混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台及其仿真方法

摘要

一种混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台，所述上位机、变速箱控制单元、换挡执行电机、转矩转速传感器、负载控制单元、离合器执行电机、压力传感器均与硬件在环仿真平台电连接；第一直流电源、换挡执行电机、离合器执行电机均与变速箱控制单元电连接；第二直流电源、换挡负载电机、离合器负载电机均与负载控制单元电连接；动力依次通过换挡执行电机、减速增扭机构、齿轮齿条传动机构、转矩转速传感器、增速减扭机构传递到换挡负载电机。

说明书

技术领域

本发明涉及混合动力变速器领域，具体涉及一种混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台及其仿真方法。

背景技术

随着汽车电子技术朝着集成化、智能化及网络化发展，用户对汽车驾驶品质要求越来越高，这对混合动力变速器电控单元的测试也提出了更高要求，混合动力变速器的电控单元HIL（硬件在环）仿真测试是电控系统软件开发过程中的一个重要环节，通常通过HIL仿真硬件平台中的混合动力变速器仿真模型和虚拟负载来实现。而汽车零部件企业搭建HIL仿真模型通常面临的一个问题是，建立复杂的混合动力变速器仿真模型除了要拥有很强的建模能力以外,还需要详细的混合动力变速器建模参数以及较长的建模调试时间，一旦面临多个项目并行研发，研发测试周期短的情况，如何快速高效的对混合动力变速器的电控单元进行硬件在环仿真是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台及其仿真方法，不但使用结构简单的执行机构替代复杂的混合动力变速器仿真模型来快速高效的建立HIL仿真测试平台，还利用负载加载系统实现闭环加载控制，提高其仿真测试精度及效果。

本发明的目的是采用下述方案实现的：一种混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台，包括上位机、硬件在环仿真平台、第一直流电源、变速箱控制单元、换挡执行电机、减速增扭机构、齿轮齿条传动机构、转矩转速传感器、增速减扭机构、换挡负载电机、负载控制单元、第二直流电源、离合器执行电机、执行油泵、压力传感器、负载油泵、离合器负载电机；

所述上位机、变速箱控制单元、换挡执行电机、转矩转速传感器、负载控制单元、离合器执行电机、压力传感器均与硬件在环仿真平台电连接；

所述第一直流电源、换挡执行电机、离合器执行电机均与变速箱控制单元电连接；

所述第二直流电源、换挡负载电机、离合器负载电机均与负载控制单元电连接；

所述换挡执行电机的输出轴与减速增扭机构的输入轴连接，减速增扭机构的输出轴与齿轮齿条传动机构的输入轴采用联轴器连接，齿轮齿条传动机构的输出轴与转矩转速传感器的输入轴采用联轴器连接，转矩转速传感器的输出轴与增速减扭机构的输入轴采用联轴器连接，增速减扭机构的输出轴与换挡负载电机的输入轴采用联轴器连接；

所述离合器执行电机的输出轴与执行油泵采用花键连接，执行油泵与负载油泵之间采用油管连接，执行油泵与负载油泵之间设有一压力传感器，负载油泵与离合器负载电机输出轴之间采用花键连接。

优选地，所述减速增扭机构包括一大齿轮、一小齿轮，所述大齿轮与小齿轮周向固定在同一转轴上，所述减速增扭机构的输入轴为一螺杆，该螺杆的一端与大齿轮啮合，所述减速增扭机构的输出轴为第一齿条，该第一齿条的一端与小齿轮啮合。

优选地，所述齿轮齿条传动机构的输入轴为第二齿条，该齿轮齿条传动机构的输出轴一端周向固定一传动齿轮，该传动齿轮与第二齿条的一端啮合。

优选地，所述增速减扭机构为两级齿轮传动机构，该两级齿轮传动机构的传动比小于1。

优选地，所述硬件在环仿真平台与变速箱控制单元之间采用CAN总线传输信号。

采用本发明中所述的混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台进行换挡及离合器仿真的方法，包括产品下线变速箱物理点自学习仿真、离合器半结合点自学习仿真、换挡动作及离合器动作仿真、变速箱自适应仿真。

