DCT整車起步控制策略及試驗

黃 偉，孫倫業(yè)，陳加超，徐瑞雪，尹良杰

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

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DCT整車起步控制策略及試驗

黃 偉1，孫倫業(yè)2，陳加超1，徐瑞雪1，尹良杰1

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

為了進一步優(yōu)化起步控制，分析了濕式雙離合器自動變速器的特點，建立了起步過程的動力學建模，以面向對象的思想劃分了DCT起步的四個階段并基于此制定了單離合器起步的控制策略，以江淮汽車自主研發(fā)的DCT為目標進行了策略的標定和試驗工作，通過優(yōu)化不同油門開度下的標定參數(shù)所得到的結果表明，本文提出的控制策略能很好的滿足濕式DCT汽車的起步性能要求。

DCT；面向對象；起步控制；標定

雙離合器自動變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是近年興起的一種自動變速器，其兼顧了手動變速器的高傳動效率和液力變矩器自動變速器的換擋舒適，且具有換擋速度更快的優(yōu)點[1-2]。起步控制是完成車輛從靜止到運動狀態(tài)切換的關鍵，涉及到離合器Kiss point點識別、離合器壓力控制及發(fā)動機扭矩控制。文獻[3]研究了兩個離合器同時滑摩，其優(yōu)點是在一定程度上減小了兩個離合器滑摩程度不同，且縮短了起步時間，提高了平順性；缺點則是邏輯設計和標定難度較大，如果兩個離合器的控制時序設計的不夠精細的話，會導致離合器的雙鎖死問題。文獻[4]通過DSP數(shù)據采集設備研究了斯柯達的起步過程，但是僅限于離合器的控制原則的試驗驗證。文獻[5]建立了起步過程的模糊控制器模型并仿真，但沒有對該控制策略進行實車驗證與標定。文獻[6]基于補償模糊神經網絡提出了基于油門變化率的起步控制策略，但是其沒有考慮該種算法在嵌入式控制系統(tǒng)中的計算負荷和通用性問題。

本文的研究基于單個離合器的控制，劃分了起步的四個關鍵階段，并分別進行控制。

1 起步過程動力學模型

車輛動力傳動系統(tǒng)是一個連續(xù)、復雜的多質量、多自由度系統(tǒng)，在建立其模型前需要對其進行簡化。為此，做如下4點假設：①系統(tǒng)是由無慣性的彈性環(huán)節(jié)和無彈性的慣性環(huán)節(jié)組成；②忽略軸的橫向振動；③忽略軸承和軸承座的彈性以及齒輪嚙合彈性；④忽略系統(tǒng)的間隙和阻尼；根據以上假設，將系統(tǒng)簡化為一個離散化的當量系統(tǒng)。離合器主動軸之前的參數(shù)或變量向主動軸轉化，即向發(fā)動機轉化；離合器從動軸之后的參數(shù)或變量向從動軸轉化，即向車輛進行轉化?；谏鲜黾僭O，建立濕式雙離合器自動變速器系統(tǒng)的換檔動力學模型簡圖，如圖 1所示。

圖1 DCT換擋動力學模型簡圖

圖1中各符號的意義為

Te為發(fā)動機輸出扭矩，Nm；Tc1為離合器傳遞的扭矩，Nm；Tc2為離合器官傳遞的扭矩，Nm；Tout為輸出到車輛的扭矩，Nm；Ts為滑摩控制扭矩，Nm；T11、T21為離合器1和2的主動盤扭矩，Nm；T12、T22為離合器1和2的反作用扭，Nm；Tw為折算到車輪輪軸上的扭矩，Nm；ωe發(fā)動機角速度，rad/s；ωc1為離合器1的角速度，rad/s；ωc2為離合器2的角速度，rad/s；ωout為輸出軸的角速度，rad/s；Ie為發(fā)動機和離合器主動部分的轉動慣量，kg·m2；Ic1為離合器1從動部分的轉動慣量，kg·m2；Ic2為離合器2從動部分的轉動慣量，kg·m2；Iw為車輪的轉動慣量，kg·m2；i1為包含1擋、主減速器的總傳動比；io為主減速比。

本文以一檔起步為例，根據不同的階段，列出如下動力學方程：

1) 起步準備階段

Tout=Tc1=0

ωc1=0

2) 轉速快速提升和預同步閉環(huán)調節(jié)階段

3) 同步后的滑摩控制階段

2 起步控制策略

起步控制反映的是駕駛員希望車輛從靜止到運動這一過程的快慢程度，即通過操作中小油門，駕駛員希望比較平穩(wěn)柔和的起步感覺，而通過操作大油門甚至全油門，駕駛員希望得到響應迅速，帶有運動感的起步感覺[7]。基于此，借鑒軟件工程領域的面向對象的設計思想，把起步劃分為四個階段，分階段控制發(fā)動機轉速與變速箱輸入軸轉速，進而控制影響其的發(fā)動機扭矩、離合器油壓、滑摩率等參數(shù)，從而保證起步過程平穩(wěn)且響應迅速。圖2所示為一個典型的1擋起步操作的控制過程。

