AMT車(chē)輛自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)＊

王 斌 高炳釗 陳 虹，2

1.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130025；2.吉林大學(xué)控制理論與控制工程系，長(zhǎng)春130025

1 前言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automatic Mechanical Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)AMT）是在原有干式離合器和定軸齒輪式有級(jí)機(jī)械變速器基礎(chǔ)上改裝而成的自動(dòng)變速器。與其他自動(dòng)變速器相比，AMT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、傳動(dòng)效率高、適用車(chē)型廣等優(yōu)點(diǎn)，有較高的性?xún)r(jià)比，適合我國(guó)國(guó)情。然而AMT采用的干式離合器的分合過(guò)程會(huì)導(dǎo)致舒適性變差，這制約著AMT的推廣。自動(dòng)離合器系統(tǒng)控制策略的開(kāi)發(fā)對(duì)于解決AMT的平順性問(wèn)題至關(guān)重要。

在AMT自動(dòng)離合器的控制中，離合器起步控制是控制難點(diǎn)之一。其控制目標(biāo)有三點(diǎn)：1）車(chē)輛起步平穩(wěn)，沖擊度?。?）滑摩功盡可能小，延長(zhǎng)離合器壽命；3）充分反映駕駛員起步意圖。在起步過(guò)程中既要求車(chē)輛行駛平穩(wěn)沒(méi)有沖擊，又要保證離合器的使用壽命即起步滑磨功小，前者要求離合器接合時(shí)間長(zhǎng)，后者要求接合時(shí)間短，二者的矛盾給離合器最佳接合規(guī)律的制定帶來(lái)了一定的難度。

目前最普遍的離合器控制算法是發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速控制算法，這種控制算法在應(yīng)用到實(shí)車(chē)時(shí)，標(biāo)定目標(biāo)繁多，調(diào)試非常復(fù)雜。鑒于此，本文采用考慮駕駛員意圖、沖擊度和滑摩功的離合器優(yōu)化控制算法對(duì)離合器進(jìn)行控制，從而提高起步過(guò)程的平順性，并且大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的標(biāo)定工作量。并且通過(guò)模型仿真及快速原型測(cè)試對(duì)控制算法進(jìn)行了標(biāo)定與測(cè)試。

2 樣車(chē)搭建

設(shè)計(jì)了AMT離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對(duì)一汽轎車(chē)公司生產(chǎn)的奔騰B50汽車(chē)進(jìn)行改裝，將該執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝到B50車(chē)上，取代離合器踏板的工作，構(gòu)成了自動(dòng)離合器變速箱。同時(shí)通過(guò)B50的診斷座采集CAN總線(xiàn)的信號(hào)，通過(guò)Micro AutoBox實(shí)現(xiàn)與汽車(chē)的通信，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制離合器的運(yùn)動(dòng)。

2.1 自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，利用高傳動(dòng)效率的滾珠絲杠作為動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)一系列桿件推動(dòng)汽車(chē)離合器運(yùn)動(dòng)。

由于滾珠絲杠的傳遞效率很高，同時(shí)也有很高的逆效率，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電后，滾珠絲杠不能自行鎖止在當(dāng)前位置，而會(huì)在膜片彈簧力作用下運(yùn)動(dòng)。因此在滾珠絲杠和電機(jī)之間加裝逆止器，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)逆止器傳遞給滾珠絲杠，而滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)無(wú)法通過(guò)逆止器傳遞過(guò)來(lái)，可以保證電機(jī)斷電后，汽車(chē)離合器可以保持在當(dāng)前位置，既節(jié)省能量又提高電機(jī)的使用壽命。下圖為執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.1 clutch actuator1—直流電機(jī)，2—逆止器，3—滾珠絲杠1—DC motor，2—non－return device，3—ball screw

2.2 總線(xiàn)改裝

本文設(shè)計(jì)了H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，下圖2為其原理圖。從汽車(chē)的診斷座將CAN總線(xiàn)信號(hào)接出。將CAN總線(xiàn)傳輸?shù)钠?chē)行駛數(shù)據(jù)傳輸?shù)組icro Auto－Box，根據(jù)駕駛員的操作意圖及汽車(chē)的行駛數(shù)據(jù)來(lái)控制離合器的運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)離合器的信號(hào)傳遞方向及執(zhí)行原理如下圖3所示。