优选地，所述产品下线变速箱物理点自学习仿真的步骤如下：

1）调整减速增扭机构与齿轮齿条传动机构的安装间距，使减速增扭机构的齿条直线运动行程范围与换挡毂的毂型线形线两端机械限位点行程的范围一致；

2）变速箱控制单元控制换挡执行电机的输出轴旋转，使减速增扭机构的齿条直线运动行程运动到最小限位位置，记录对应的电机运行位置，作为P挡对应的物理位置点；

3）变速箱控制单元控制换挡执行电机的输出轴旋转，使减速增扭机构的齿条直线运动行程运动到最大限位位置，记录对应的电机运行位置，作为2挡对应的物理位置点；

4）变速箱控制单元根据学习到的P挡、2挡物理位置点对1挡物理位置点进行理论计算。

优选地，所述离合器半结合点自学习仿真的步骤如下：

1）通过PC上位机的操作界面控制硬件在环仿真平台进行钥匙开关上电及启动Sport模式的仿真操作，并使硬件在环仿真平台中的发动机仿真模型处于直驱状态；

2）变速箱控制单元控制离合器执行电机的输出力矩反复多次模拟离合器分离结合过程，并根据硬件在环仿真平台中的发动机仿真模型传递到离合器执行电机的动力参数计算离合器半结合点的位置。

优选地，所述换挡动作及离合器动作仿真的步骤如下：

1）变速箱控制单元控制离合器执行电机分离离合器，同时硬件在环仿真平台中的VCU控制单元模型请求发动机仿真模型降低发动机扭矩；

2）变速箱控制单元控制换挡执行电机换至空挡；

3）控制换挡执行电机运动至目标挡位并同步及锁止；

4）VCU控制单元模型发送目标挡位给变速箱控制单元，使离合器执行电机结合离合器；

5）VCU控制单元模型请求发动机控制模型增加发动机扭矩。

优选地，所述变速箱自适应仿真的步骤如下：

1）硬件在环仿真平台仿真汽车正常行驶；

2）仿真汽车在挡位切换的过程中, 换挡执行电机运动至目标挡位并同步及锁止；

3）硬件在环仿真平台根据当前换挡执行电机的运动位置确定挡位和计算同步及锁止阶段中换挡负载电机需要加载的负载量，并通过负载控制单元输出到换挡负载电机；

4）硬件在环仿真平台中的负载仿真模型根据转矩转速传感器反馈的加载扭矩及转速对换挡负载电机需要加载的负载量进行修正；

5）根据各挡位的速比，变速箱控制单元根据换挡过程中采集到的输入轴转速变化率及换挡执行电机的电流值计算对应挡位的同步位置点；

6）判断各挡位的同步位置点的合理性，若并将合格的挡位同步位置点更新到变速箱控制单元中。

本发明的有益效果在于，该仿真平台在混动变速箱的开发过程中，使换挡及离合器与负载加载同步进行，通过仿真混动变速箱的毂式换挡机构及离合器在车辆各种工况下运行情况，采用硬件在环仿真平台对自学习系统的仿真测试，有效的验证及完善自学习策略，提高车辆的驾驶品质，为混动变速箱的线下自学习策略、控制策略及故障诊断策略开发提供了快速高效的仿真测试平台和方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中换挡执行电机、减速增扭机构、齿轮齿条传动机构、转矩转速传感器、增速减扭机构、换挡负载电机的连接关系示意图。

具体实施方式

如图1至图2所示，一种混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台，包括上位机1、硬件在环仿真平台2、第一直流电源3、变速箱控制单元4、换挡执行电机5、减速增扭机构6、齿轮齿条传动机构7、转矩转速传感器8、增速减扭机构9、换挡负载电机10、负载控制单元11、第二直流电源12、离合器执行电机13、执行油泵14、压力传感器15、负载油泵16、离合器负载电机17；

所述上位机1、变速箱控制单元4、换挡执行电机5、转矩转速传感器8、负载控制单元11、离合器执行电机13、压力传感器15均与硬件在环仿真平台2电连接。本实施例中，所述硬件在环仿真平台2与变速箱控制单元4之间采用CAN总线传输信号，变速箱控制单元4通过CAN-Bus总线通讯与硬件在环仿真平台2内的发动机电控单元ECU、整车VCU、电机控制器MCU、电池管理系统BMS、车身电子稳定系统ESP及仪表交换数据，如发动机转速，发动机扭矩、离合器模式、目标挡位、进气门的位置状态、刹车踏板状态、请求发动机扭矩（包含降扭和增扭）、电机请求扭矩、变速器输入轴转速，车速信息等。

各电机内部自带电机传感器，能将采集到的换挡执行电机5、离合器执行电机13的输出轴旋转位置、转速及旋转方向反馈给硬件在环仿真平台2用于变速器仿真及负载仿真模型的负载电机加载量计算。

所述硬件在环仿真平台2将采集的换挡负载电机10经过减速增扭后加载的转速及扭矩，而离合器执行电机13建立的压力会反馈给硬件在环仿真平台2用于负载仿真模型的负载电机加载量计算。