圖2 起步過程示意圖

1) 起步準備階段：離合器1控制油壓預充的半聯(lián)動點，以節(jié)約起步的準備時間，同時為整車的起步做準備。

2) 發(fā)動機轉速快速提升階段：根據駕駛員踩下油門踏板的開度大小和變化斜率，系統(tǒng)通過查表得出目標發(fā)動機轉速和轉速上升的斜率，根據此目標轉速和當前實際發(fā)動機轉速，得到期望的離合器壓力，當發(fā)動機輸出正扭矩，同時TCU減小離合器的油壓，其產生的共同作用就是使得發(fā)動機的轉速快速提升，滿足駕駛員快速起步的需求。

3) 轉速預同步閉環(huán)調節(jié)階段：當發(fā)動機轉速提升到與期望轉速的差值小于150 r·min-1之內時，進入轉速同步前的閉環(huán)PID控制階段，以該轉速差為輸入量，通過標定試驗對P、I、D項的參數(shù)進行優(yōu)化，目標是使轉速同步過程平順，無沖擊，為進入滑摩控制做準備。在此階段，由于實際發(fā)動機轉速與期望轉速的差值已經很小(150 r·min-1以內)，所以離合器的壓力此時已經基本上恢復到傳遞發(fā)動機扭矩所需的水平。

4) 轉速同步后的滑摩控制階段：該階段的控制基于離合器的主動盤和從動盤角速度的滑差，滑摩控制的目標是保持轉速差在一個合理的范圍內，既保證DCT的高傳動效率，又保證良好的舒適性，通過滑摩過濾來自傳動系統(tǒng)的隨機激勵，以達到良好的駕駛舒適性，在本文的模型中，滑摩率設定為0.9%。此階段離合器壓力主要基于所傳遞的發(fā)動機扭矩，外加滑摩控制的調節(jié)扭矩，可以認為此時處于“剛性”連接的狀態(tài)。

圖3 起步控制邏輯框圖

圖3所示為起步過程的控制邏輯框圖，基于此框圖，建立Simulink/Stateflow仿真模型驗證策略的效果(見表1)。

表1 各Map圖的含義匯總

其中，起步控制策略的關鍵點在于：對第一階段，離合器預充油至當前變速箱油溫對應的半聯(lián)動點壓力以下約5kPa，不可以過充或壓力充不到目標值，前者會導致意外的沖擊，后者則會導致起步響應滯后；第二階段，其控制原則是根據油門開度和變化率確定對應于不同的發(fā)動機扭矩，離合器扭矩的變化幅度，離合器扭矩又對應著離合器的實際工作壓力；第三階段，關鍵是設定合適的轉速差閾值，閾值太小留給PID控制器進行調節(jié)的時間就很短，可能會導致超調，而如果閾值偏大，則過早的進行調節(jié)，也會影響轉速同步的穩(wěn)定性，在確定了閾值后，使輸入軸轉速和發(fā)動機轉速同步的PID控制器調節(jié)參數(shù)就需要進行精調了；第四階段，設定合適的滑摩率和滑摩調節(jié)參數(shù)，保證較高的傳動效率和過濾一部分來自傳動系的擾動的能力，即取得一個合理的平衡。

3 試驗結果與評價

基于前述的動力學方程和控制策略，以搭載江淮汽車自主研發(fā)的DFT630濕式雙離合器自動變速箱的某車型為研究載體，在Matlab/Simulink/Stateflow[8]和TargetLink仿真及代碼生產工具鏈上完成了扭矩控制、離合器壓力控制、檔位控制、駕駛員起步踏板開度、轉速同步及滑摩控制等模塊的軟件開發(fā)，將控制軟件下載到TCU中，通過標定的優(yōu)化，得到了三種典型油門(10%、50%、100%)開度下的起步工況數(shù)據，以沖擊度和滑摩功[9]為評判依據，評價本文設計的起步控制策略的控制效果。

3.1 評價指標

沖擊度和滑摩功是DCT控制品質評價的兩個關鍵維度。沖擊度是車輛縱向加速度對時間的導數(shù)，這種運算把道路不平引起的彈跳和顛簸等加速度干擾排除在外，能夠客觀地反映駕駛員對來自于變速箱的沖擊的感覺。其計算公式為

