基于CAN總線控制的ZF AMT的匹配與應(yīng)用

黃志剛（東風(fēng)商用車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

基于CAN總線控制的ZF AMT的匹配與應(yīng)用

黃志剛
（東風(fēng)商用車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

本文基于對(duì)ZF 12檔AMT的匹配與應(yīng)用，在介紹CAN通信相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)AMT的基本控制原理、車輛起步，升、降檔過程及優(yōu)化標(biāo)定起步檔位、換檔時(shí)間等進(jìn)行分析研究。

AMT結(jié)構(gòu)；控制原理；標(biāo)定與性能優(yōu)化

黃志剛

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心底盤開發(fā)部主管工程師，主要研究方向： 底盤傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)。已發(fā)表文章數(shù)篇，2010至今獲東風(fēng)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；發(fā)明、實(shí)用新型專利等8項(xiàng)，公司絕密級(jí)專有技術(shù)3項(xiàng)。

1　引言

隨著汽車控制局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）在汽車上的應(yīng)用推廣，機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated manual transmission，簡稱AMT）技術(shù)作為車輛智能傳動(dòng)的核心技術(shù)之一，應(yīng)用日益廣泛。AMT是在傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器基礎(chǔ)上集成了自動(dòng)換檔模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔功能。相比較傳統(tǒng)變速器，AMT具有如下優(yōu)勢：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、操作方便；

（2） 降低燃油油耗；可減少駕駛員熟練程度對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

（3） 延長離合器使用壽命；

（4） 駕駛舒適性好、降低駕駛員疲勞強(qiáng)度；

本文在介紹CAN通信相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ZF 12檔AMT的匹配與應(yīng)用，對(duì)AMT的基本控制原理、車輛起步，升、降檔過程，優(yōu)化標(biāo)定起步檔位、換檔時(shí)間等進(jìn)行分析研究，對(duì)于ZF AMT技術(shù)的在整車上的商品化應(yīng)用以及東風(fēng)AMT核心控制技術(shù)的開發(fā)有積極的參考意義。

2　CAN總線的特點(diǎn)與通信協(xié)議

由于現(xiàn)代汽車的技術(shù)水平大幅提高，要求能對(duì)更多的汽車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，因而汽車控制器（ECU）的數(shù)量在不斷的增多，從開始的幾個(gè)發(fā)展到幾十個(gè)。ECU數(shù)量的增加，使得它們互相之間的信息交換也越來越密集。

車上的布線空間有限，CAN-Bus系統(tǒng)的連接方式采用串行方式，不同ECU之間的信息傳送方式是廣播式傳輸。也就是說每個(gè)ECU不指定接收者，把所有的信息都往外發(fā)送；由接收ECU自主選擇是否需要接收這些信息。

AMT變速箱控制單元（TCU）屬于總線上的一個(gè)控制單元，與CAN網(wǎng)絡(luò)上的其他用戶之間的數(shù)據(jù)交換當(dāng)然也遵循上述規(guī)則，相關(guān)內(nèi)容SAE J1939協(xié)議上有明確規(guī)定。

3　ZF AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZF AMT系統(tǒng)由機(jī)械變速器本體和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋需要的各個(gè)模塊組成。包括TCU控制單元（AMT ECU的簡稱），換檔執(zhí)行器和離合器執(zhí)行器執(zhí)行單元；除此以外，還有人機(jī)操作界面，檔位選擇器（控制臺(tái)開關(guān)）、檔位顯示器、連接線束等外部設(shè)備也必須安裝到車輛上。

TCU：作為自動(dòng)換檔控制的核心，接收并處理來自CAN總線及AMT內(nèi)部的各種信息的各種需信息。

執(zhí)行單元：接受TCU指令，驅(qū)動(dòng)離合器分離、接合及換檔動(dòng)作。

人機(jī)操作界面：包括檔位選擇器、旋鈕開關(guān)、檔位顯示。檔位選擇器用于手動(dòng)干預(yù)選、換檔，旋鈕開關(guān)用于駕駛模式的選擇，包括前進(jìn)、倒退及蠕動(dòng)模式等。檔位顯示用于提示駕駛員當(dāng)前車輛的檔位信息。

