dSPACE快速控制原型在金属带式无级变速器控制中的研究
日期：2008-11-5 23:11:38 来源：中国自动化网
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1.引言
金属带式无级变速器已经成为现代汽车变速器发展的趋势，其中电液系统的控制是该研究所涉及的一个核心问题。能否快速有效的对CVT进行研究，在很大程度上取决于电液控制系统尤其是ECU的软硬件设计能力。
传统的ECU控制开发需要反复进行控制算法仿真和代码编写，这种方法会导致开发周期长、费用高、可靠性差。现代的ECU控制开发流程普遍采用快速控制原型（RCP），具有代表性的是德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink控制系统开发及测试的工作平台——dSPACE实时仿真系统。dSPACE实时系统充当控制算法和逻辑代码的硬件运行环境，通过I/O板与控制对象连接进行研究和实验，验证控制方案的可行性，大大简化了开发过程，提高了开发效率。本文借助dSPACE实时仿真系统，根据金属带式CVT电液系统的具体要求对ECU进行快速控制原型，所设计的ECU配合实际的金属带式CVT电液系统进行实时仿真实验，取得了良好的效果，极大的提高了CVT控制系统的开发效率。
2.dSPACE系统介绍
2.1dSPACE硬件系统[1>
图1 dSPACE AutoBox硬件系统
本研究采用的是dSPACE AutoBox硬件系统，如图1所示。其中处理器板dS1005是Motorola公司的PowerPC750，主频480Hz，通过以太网与PC主机进行通信。I/O板dS2210适用于多种I/O而插槽有限的情况，通过32位的PHS总线与处理器板dS1005进行通信。
2.2dSPACE软件系统
dSPACE的软件包括代码的生成及下载软件和测试软件两种。
代码的生成及下载是由MATLAB/RTW与dSPACE系统中的实时接口[2>（RTI）来完成。实时工作间（RTW）实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的无缝自动下载，RTI提供相应的I/O模型。
dSPACE提供的测试软件主要有：ControlDesk综合实验环境、MLIB/MTRACE实现自动试验及参数调整软件，本研究采用的是ControlDesk综合实验环境。ControlDesk综合实验环境可以实现对实时硬件的可视化管理、用户虚拟仪表的建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理、试验过程自动化。
3.CVT电液控制系统ECU快速原型解决方案
3.1CVT控制目标
金属带式CVT速比控制和夹紧力控制是相互耦合的，即夹紧力变化必然要引起速比的变化。在实时控制过程中，并不考虑两者之间的相互影响。金属带式CVT速比 定义为主动轮的转速与从动轮转速之比：
3.2CVT电液控制系统
本研究金属带式CVT采用的电液控制系统[3>如图2所示。电液控制系统实现主动轮速比控制、从动轮夹紧力控制、方向控制和闭锁控制，由于方向控制和闭锁控制只在汽车起步和倒档时起作用，可以单独考虑，本研究只对CVT主动轮速比控制、从动轮夹紧力控制进行研究。
ECU首先接收来自传感器转换的电信号，包括发动机转速信号、节气门开度信号、CVT从动轮转速信号、CVT从动轮转速信号和CVT转速信号（车速信号），通过运算得到目标速比、目标压力、实际速比和实际压力。目标速比（压力）与实际速比（压力）经过速比（夹紧力）控制器得到速比（压力）阀PWM控制信号。在离线设计控制器时，可以采用各种控制方式，如PID控制，模糊控制等，本文速比（夹紧力）控制器采用的是九点智能控制器[4>。
图2 CVT电液控制系统
3.3基于dSPACE CVT快速控
制原型解决方案
在开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性，这个过程称之为快速控制原型[5>（RCP）。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷；在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。
dSPACE实时仿真系统提供了RCP解决方案：第一步，在MATLAB/Simulink下建立的金属带式CVT模型和控制方案，进行离线仿真来确定CVT主动轮速比和从动轮夹紧力控制策略的可行性；第二步，通过RTI进行dSPACE实时系统与MATLAB/Simulink控制设计平台的连接（如图3所示），将金属带式CVT电液控制系统模型实时运行在dSPACE的处理板dS1005中，利用I/O板dS2210生成速比和压力控制信号传送给实际的CVT电液系统进行实时实验来评价离线算法的实时性和控制方案的可靠性，RCP的关键是代码的自动生成和下载，基于dSPACE与MATLAB/Simulink的无缝集成，只需鼠标轻轻一点，就可以完成设计的修改；第三步，利用dSPACE的代码生成器Target Link或MATLAB RTW Embeded Coder从MATLAB/Simulink生成针对特定处理器芯片产品级嵌入式代码，完成目标代码的生成，目标代码即可在CVT ECU上运行。CVT快速控制原型解决方案如图4所示。
4.CVT实时仿真测试
CVT快速控制原型不仅需要能够方便的构建系统的快速原型，还需要及时准确的测量调试工具，以便及时发现问题并加以修改。当代码经过RTW编译下载到dSPACE实时处理器dS1005中运行时，可以借助dSPACE提供的集成化调试软件平台CintrolDesk进行实时观测仿真结果和在线调参。
为了验证速比（夹紧力）控制算法的准确性，本实时仿真中采用定步长0.01 ode1（Euler）算法，分别调试速比（夹紧力）控制算法的实时仿真结果，如图5所示。
图5 实时仿真实验结果
5.结束语
基于本文的研究和实验结果可以得出：