所述第一直流电源3、换挡执行电机5、离合器执行电机13均与变速箱控制单元4电连接；

所述第二直流电源12、换挡负载电机10、离合器负载电机17均与负载控制单元11电连接；

所述第一直流电源3、第二直流电源12用于模拟整车电瓶提供工作电源。

所述换挡执行电机5的输出轴与减速增扭机构6的输入轴连接，减速增扭机构6的输出轴与齿轮齿条传动机构7的输入轴采用联轴器连接，所述减速增扭机构6包括一大齿轮18、一小齿轮19，所述大齿轮18与小齿轮19周向固定在同一转轴上，所述减速增扭机构6的输入轴为一螺杆20，该螺杆20的一端与大齿轮18啮合，另一端与换挡执行电机5的输出轴连接，所述减速增扭机构6的输出轴为第一齿条21，该第一齿条21的一端与小齿轮19啮合。

所述齿轮齿条传动机构7的输出轴与转矩转速传感器8的输入轴采用联轴器连接，所述齿轮齿条传动机构7的输入轴为第二齿条22，该齿轮齿条传动机构7的输出轴一端周向固定一传动齿轮23，该传动齿轮23与第二齿条22的一端啮合，第二齿条22的另一端与第一齿条21的另一端连接，将减速增扭机构6第一齿条21的直线运动转变为齿轮轴的旋转运动。

所述转矩转速传感器8将齿轮齿条传动机构7输出轴的正反向扭矩、转速，并反馈给硬件在环仿真平台2用于负载仿真模型的换挡负载电机加载量计算；

所述转矩转速传感器8的输出轴与增速减扭机构9的输入轴采用联轴器连接，增速减扭机构9的输出轴与换挡负载电机10的输入轴采用联轴器连接；所述增速减扭机构9为两级齿轮传动机构，该两级齿轮传动机构的传动比小于1，将转矩转速传感器8传递的旋转动力进行增速减扭，以匹配换挡负载电机10的电机加载能力。

所述离合器执行电机13的输出轴与执行油泵14采用花键连接，执行油泵14与负载油泵15之间采用油管连接，执行油泵14与负载油泵15之间设有一压力传感器15，负载油泵16与离合器负载电机输出轴17之间采用花键连接。

所述执行油泵14、压力传感器15、负载油泵16设置在一个封闭的油液空间里面，形成油液闭环控制，用于湿式离合器系统的测试。所述压力传感器15用于测量执行油泵14的输出压力，并反馈给硬件在环仿真平台2用于负载仿真模型的离合器负载电机加载量计算。

本实施例中，所述上位机1将HIL硬件在环仿真模型下载到硬件在环仿真平台2中运行，所述HIL硬件在环仿真模型包括接口模型、发动机及发动机电控单元ECU模型、离合器模型、电机电池模型、整车的VCU控制模型、变速箱模型、整车动力学模型、驾驶员及道路模型、负载计算仿真模型等；

通过上位机1监控及管理硬件在环仿真平台2内HIL硬件在环仿真模型的运行情况，如在硬件在环仿真平台2发出的模拟钥匙开关、手柄信号、刹车信号、变速箱油温信号、输入轴转速信号、油路压力信号、及发动机电控单元ECU通过CAN总线通讯传递的油门信号、发动机转速信号、发动机扭矩信号、及车身电子稳定系统ESP通过CAN总线通讯传递的车速信号、VCU通过CAN总线通讯传递的离合器模式信号及目标挡位信号、轮速等信号作用下，变速箱控制单元4按VCU的换挡意图进行控制换挡执行电机5、离合器执行电机13启动，采用本发明中所述的混合动力变速器电控单元硬件在环仿真平台进行换挡及离合器的仿真方法。

