为提高燃油效率、减少环境有害物质的使用,爱信正逐步转向电气化。为提高换挡效率,该公司开发了一个集成机电线控换挡系统,其中包括执行器(在本例中是电机)、减速齿轮、控制单元和传感器。有了线控换挡系统,就可以通过电子控制装置切换汽车的变速器模式,变速杆和变速器之间无需机械连接。这样就减轻了重量、节省了空间,齿轮换挡速度也明显加快。随着车辆自动化技术不断进步,线控技术已经不可或缺。爱信理想的线控换挡系统是以快速精准换挡实现了功能价值,以机电一体化实现了安全价值。
爱信底盘和车辆安全系统公司总经理Atsuto Ogino解释道,“我们希望在开发过程中尽早测试新技术,这样后续步骤就可以少花些时间。我们面临的一大挑战是间隔几微秒将故障输入线控系统,以便全面测试执行器或电机控制系统的安全关键部件。由于这项工作的复杂性和精确性,那几天我们彻夜难眠。”
软件优先,开发更精确、更快速
软件不仅在车辆中越来越重要,在控制系统开发领域也是如此。有一种“软件优先”方法,将软件与硬件分开,优先考虑软件开发。通过反复评估和改进传统模型进行开发,开发过程不按计划进行往往会带来问题,这些正逐渐成为过去式。当前的重点是确保开发中及时纳入在虚拟环境仿真获得的信息。根据这些经验,可以更精确、更快速地实现真正的产品。
开发过程可以通过仿真提前制定,不一定要对规范进行调试。也可以根据仿真结果进行设计评审,消除不明确的规范。这项工作的基础是持续改进测试环境和工具。经过这些改进,就可以在虚拟环境中使用模型来评估软件,而不是在实车和实机中进行。
在线控换挡系统中,如果操作由于故障而中断,疏散性能会受到很大影响。因此,作为故障安全概念,安全执行操作必不可少。同时,本质安全这一概念要求减少零部件数量。于是,爱信开发了一款高度可靠的线控换挡执行器,将集成式、独立的冗余电气/电子(E/E)系统作为集成机电执行器,同时减少零部件数量,提高了疏散驱动性能。
凭借HIL模拟,全面、可重复地排除故障
爱信认为,HIL仿真适用于验证线控换挡系统,因为该系统是一款集成式机电产品。HIL仿真方便在开发过程中验证产品,无需集成式机电原型。
此外,硬件在环(HIL)仿真可用来注入在实车中难以注入和再现的故障。而且,在数据库中管理测试模式可以确保可复用性,随后可以将这些模式用于测试台架和实车评估。
Ogino先生解释道,“HIL开发在爱信发挥着重要作用HIL开发结合了控件、电路、电机和齿轮。这样,我们就能在通信级、信号级、电气级和机械级仿真中灵活响应。在开发的初期阶段,我们使用机电设计软件工具,在机械设计的基础上创建了详细电机模型:JMAG Designer。除了材料性能,还在该模型中精确定义了定子、转子和永磁体的几何特性。我们利用规定的网点,在数天内进行了有限元数值仿真(FEM),结果以往返时间(RTT)文件的形式保存。利用这些结果,我们在制造真正的电机之前,就通过模型在环(MIL)或HIL仿真完成了控制器设计。”
Ogino先生补充道,“新冠疫情期间,测试工程师很难到现场进行所有测试。在爱信,居家办公也可以连接dSPACE HIL系统。为此,测试工程师将测试数据加载到云中。公司的一台PC检索这些数据,与dSPACE解决方案一起运行测试,再将测试报告发送回云端,非常顺利。”
数据输入和评估间隔几微秒
dSPACE HIL系统为工程师解决电机控制系统安全关键零部件各种速度、尺寸和范围的故障注入和评估问题开辟了新的途径。Ogino先生谈到,“由于我们采用的SCALEXIO实时系统配备非常快速的现场可编程门阵列(FPGA)板卡,我们可以使用灵活的dSPACE XSG Electric Components library和JMAG Addon-Lib,仿真高度精确(基于FEM)、快速、低延迟的电动机模型。我们还可以在这个系统上评估全天候扫描测试。
故障通常是定期注入,但在某些情况下,故障只在213 ms至223 ms之间这10 ms的测试间隔内发生。这是我们需要面对的主要挑战。为了应对这一挑战,我们在µs到ns范围内精确的预定义位置注入选定故障。我们就这些故障,对控制系统进行了全面测试和评估。多亏了dSPACE HIL系统,这个环节没有出现任何问题。我们几乎不需要花时间进行测试评估,因为评审和调整后,其余的任务自动完成。”
系统在夜间自动进行评估,随即将完成的报告送交有关各方。为HIL仿真创建的测试模式也可以转换,用于MIL模拟,反之亦然。爱信成功地将这两种测试方法(MIL和HIL)用于实车和实机。
任务完成!
爱信根据通过HIL仿真获得的数据,开发了一款线控换挡变速器,该变速器的换挡行为具有出色的位置精度和响应能力。此外,新系统采用螺旋传动,减速快、效率高,齿数少,方便安装。
未来,线控换挡系统将广泛用于各种车辆。它是提高电气化、推进自动驾驶的重要支柱。
《dSPACE杂志》,2023年1月出版
关于爱信
爱信株式会社是日本的一家汽车供应商,专门从事汽车行业的零部件开发和生产。为了将交通事故死亡率降至零,该公司推出了先进的“驾驶、转向、停车”控制系统产品,以及提高驾驶乐趣和舒适性的产品。底盘和车辆安全系统公司专注于外围监控系统、自动停车系统和驾驶员监控系统的开发, Atsuto Ogino 任该公司的总经理。他重点关注车辆运动仿真、系统和控制开发。