（1）dSPACE实时仿真系统软硬件均采用模块化设计，可靠性高。利用dSPACE提供的集成开发调试平台可以方便快速的构建CVT快速控制原型，完成电液控制系统的调试。所设计的ECU很好的配合CVT电液系统进行实时仿真实验和控制器的快速开发。
（2）先进的dSPACE系统为快速、灵活、可信地进行仿真实验提供了有效途径。本文提出了CVT电液系统ECU快速原型解决方案，对汽车工程和其它领域，在基于dSPACE环境下的实时仿真系统设计具有指导和参考意义。
参考文献：
[1> 恒润利技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平台实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化解决途径[Zl.恒润利技公司，2005.
[2> dSPACE. Real-Time Interface (RTI and RTI-MP) Implementation Guide, Release3.3 [Z>. Paderborn: dSPACE GmbH, 2001.
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1.引言
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金属带式无级变速器已经成为现代汽车变速器发展的趋势，其中电液系统的控制是该研究所涉及的一个核心问题。能否快速有效的对CVT进行研究，在很大程度上取决于电液控制系统尤其是ECU的软硬件设计能力。
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传统的ECU控制开发需要反复进行控制算法仿真和代码编写，这种方法会导致开发周期长、费用高、可靠性差。现代的ECU控制开发流程普遍采用快速控制原型（RCP），具有代表性的是德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink控制系统开发及测试的工作平台——dSPACE实时仿真系统。dSPACE实时系统充当控制算法和逻辑代码的硬件运行环境，通过I/O板与控制对象连接进行研究和实验，验证控制方案的可行性，大大简化了开发过程，提高了开发效率。本文借助dSPACE实时仿真系统，根据金属带式CVT电液系统的具体要求对ECU进行快速控制原型，所设计的ECU配合实际的金属带式CVT电液系统进行实时仿真实验，取得了良好的效果，极大的提高了CVT控制系统的开发效率。
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2.dSPACE系统介绍
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2.1dSPACE硬件系统[1>
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图1 dSPACE AutoBox硬件系统
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本研究采用的是dSPACE AutoBox硬件系统，如图1所示。其中处理器板dS1005是Motorola公司的PowerPC750，主频480Hz，通过以太网与PC主机进行通信。I/O板dS2210适用于多种I/O而插槽有限的情况，通过32位的PHS总线与处理器板dS1005进行通信。
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2.2dSPACE软件系统
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dSPACE的软件包括代码的生成及下载软件和测试软件两种。
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代码的生成及下载是由MATLAB/RTW与dSPACE系统中的实时接口[2>（RTI）来完成。实时工作间（RTW）实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的无缝自动下载，RTI提供相应的I/O模型。
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dSPACE提供的测试软件主要有：ControlDesk综合实验环境、MLIB/MTRACE实现自动试验及参数调整软件，本研究采用的是ControlDesk综合实验环境。ControlDesk综合实验环境可以实现对实时硬件的可视化管理、用户虚拟仪表的建立、变量的可视化管理、参数的可视化管理、试验过程自动化。
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3.CVT电液控制系统ECU快速原型解决方案
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3.1CVT控制目标
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金属带式CVT速比控制和夹紧力控制是相互耦合的，即夹紧力变化必然要引起速比的变化。在实时控制过程中，并不考虑两者之间的相互影响。金属带式CVT速比 定义为主动轮的转速与从动轮转速之比：
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3.2CVT电液控制系统
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本研究金属带式CVT采用的电液控制系统[3>如图2所示。电液控制系统实现主动轮速比控制、从动轮夹紧力控制、方向控制和闭锁控制，由于方向控制和闭锁控制只在汽车起步和倒档时起作用，可以单独考虑，本研究只对CVT主动轮速比控制、从动轮夹紧力控制进行研究。