4　ZF AMT控制基本原理

通過CAN總線將車輛各ECU連接成網(wǎng)絡(luò)，AMT TCU作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以接收其他接點(diǎn)通過CAN總線發(fā)出的信息，TCU通過對(duì)以上接收的各種信息進(jìn)行綜合處理，控制離合器執(zhí)行器來分離離合器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)變速器執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)選檔和換檔動(dòng)作。

AMT要實(shí)現(xiàn)智能換檔，TCU除了對(duì)其自身檔位信息、變速器一軸轉(zhuǎn)速、離合器位置及氣壓等信息進(jìn)行采集外，還需要接收總線上其它控制器（EECU、ABS、EBS、Retarder等）發(fā)出的信息，比如油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速以及是否有輔助制動(dòng)工作等。

4.1TCU對(duì)離合器執(zhí)行器的控制

對(duì)離合器執(zhí)行器的控制是AMT自動(dòng)換檔控制的關(guān)鍵內(nèi)容，關(guān)系到起步平順性及換檔品質(zhì)。

ZF AMT的離合器執(zhí)行器集成了氣缸、活塞、行程傳感器以及兩組共四個(gè)電磁閥，用于離合器的分離與接合控制。下圖4為離合器執(zhí)行器的內(nèi)部原理圖。

ZF AMT對(duì)車輛氣壓要求為7.0-12.0Bar，為了保證氣壓穩(wěn)定可靠，氣路增加了單向閥。MV1、MV2、MV3、MV4為四個(gè)電磁閥，用于TCU對(duì)氣缸進(jìn)、排氣的控制，由于四個(gè)電磁閥通徑不同，相同時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量也不相同。另外通過電磁閥開閉時(shí)間的長短，也可調(diào)節(jié)離合器執(zhí)行器的氣缸進(jìn)氣量與進(jìn)氣時(shí)間。

車輛起步過程中，根據(jù)司機(jī)對(duì)油門開度的控制，TCU控制單元識(shí)別其駕駛意圖，開始執(zhí)行離合器動(dòng)作。離合器的接合可分為消除自由間隙、相對(duì)滑磨和同步接合三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)快、慢、快三個(gè)過程，在離合器達(dá)到半接合點(diǎn)以前，離合器未接合，此過程希望盡可能快，而當(dāng)離合器到達(dá)半接合位置后，主、從動(dòng)部分開始接合，此時(shí)又需要根據(jù)控制目標(biāo)進(jìn)行滑磨精確控制，此過程緩慢接合，以減少?zèng)_擊。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速一致時(shí)，滑磨過程結(jié)束后，此時(shí)離合器應(yīng)快速接合并壓緊。

ZF AMT采用了閉環(huán)控制，通過對(duì)離合器當(dāng)前位置及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩、駕駛員請(qǐng)求的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等的監(jiān)測反饋，來判斷當(dāng)前所處階段，與控制目標(biāo)進(jìn)行比較，來實(shí)時(shí)調(diào)整接合速度。圖5為離合器執(zhí)行器控制原理圖。

4.2TCU對(duì)換檔執(zhí)行器的控制

ZF AMT換檔執(zhí)行器有四個(gè)氣缸，分別驅(qū)動(dòng)主箱、前、后副箱換檔動(dòng)作及主箱的選檔動(dòng)作。不同氣缸都由相應(yīng)的電磁閥的開閉狀態(tài)控制進(jìn)、排氣，組合起來實(shí)現(xiàn)12個(gè)檔位的選、換檔動(dòng)作。

TCU根據(jù)換擋策略給出的目標(biāo)擋位、離合器狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速等信息，來控制電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)各個(gè)擋位的選換擋操作。ZF AMT各氣缸同時(shí)集成了位置傳感器，TCU精確監(jiān)測各氣缸活塞所處位置，通過內(nèi)部邏輯來判斷變速箱當(dāng)前所處檔位。