圖2 H橋驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 H－bridge driving circuit

圖3 自動(dòng)離合器車(chē)輛原理圖Fig.3 the principle of the vehicle with automatic clutch

圖4 試驗(yàn)車(chē)Fig.4 the test vehicle

3 控制策略開(kāi)發(fā)流程

對(duì)于控制策略的開(kāi)發(fā)依循以下四步開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行。首先，對(duì)控制器和被控對(duì)象（試驗(yàn)車(chē)）建模，分別形成控制器模型和仿真模型，通過(guò)聯(lián)合仿真在仿真模型上實(shí)施控制算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。然后，進(jìn)行快速原型測(cè)試，利用dSPACE公司生產(chǎn)的Micro AutoBox將第一步標(biāo)定后的控制前期與實(shí)車(chē)相連接，通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試進(jìn)行控制參數(shù)標(biāo)定。這些早期的功能測(cè)試可以提前測(cè)試控制器性能并進(jìn)行高效率的控制器參數(shù)標(biāo)定，此外還可以大大減少軟件故障率。之后，將設(shè)定好的控制器模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際電控單元ECU的軟件代碼，對(duì)其進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試。最后，用實(shí)際的ECU在實(shí)車(chē)上進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定。下圖5即為開(kāi)發(fā)流程圖。

圖5 開(kāi)發(fā)流程Fig.5 The development process

本文將就控制策略的模型仿真和快速原型測(cè)試進(jìn)行闡述，通過(guò)這兩步開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)控制策略的基本功能。

4 樣車(chē)仿真模型搭建

4.1 樣車(chē)仿真模型搭建

根據(jù)奔騰B50的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系等車(chē)輛參數(shù)搭建樣車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型。如下圖所示。

圖6 樣車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)AMESim模型Fig.6 Drivetrain AMESim model of the test vehicle

4.2 模型校驗(yàn)

模型與樣車(chē)的匹配程度決定了仿真結(jié)果的可靠性。本文對(duì)模型和樣車(chē)給以相同的離合器信號(hào)和油門(mén)踏板信號(hào)，采集汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速信號(hào)進(jìn)行比較。下圖為離合器從部分接合到全接合過(guò)程以及油門(mén)從20%開(kāi)度到50%開(kāi)度過(guò)程的模型仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。

圖7 模型校驗(yàn)Fig.7 model validation

圖中Test為實(shí)驗(yàn)值，Simu為仿真值，從圖上可以看出，模型的準(zhǔn)確度在15%以?xún)?nèi)，利用此模型進(jìn)行的仿真對(duì)實(shí)驗(yàn)具有參考價(jià)值。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 控制算法設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)速控制算法都是在假定起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變并且起步時(shí)間可以預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。我們知道，車(chē)輛起步過(guò)程中這些值是在不斷變化的，并且在實(shí)現(xiàn)PID控制算法的過(guò)程中要標(biāo)定大量數(shù)據(jù)，這些標(biāo)定工作會(huì)大大增加開(kāi)發(fā)周期。為了解決以上問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了基于LQR的優(yōu)化控制算法對(duì)AMT離合器進(jìn)行起步控制。這個(gè)算法可以根據(jù)駕駛員對(duì)油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板的操作判斷駕駛員意圖，并對(duì)離合器位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

將5檔AMT車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)看成二自由度系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可以用以下?tīng)顟B(tài)方程描述：

其中

x＝［ωeωe－ωcTcTeTl］ T

式中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，Tc為離合器輸出轉(zhuǎn)矩，Tl為離合器輸出端的阻力矩，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ωc為離合器輸端出轉(zhuǎn)速，Ie和Iv為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ce和Cv為阻尼系數(shù)。

此控制問(wèn)題就是下面目標(biāo)函數(shù)的最小化問(wèn)題。

詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)［3］。

5.2 控制算法的仿真結(jié)果

離合器的接合過(guò)程主要分為三個(gè)階段：消除空行程和起步阻力階段，滑磨階段，同步階段。在這三個(gè)階段中滑磨階段是控制的難點(diǎn)。本文以車(chē)輛起步過(guò)程中離合器的運(yùn)動(dòng)為例來(lái)對(duì)離合器滑磨過(guò)程控制進(jìn)行研究。