本实施例采用下列方法针对两挡双电机混动变速箱进行仿真：

① 产品下线变速箱物理点自学习仿真；

② 离合器半结合点自学习仿真；

③ 换挡动作及离合器动作仿真；

④ 变速箱自适应仿真。

本实施例中，按照下列步骤进行产品下线变速箱物理点自学习仿真：

1）调整减速增扭机构6与齿轮齿条传动机构7的安装间距，使减速增扭机构6的齿条直线运动行程范围与换挡毂的毂型线形线两端机械限位点行程的范围一致。

所述两挡双电机混动变速箱采用毂式换挡机构,其中换挡毂控制1、2、P挡拨叉；由于毂式换挡机构结构限制，换挡毂只有两边存在机械限位，即P挡和2挡；

用简单的减速增扭机6构替代真实复杂的毂式换挡执行机构，使用齿条的直线运动行程替代复杂的换挡毂毂型线运动行程；

2）变速箱控制单元4控制换挡执行电机5的输出轴旋转，使减速增扭机构6的齿条直线运动行程运动到最小限位位置，记录对应的电机运行位置，作为P挡对应的物理位置点；

所述换挡执行电机5内的电机传感器会反馈对应的电机运行位置给变速箱控制单元4、硬件在环仿真平台2。

3）变速箱控制单元4控制换挡执行电机5的输出轴旋转，使减速增扭机构6的齿条直线运动行程运动到最大限位位置，记录对应的电机运行位置，作为2挡对应的物理位置点；

4）变速箱控制单元4根据学习到的P挡、2挡物理位置点对1挡物理位置点进行理论计算。

本实施例中，按照下列步骤进行离合器半结合点自学习仿真：

1）通过PC上位机1的操作界面控制硬件在环仿真平台2进行钥匙开关上电及启动Sport模式的仿真操作，并使硬件在环仿真平台2中的发动机仿真模型处于直驱状态；

离合器执行电机13内的电机传感器会反馈电机转速给变速箱控制单元4、硬件在环仿真平台2，同时压力传感器15会反馈压力给变速箱控制单元4、硬件在环仿真平台2。

2）变速箱控制单元4控制离合器执行电机13的输出力矩反复多次模拟离合器分离结合过程，并根据硬件在环仿真平台2中的发动机仿真模型传递到离合器执行电机13的动力参数计算离合器半结合点的位置。

模拟离合器分离结合过程即变速箱控制单元4控制离合器执行电机13由离合器分离点逐步过渡到离合器结合点，然后由离合器结合点快速到达离合器分离点，且在模拟离合器的分离结合过程中硬件在环仿真平台2内仿真的发动机动力会通过离合器逐步传递到变速器输入轴上，仿真的发动机扭矩及输入轴转速会跟随离合器动作产生变化。

本实施例中，按照下列步骤进行换挡动作及离合器动作仿真：

1）变速箱控制单元4控制离合器执行电机13分离离合器，同时硬件在环仿真平台2中的VCU控制单元模型请求发动机仿真模型降低发动机扭矩；

2）变速箱控制单元4控制换挡执行电机5换至空挡；

3）控制换挡执行电机5运动至目标挡位并同步及锁止；

4）VCU控制单元模型发送目标挡位给变速箱控制单元4，使离合器执行电机13结合离合器；

5）VCU控制单元模型请求发动机控制模型增加发动机扭矩。

整个仿真过程中，变速箱控制单元4需要从发动机电控单元、VCU整车控制单元或车身电子稳定系统采集发动机、车轮等相关数据参与换挡离合控制，并且为减小换挡冲击，换挡离合过程中需要VCU电控单元响应变速箱控制单元4的发动机扭矩控制请求。

在离合器执行电机13分离及结合离合器的动作过程中，硬件在环仿真平台2内的负载仿真模型通过执行电机内电机传感器反馈的当前电机转速，以及通过压力传感器15反馈当前的压力，计算负载电机需要加载的负载量，并通过负载控制单元11控制离合器负载电机17动作进行加载；

在换挡执行电机5动作过程中，硬件在环仿真平台2内的负载仿真模型通过执行电机内电机传感器反馈的当前电机运动位置，计算负载电机需要加载的负载量，并通过负载控制单元11控制换挡负载电机10的动作进行加载；硬件在环仿真平台2内的负载仿真模型根据转矩转速传感器8反馈的加载扭矩及转速进行负载电机加载量修正。

本实施例中，按照下列步骤进行变速箱自适应仿真：

1）硬件在环仿真平台2仿真汽车正常行驶；

2）仿真汽车在挡位切换的过程中, 换挡执行电机5运动至目标挡位并同步及锁止；

3）硬件在环仿真平台2根据当前换挡执行电机5的运动位置确定挡位和计算同步及锁止阶段中换挡负载电机10需要加载的负载量，并通过负载控制单元11输出到换挡负载电机10；

4）硬件在环仿真平台2中的负载仿真模型根据转矩转速传感器8反馈的加载扭矩及转速对换挡负载电机10需要加载的负载量进行修正；

5）根据各挡位的速比，变速箱控制单元4根据换挡过程中采集到的输入轴转速变化率及换挡执行电机5的电流值计算对应挡位的同步位置点；

6）判断各挡位的同步位置点的合理性，若并将合格的挡位同步位置点更新到变速箱控制单元4中。

由于两挡双电机混动变速箱的换挡执行机构采用毂式换挡机构,变速箱生产过程中的加工误差以及行驶一定里程后机构的磨损，将导致各挡位位置点发生变化，而仅由理论计算出来的挡位位置点无法保证其准确性。为满足变速箱在正常行驶的平顺性、舒适性，必须使各挡位位置尽可能准确，因此需要增加变速器各挡位位置点的自适应控制功能，以保证各挡位位置点的准确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。