換擋執(zhí)行器的控制分為三部分：摘擋、選擋、掛檔。摘擋是指從當(dāng)前擋位上退回到空擋位置，選擋是換擋撥塊調(diào)整到目標(biāo)擋位對(duì)應(yīng)的空擋位置，掛擋是指掛入目標(biāo)擋位（使齒輪完成嚙合）。

4.3TCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EECU的控制

AMT換檔過程中，需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩來配合，使輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速差盡可能小，以降低換檔沖擊、縮短換擋時(shí)間。下面以圖7和圖8描述的AMT變速器一個(gè)升擋過程（9擋升到10擋）為例來介紹。

TCU采集的信息包括：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩。TCU發(fā)出的CAN信號(hào)主要有AMT請(qǐng)求的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩/轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)先控制模式及換擋進(jìn)程等。在該換擋過程中TCU通過CAN總線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)請(qǐng)求扭矩控制和速度控制。其中，換擋進(jìn)程表示換擋正在進(jìn)行中，包含從離合器分離、變速器選擋和換擋、再到離合器完全接合的一個(gè)完整的換擋過程。換擋進(jìn)程信號(hào)的含義如下：0表示換擋完成，1表示換擋在進(jìn)行中。

圖7中換擋進(jìn)程顯示完整的換擋時(shí)間為2.8s（第1秒至第3.8秒）。當(dāng)接受到新的目標(biāo)檔位時(shí)，換擋進(jìn)程信號(hào)置為1，表示進(jìn)入換擋過程中。此時(shí)因離合器仍在傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，如果突然分開離合器，將導(dǎo)致離合器總成因傳遞的扭矩突然卸載而引起車輛振動(dòng)。因此，離合器分離前，首先應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行卸載。如圖7和圖8所示，進(jìn)入換擋過程中，TCU首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩控制（發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)先控制模式為2，即二進(jìn)制的10），按照一定的斜率請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行卸載。從圖8可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩響應(yīng)AMT請(qǐng)求扭矩，按照要求的扭矩下降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩低于一定值后，開始快速分離離合器。從圖7可以看到，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，可見離合器分離過程很平順。離合器完全分離后，從第1.5秒開始至第2.5秒，TCU以換擋后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)（約1090 rpm）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制（發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)先控制模式為1，二進(jìn)制01），使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨近并保持與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速一致，以便迅速結(jié)合離合器。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過約1.2秒，降低到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時(shí)離合器可迅速接合。此時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，一方面可以減少換擋時(shí)間，同時(shí)可降低離合器結(jié)合過程中的抖動(dòng)。

從第2.5秒開始至3.8秒，AMT開始采用扭矩控制，要求發(fā)動(dòng)機(jī)按照給定的斜率恢復(fù)扭矩。圖8中的兩條扭矩曲線較吻合，顯示發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)較快。整個(gè)換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速都很平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，顯示換擋過程控制良好，無抖動(dòng)和沖擊。

5　換檔過程參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化

5.1起步檔位優(yōu)化

理想條件下，TCU根據(jù)路面坡度及車輛載荷，計(jì)算得出起步檔位。但實(shí)際使用過程中，離合器的使用工況比理想中要復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)超載，頻繁起步等惡劣工況；可根據(jù)車輛工作情況，進(jìn)行動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，同時(shí)考慮目標(biāo)結(jié)合轉(zhuǎn)速下離合器滑磨功情況，根據(jù)二者的計(jì)算比較，來修正車輛的起步檔位。

起步坡度的計(jì)算：一般會(huì)標(biāo)定一個(gè)起步轉(zhuǎn)速，按照該轉(zhuǎn)速可以從發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上查出相應(yīng)的扭矩/功率，該扭矩/功率大于該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)擋位、車速的驅(qū)動(dòng)功率即可以起步，同時(shí)還需要考慮滑摩功在可接受范圍內(nèi)。坡度越大，起步轉(zhuǎn)速越高。

