完成數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，指令協(xié)議如圖11所示。

注：DIR為電機(jī)方向控制端，CP為驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，+5V為5V電壓上拉，A+為A相電機(jī)繞組+，A-為A相電機(jī)繞組-，B+為B相電機(jī)繞組+，B-為B相電機(jī)繞組-，GND為DC16～70 V，VCC為電源輸入負(fù)極，EN-為電機(jī)使能負(fù)輸入，EN+為電機(jī)使能正輸入，DIR-為方向負(fù)輸入，DIR+為方向正輸入，PUL-為脈沖負(fù)輸入，PUL+為脈沖正輸入。

圖11 定義通信數(shù)據(jù)協(xié)議

通信數(shù)據(jù)采用10字節(jié)數(shù)據(jù)，其中報(bào)文頭占2個(gè)字節(jié)，使用固定數(shù)值0xAA和0x55，報(bào)文尾占2個(gè)字節(jié)，使用固定數(shù)值0x55和0xAA；控制指令占5個(gè)字節(jié)，可存儲(chǔ)2次旋轉(zhuǎn)控制指令；為保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)置校驗(yàn)碼占用1個(gè)字節(jié)，置于報(bào)文最后。使用串口調(diào)試助手，按照?qǐng)D10中協(xié)議進(jìn)行通信控制功能調(diào)試，如圖12所示。

圖12 通信控制調(diào)試

3 結(jié)束語(yǔ)

HIL仿真測(cè)試平臺(tái)通過(guò)串口或WiFi通信接口與旋鈕式換擋控制系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架集成，按所定義的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和自動(dòng)化測(cè)試驗(yàn)證功能。

[1]張文，楊劍，韋雄，等.面向電控柴油機(jī)的車(chē)載換擋智能控制策略開(kāi)發(fā)[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（Z1）：102-109.

[2]田鑫, 劉全周, 晏江華,等. 基于HIL的車(chē)用電機(jī)控制器故障保護(hù)策略測(cè)試[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2019, 46(11):82-87.

[3]呂峰，歐增開(kāi).整車(chē)電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)研究[J].汽車(chē)電器，2013（7）：60-62.

[4]張新豐，王春濛, 李健聰，等.“汽車(chē)電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017（2）：117-119，123.

2021-06-04

1002-4581（2021）05-0037-04

U467.5+23

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.010