而滑摩功則定義為離合器主從動盤間滑動摩擦力矩所做功的大小，其客觀反映了由于摩擦導致的能量損耗，顯然，滑摩功應該盡可能的小，以避免不必要的摩擦損失。其計算公式為

3.2 試驗結果

在某試驗樣車上對起步控制相關標定參數(shù)進行優(yōu)化，得到了三種典型的油門開度(分別為10%、50%、100%)下發(fā)動機轉速與變速箱輸入軸轉速、離合器期望壓力與實際壓力、沖擊度、滑摩功的結果，結合駕駛員主觀駕駛評價，在各典型油門下起步響應及時、平順，基本沒有令駕駛員感到不適的沖擊、頓挫或加速遲滯，圖4～圖6分別為測試結果和計算結果。

t/s1. 發(fā)動機轉速；2. 輸入1軸轉速；3. 輸入1軸轉速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實際離合器壓力

t/s

t/s圖4 10%油門起步(轉速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

t/s1. 發(fā)動機轉速；2. 輸入1軸轉速；3. 輸入1軸轉速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實際離合器壓力

t/s

t/s圖5 50%油門起步(轉速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

t/s1. 發(fā)動機轉速；2. 輸入1軸轉速；3. 輸入1軸轉速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實際離合器壓力

t/s

t/s圖6 100%油門起步(轉速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

在起步過程中二軸轉速有一個掉坑然后又恢復的過程，這是由于變速箱的倒擋和一擋布置在一根軸上，所以一軸剛開始旋轉時二軸會同步旋轉，等到滿足預掛二擋的條件時，從倒擋切換到二擋，于是就出現(xiàn)了圖中的現(xiàn)象。圖4中轉速同步成功后，1軸轉速略大于發(fā)動機轉速，這是由于此時滑摩控制器在進行調節(jié)，主觀感受不到發(fā)動機被拖曳的感覺；而圖4中的離合器壓力曲線在4s后才真正進入起步控制，0～4s內都是處于蠕動狀態(tài)，這從1軸的轉速曲線可以看出。

4 結束語

起步控制是濕式DCT控制過程中的重點和難點，須兼顧起步的響應速度和舒適性。其影響因素包括發(fā)動機輸出扭矩、離合器的半聯(lián)動點對應的離合器壓力值、充油響應速度和精度、滑摩控制精度等很多方面。本文采取單一離合器起步的控制方式，分析起步的四個階段中發(fā)動機轉速和輸入軸轉速的關系及為了達到此種目標所需要的各階段的扭矩控制和離合器壓力控制的策略，通過對發(fā)動機控制器和變速箱控制器的聯(lián)合標定，確定了比較理想的控制參數(shù)組合。試驗結果表明，控制策略是可行的，起步控制效果良好，符合駕駛員對車輛起步的快速性和平順性要求。而影響起步過程的其他因素如離合器半聯(lián)動點與變速箱油溫的關系及充油響應精度等，還有待下一步工作的研究分析。

[1] LECHNER G, NAUNHEIMER H.Automotive Transmissions: Fundamentals, Selection, Design and Application[M]. New York: Springer, 1999：8-200.

[2] MATTHES B. Dual clutch transmissions-lessons learned and future potential [J]. Sae Transactions, 2005,114：941-952.

[3] 胡豐賓，孫冬野，秦大同，等. DCT 雙離合器聯(lián)合起步模式建模與仿真[J]. 江蘇大學學報(自然科學版)，2010，31(1)：19-25.

[4] 遲寶山，華玉龍，孫偉，等. 濕式雙離合自動變速器起步控制策略研究[J]. 機械傳動，2012(11)：40-43.

[5] 吳剛，汪靜嫻. DCT起步與換檔仿真分析[J]. 上海汽車，2012(1)：54-57.

[6] 孫賢安，吳光強. 基于補償模糊神經網絡的汽車雙離合器式自動變速器起步控制策略研究[J]. 汽車技術，2011(5)：5-10.

[7] 程秀生，馮巍，陸中華，等.濕式雙離合器自動變速器的起步控制[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2010，31(2)：145-149.

[8] 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機輔助設計-Matlab語言與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2012：9-100.

[9] 劉永剛. 轎車雙離合器自動變速系統(tǒng)綜合匹配控制研究[D]. 重慶：重慶大學，2010：53-58.

(責任編輯：李 麗，范 君)

Strategy and Verification of Launch Control Logic in DCT Vehicle

HUANG Wei1, SUN Lun-ye2, CHEN Jia-chao1, XU Rui-xue1, YIN Liang-jie1

(1.Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO.,LTD, Hefei Anhui 230022, China; 2. School of Mechanical Engineering，Anhui Technical University, Huainan Anhui 232001, China)

In order to further optimize the initial control, based on the analysis of wet dual clutch transmission’s working principle, this paper set up the dynamic equations during launch phase, divided the launch into four steps and raised the strategy adopting the object oriented programming principle. After that the calibration and test verification of the model were finished in the test vehicle of Jianghuai Automotive Company. With the optimization of the parameters in different gas pedals, the vehicle can get good launch performance and quality working with the strategy and model raised in the paper.

dural clutch transmission; object oriented; launch; calibration

2015-11-13

黃偉(1982-)，男，安徽定遠人，工程師，碩士，研究方向：動力總成控制策略開發(fā)與驗證。

U463.21

A

1672-1098(2016)05-0035-05