在完成AMESim實(shí)驗(yàn)車(chē)模型搭建和MATLAB/Simulink控制器模型搭建之后，進(jìn)行AMES－im－Simulink聯(lián)合仿真。對(duì)汽車(chē)小油門(mén)、中油門(mén)、大油門(mén)及坡道起步四種工況進(jìn)行仿真，得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、離合器輸入轉(zhuǎn)速、離合器輸出轉(zhuǎn)速的圖像。下圖給出了中油門(mén)情況下的圖像。

從以上的仿真結(jié)果可以看出，從離合器開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到完全結(jié)合用時(shí)在2秒以?xún)?nèi)，接合時(shí)間短；接合過(guò)程平順，車(chē)輛加速度率有一定抖動(dòng)，但時(shí)間很短，幅值不大，對(duì)舒適性影響不大，達(dá)到了預(yù)期效果。

6 快速原型測(cè)試

為了進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化控制策略進(jìn)行測(cè)試與調(diào)節(jié)，將優(yōu)化控制模型下載到Micro AutoBox。利用Micro AutoBox作為模擬的TCU在已搭建好的實(shí)驗(yàn)車(chē)上對(duì)自動(dòng)離合器進(jìn)行控制。同樣在小油門(mén)、中油門(mén)、大油門(mén)和坡道起步四種工況進(jìn)行測(cè)試。下面給出了中油門(mén)及坡道起步的測(cè)試結(jié)果。

圖8 中油門(mén)起步仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of the medium throttle angle

圖9 中油門(mén)起步實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of medium throttle angle clu為離合器結(jié)合深度；clu is the clutch percentage.

從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，無(wú)論什么工況自動(dòng)離合器接合過(guò)程均在2s之內(nèi)完成，時(shí)間短，滑磨功小，有助于延長(zhǎng)離合器壽命。并且，離合器接合平順，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩波動(dòng)很小，坡道起步過(guò)程有一定的抖動(dòng)，也相對(duì)較小，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

圖10 坡道起步實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of the ramp

7 結(jié)論

本文提了科學(xué)合理的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，該流程是從模型仿真、快速原型、硬件在環(huán)和實(shí)車(chē)測(cè)試四個(gè)過(guò)程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。依據(jù)此流程對(duì)AMT自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣車(chē)，搭建了樣車(chē)的AMESim模型，運(yùn)用AMESim－Simulink聯(lián)合仿真對(duì)控制算法進(jìn)行初步標(biāo)定，之后對(duì)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)車(chē)測(cè)試。通過(guò)模型仿真和快速原型測(cè)試可以看出本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化控制算法應(yīng)用于AMT自動(dòng)離合器時(shí)，對(duì)于提高車(chē)輛的平順性有顯著的效果，同時(shí)可以明顯縮短離合器滑磨時(shí)間，減小滑磨功。并且此開(kāi)發(fā)流程科學(xué)的縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。

［1］ 胡川，汽車(chē)AMT自動(dòng)離合器控制算法研究及快速原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，碩士論文，華中科技大學(xué)，2007.

［2］ 溫新，電動(dòng)汽車(chē)離合器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，碩士論文，華中科技大學(xué)，2010.

［3］ B.－Z.Gao，H.Chen，X.－H.Lu and K.Sanada，An Improved Optimal Controller for Start－up of AMT Trucks in Consideration of Driver’s Intention，International Journal of Automotive Technology，Vol.14，No.2，pp.213？220.2013.

［4］ 雷玉龍，葛安林，李永軍，離合器起步過(guò)程的控制策略，汽車(chē)工程，Vol.22，No4，pp266－281.

［5］ 姚琳，微車(chē)自動(dòng)離合器電子控制單元，碩士學(xué)位論文，武漢理工大學(xué)，2010.

［6］ Bin Wang，Hanqi Yue，Qi Han，Bingzhao Gao，PID control of an electric clutch actuator，Applied Mechanics and Materials，v 190－191，p 719－723，2012，Digital Manufacturing and Automation III.

［7］ 余春暉，陳慧巖，丁華榮，車(chē)輛離合器起步階段模糊控制的研究，Vol.27，No4，pp423-430.