圖9、10分別為一個(gè)起步檔位優(yōu)化的案例，優(yōu)化前后，對(duì)應(yīng)坡度范圍及車輛載荷下，車輛的起步檔位MAP。

5.2換檔時(shí)間優(yōu)化

在變速器升擋過程中，需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，一般對(duì)策為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，通過發(fā)動(dòng)機(jī)及附件的摩擦?xí)r發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；但是，這種方法往往耗時(shí)較長，此時(shí)，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)來促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如圖11所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降期間，TCU通過CAN總線請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作，以一定的制動(dòng)扭矩使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速降至控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而縮短了動(dòng)力中斷時(shí)間。

圖11為是發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)參與升擋（9擋到10擋）過程，在該過程中標(biāo)定了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)介入的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差值、請(qǐng)求的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩map圖、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)退出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差值等參數(shù)，從圖上看出換擋時(shí)間共2.3秒。

圖12顯示從第2.1秒至3.1秒，AMT TCU通過總線向EECU發(fā)指令，請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩可在總線中讀?。?/p>

報(bào)文： ERC1_ER， Byte2 標(biāo)識(shí)符：18 F0 00 0F或18 F0 00 29。

從圖12可以看出，由于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，大約用時(shí)0.8秒。從圖7和圖11的對(duì)比可知，變速器升檔過程中，采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)輔助降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可使整個(gè)換擋時(shí)間降低約0.5秒。

6　結(jié)論及建議

本文介紹CAN總線通訊的基礎(chǔ)上，接合ZF 12檔AMT在整車上的匹配與應(yīng)用，對(duì)ZFAMT的基本控制原理進(jìn)行了初步分析，并在試驗(yàn)過程中對(duì)車輛的起步檔位及換檔時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)定與優(yōu)化。

（1）了解CAN總線及SAE 1939通信協(xié)議相關(guān)知識(shí)，對(duì)于分析自動(dòng)控制變速器工作過程有重要意義。

（2）AMT換檔控制是一個(gè)復(fù)雜的控制工程，涉及到多種信號(hào)的接收與處理，在此基礎(chǔ)上對(duì)離合器執(zhí)行器及選、換檔執(zhí)行器進(jìn)行控制，達(dá)到準(zhǔn)確換檔的目的。

（3）起步檔位優(yōu)化，對(duì)于提高車輛離合器使用壽命及車輛平順性改善明顯；換檔時(shí)間的優(yōu)化，可以減少換檔過程中的動(dòng)力中斷時(shí)間，可以提升車輛動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。

（4）后續(xù)需要對(duì)離合器執(zhí)行器具體的精確控制過程進(jìn)行詳細(xì)研究，進(jìn)一步優(yōu)化離合器的控制過程。

［1］ ZFAMT 技術(shù)應(yīng)用手冊(cè).

［2］張洪坤、李文軍等，CAN 總線在電控機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003.31.

［3］郭立書、葛安林等，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器換檔過程控制. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003年1月.

［4］甘海云、張俊智等，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的換檔品質(zhì)控制.汽車工程，2003，No.5.

［5］雷雨龍等，電控液壓式離合器執(zhí)行器精確接合控制的研究 SAE 2005-01-1787.

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張凡武：

該論文介紹了ZF 某12檔AMT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制器功能和控制原理，重點(diǎn)論述了對(duì)離合器和選、換檔機(jī)構(gòu)控制及與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，并結(jié)合在整車上的實(shí)際匹配應(yīng)用，在標(biāo)定試驗(yàn)中對(duì)車輛的起步檔位及換檔時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了提升車輛駕駛性、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性目的。論文介紹的內(nèi)容對(duì)其他開展AMT控制研究與應(yīng)用的工

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HUANGZhi-gang
（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，DFCV，Ltd. Wuhan， Hubei 430056）

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1005-2550（2015）05-0046-05

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