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ECU首先接收来自传感器转换的电信号，包括发动机转速信号、节气门开度信号、CVT从动轮转速信号、CVT从动轮转速信号和CVT转速信号（车速信号），通过运算得到目标速比、目标压力、实际速比和实际压力。目标速比（压力）与实际速比（压力）经过速比（夹紧力）控制器得到速比（压力）阀PWM控制信号。在离线设计控制器时，可以采用各种控制方式，如PID控制，模糊控制等，本文速比（夹紧力）控制器采用的是九点智能控制器[4>。
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图2 CVT电液控制系统
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3.3基于dSPACE CVT快速控
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制原型解决方案
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在开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性，这个过程称之为快速控制原型[5>（RCP）。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷；在最终产品硬件投产之前，仔细研究诸如离散化及采样频率等的影响、算法的性能等问题。通过将快速原型硬件系统与所要控制的实际设备相连，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。
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dSPACE实时仿真系统提供了RCP解决方案：第一步，在MATLAB/Simulink下建立的金属带式CVT模型和控制方案，进行离线仿真来确定CVT主动轮速比和从动轮夹紧力控制策略的可行性；第二步，通过RTI进行dSPACE实时系统与MATLAB/Simulink控制设计平台的连接（如图3所示），将金属带式CVT电液控制系统模型实时运行在dSPACE的处理板dS1005中，利用I/O板dS2210生成速比和压力控制信号传送给实际的CVT电液系统进行实时实验来评价离线算法的实时性和控制方案的可靠性，RCP的关键是代码的自动生成和下载，基于dSPACE与MATLAB/Simulink的无缝集成，只需鼠标轻轻一点，就可以完成设计的修改；第三步，利用dSPACE的代码生成器Target Link或MATLAB RTW Embeded Coder从MATLAB/Simulink生成针对特定处理器芯片产品级嵌入式代码，完成目标代码的生成，目标代码即可在CVT ECU上运行。CVT快速控制原型解决方案如图4所示。
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4.CVT实时仿真测试
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CVT快速控制原型不仅需要能够方便的构建系统的快速原型，还需要及时准确的测量调试工具，以便及时发现问题并加以修改。当代码经过RTW编译下载到dSPACE实时处理器dS1005中运行时，可以借助dSPACE提供的集成化调试软件平台CintrolDesk进行实时观测仿真结果和在线调参。
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为了验证速比（夹紧力）控制算法的准确性，本实时仿真中采用定步长0.01 ode1（Euler）算法，分别调试速比（夹紧力）控制算法的实时仿真结果，如图5所示。
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图5 实时仿真实验结果
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5.结束语
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基于本文的研究和实验结果可以得出：
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（1）dSPACE实时仿真系统软硬件均采用模块化设计，可靠性高。利用dSPACE提供的集成开发调试平台可以方便快速的构建CVT快速控制原型，完成电液控制系统的调试。所设计的ECU很好的配合CVT电液系统进行实时仿真实验和控制器的快速开发。
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（2）先进的dSPACE系统为快速、灵活、可信地进行仿真实验提供了有效途径。本文提出了CVT电液系统ECU快速原型解决方案，对汽车工程和其它领域，在基于dSPACE环境下的实时仿真系统设计具有指导和参考意义。
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参考文献：
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
[1> 恒润利技.dSPACE-基丁MATLAB/Simulink平台实时快速原型及硬件在回路仿真的一体化解决途径[Zl.恒润利技公司，2005.
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
[2> dSPACE. Real-Time Interface (RTI and RTI-MP) Implementation Guide, Release3.3 [Z>. Paderborn: dSPACE GmbH, 2001.
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