dSPACE快速控制原型在金屬帶式無(wú)級變速器控制中的研究

摘要：本文借助dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統，設計出金屬帶式無(wú)級變速器（CVT）電液控制系統ECU快速控制原型（RCP）解決方案。并對所設計的ECU配合實(shí)際的金屬帶式CVT電液控制系統進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗研究，取得了良好的效果，并大大縮短了后期相關(guān)控制器的開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：快速控制原型，無(wú)級變速器，dSPACE

1.引言
金屬帶式無(wú)級變速器已經(jīng)成為現代汽車(chē)變速器發(fā)展的趨勢，其中電液系統的控制是該研究所涉及的一個(gè)核心問(wèn)題。能否快速有效的對CVT進(jìn)行研究，在很大程度上取決于電液控制系統尤其是ECU的軟硬件設計能力。

傳統的ECU控制開(kāi)發(fā)需要反復進(jìn)行控制算法仿真和代碼編寫(xiě)，這種方法會(huì )導致開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、費用高、可靠性差?，F代的ECU控制開(kāi)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(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink控制系統開(kāi)發(fā)及測試的工作平臺——dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統。dSPACE實(shí)時(shí)系統充當控制算法和邏輯代碼的硬件運行環(huán)境，通過(guò)I/O板與控制對象連接進(jìn)行研究和實(shí)驗，驗證控制方案的可行性，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高了開(kāi)發(fā)效率。本文借助dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統，根據金屬帶式CVT電液系統的具體要求對ECU進(jìn)行快速控制原型，所設計的ECU配合實(shí)際的金屬帶式CVT電液系統進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗，取得了良好的效果，極大的提高了CVT控制系統的開(kāi)發(fā)效率。

2.dSPACE系統介紹
2.1dSPACE硬件系統[1]
 

圖1 dSPACE AutoBox硬件系統
本研究采用的是dSPACE AutoBox硬件系統，如圖1所示。其中處理器板dS1005是Motorola公司的PowerPC750，主頻480Hz，通過(guò)以太網(wǎng)與PC主機進(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(guò)32位的PHS總線(xiàn)與處理器板dS1005進(jìn)行通信。

2.2dSPACE軟件系統
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系統中的實(shí)時(shí)接口[2]（RTI）來(lái)完成。實(shí)時(shí)工作間（RTW）實(shí)現從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的無(wú)縫自動(dòng)下載，RTI提供相應的I/O模型。
dSPACE提供的測試軟件主要有：ControlDesk綜合實(shí)驗環(huán)境、MLIB/MTRACE實(shí)現自動(dòng)試驗及參數調整軟件，本研究采用的是ControlDesk綜合實(shí)驗環(huán)境。ControlDesk綜合實(shí)驗環(huán)境可以實(shí)現對實(shí)時(shí)硬件的可視化管理、用戶(hù)虛擬儀表的建立、變量的可視化管理、參數的可視化管理、試驗過(guò)程自動(dòng)化。

3.CVT電液控制系統ECU快速原型解決方案
3.1CVT控制目標
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(guò)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)輪的轉速與從動(dòng)輪轉速之比：
                                   

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

3.2CVT電液控制系統
本研究金屬帶式CVT采用的電液控制系統[3]如圖2所示。電液控制系統實(shí)現主動(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(chē)起步和倒檔時(shí)起作用，可以單獨考慮，本研究只對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(lái)自傳感器轉換的電信號，包括發(fā)動(dòng)機轉速信號、節氣門(mén)開(kāi)度信號、CVT從動(dòng)輪轉速信號、CVT從動(dòng)輪轉速信號和CVT轉速信號（車(chē)速信號），通過(guò)運算得到目標速比、目標壓力、實(shí)際速比和實(shí)際壓力。目標速比（壓力）與實(shí)際速比（壓力）經(jīng)過(guò)速比（夾緊力）控制器得到速比（壓力）閥PWM控制信號。在離線(xiàn)設計控制器時(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

3.3基于dSPACE CVT快速控

制原型解決方案
在開(kāi)發(fā)的初期階段，快速地建立控制對象及控制器模型，并對整個(gè)控制系統進(jìn)行多次離線(xiàn)的及在線(xiàn)的測試來(lái)驗證控制系統軟、硬件方案的可行性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為快速控制原型[5]（RCP）。使用RCP技術(shù)，可以在費用和性能之間進(jìn)行折衷；在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問(wèn)題。通過(guò)將快速原型硬件系統與所要控制的實(shí)際設備相連，可以反復研究使用不同傳感器及驅動(dòng)機構時(shí)系統的性能特征。

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統提供了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(xiàn)仿真來(lái)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(guò)RTI進(jìn)行dSPACE實(shí)時(shí)系統與MATLAB/Simulink控制設計平臺的連接（如圖3所示），將金屬帶式CVT電液控制系統模型實(shí)時(shí)運行在dSPACE的處理板dS1005中，利用I/O板dS2210生成速比和壓力控制信號傳送給實(shí)際的CVT電液系統進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗來(lái)評價(jià)離線(xiàn)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(wú)縫集成，只需鼠標輕輕一點(diǎn)，就可以完成設計的修改；第三步，利用dSPACE的代碼生成器Target Link或MATLAB RTW Embeded Coder從MATLAB/Simulink生成針對特定處理器芯片產(chǎn)品級嵌入式代碼，完成目標代碼的生成，目標代碼即可在CVT ECU上運行。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建系統的快速原型，還需要及時(shí)準確的測量調試工具，以便及時(shí)發(fā)現問(wèn)題并加以修改。當代碼經(jīng)過(guò)RTW編譯下載到dSPACE實(shí)時(shí)處理器dS1005中運行時(shí)，可以借助dSPACE提供的集成化調試軟件平臺CintrolDesk進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測仿真結果和在線(xiàn)調參。
為了驗證速比（夾緊力）控制算法的準確性，本實(shí)時(shí)仿真中采用定步長(cháng)0.01 ode1（Euler）算法，分別調試速比（夾緊力）控制算法的實(shí)時(shí)仿真結果，如圖5所示。
 

圖5 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗結果

5.結束語(yǔ)
基于本文的研究和實(shí)驗結果可以得出：
（1）dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統軟硬件均采用模塊化設計，可靠性高。利用dSPACE提供的集成開(kāi)發(fā)調試平臺可以方便快速的構建CVT快速控制原型，完成電液控制系統的調試。所設計的ECU很好的配合CVT電液系統進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗和控制器的快速開(kāi)發(fā)。
（2）先進(jìn)的dSPACE系統為快速、靈活、可信地進(jìn)行仿真實(shí)驗提供了有效途徑。本文提出了CVT電液系統ECU快速原型解決方案，對汽車(chē)工程和其它領(lǐng)域，在基于dSPACE環(huán)境下的實(shí)時(shí)仿真系統設計具有指導和參考意義。

參考文獻：
[1] 恒潤利技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平臺實(shí)時(shí)快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑[Zl.恒潤利技公司，2005.
[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(wú)級變速器電—液控制系統的研究[J].汽車(chē)工程，2001，23（5）：315～319.
[4] 過(guò)學(xué)迅，胡朝峰.九點(diǎn)控制電機在手動(dòng)變速器換擋同步中的應用.動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報，2005.3（3）：83～85.
[5] 沈悅明，陳啟軍. dSPACE快速控制原型在機器人控制中的應用[J].機器人，2002，24（6）：545～549.