基于發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的AMT換擋策略研究

黃岡

摘要： 為了改善電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）的換擋品質(zhì)，分析了換擋過程理想狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化的特性曲線，制訂了基于CAN總線的換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。提出在換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)減載和加載階段通過變速箱干預(yù)轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行短時(shí)的協(xié)調(diào)控制，空載階段采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。為驗(yàn)證該策略的有效性，基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)搭建了仿真模型，以升檔為例，對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略能夠滿足實(shí)時(shí)性要求，減小離合器滑磨，有助于提高AMT的換擋品質(zhì)。

Abstract： In order to improve the shift quality of the automated mechanical transmission（AMT）， the ideal speed and torque curves of engine during gear shifting process was analyzed. And a CAN bus-based engine coordinated control strategy for gear shifting is worked out. In this paper， an engine coordinated control strategy was introduced for gear shifting process while load and unload conditions were discussed respectively. To be specific， engine torque output was temporarily controlled by transmission coordinated torque during engine loading and shedding process and PID loop control of speeds was applied in the no-load time. The validity of the presented strategy is demonstrated by simulation based on MATLAB/Simulink， which focused on upshift progress. The results show that the proposed strategy could meet real-time requirements， reduce clutch slipping and improve the shift quality of AMT.

關(guān)鍵詞： AMT；CAN總線；變速箱干預(yù)轉(zhuǎn)矩；協(xié)調(diào)控制；PID

Key words： AMT；CAN bus；transmission coordinated torque；coordinated control；PID

中圖分類號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0100-04

0 引言

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）是在傳統(tǒng)的有級(jí)式手動(dòng)齒輪式變速器基礎(chǔ)上加裝自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)改進(jìn)而來的，具有操作方便、制造成本低、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于AMT是有級(jí)式變速器，因此，在換擋過程中存在傳動(dòng)比的突變，從而引起換擋沖擊，降低了駕乘的舒適性和換擋平順性[1]，所以在AMT換擋過程中需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

在此前的研究中，關(guān)于換擋過程的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制有一定的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2][3]通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以改善換擋品質(zhì)，這種方式是一種慢轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式，對(duì)于有限的換擋時(shí)間來說顯然達(dá)不到期望的控制精度和響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[4]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開展了開環(huán)斷油控制，文獻(xiàn)[5]開展了模糊控制，文獻(xiàn)[6]開展了自適應(yīng)算法控制，但是這幾種方式只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行干預(yù)，容易在換擋過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩突變。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于CAN的ECU轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制技術(shù)不斷完善，通訊協(xié)議逐漸開放，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)允許根據(jù)傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)矩需求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行短時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制[6，7]。在此基礎(chǔ)上，文中提出一種ECU通過CAN總線傳遞來的一組TCU換擋請(qǐng)求信號(hào)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的不同換擋階段采取轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制相結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，可明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制精度與響應(yīng)速度，并改善了AMT換擋品質(zhì)。

1 換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，對(duì)于AMT車輛換擋過程的基本要求是：換擋過程應(yīng)盡量迅速完成，以減少離合器的磨損，減小換擋期間因動(dòng)力中斷所引起的速度損失，換擋過程應(yīng)盡量平穩(wěn)地過度，以提高換擋平穩(wěn)性，根據(jù)這一要求，采用沖擊度j和滑磨功W作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 沖擊度

式中：Tc為離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度，ωc為離合器從動(dòng)盤角速度，t0為離合器從開始滑磨到主、從動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速完全同步所用時(shí)間。

從式（2）可以看出摩擦功主要與滑磨時(shí)間，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)角速度和離合器從動(dòng)盤角速度差Δω=ωe-ωc相關(guān)。因此，在換擋過程中迅速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，減小速度差Δω，可以有效地減少滑磨時(shí)間和滑磨功[9]。

2 AMT換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略分析

2.1 換擋過程協(xié)調(diào)控制原理

AMT汽車換擋過程中，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與離合器協(xié)調(diào)控制的基本條件是通過CAN總線使ECU與TCU之間進(jìn)行通信。在換擋過程中，當(dāng)達(dá)到換擋條件后，TCU根據(jù)車輛的行駛工況通過CAN總線向ECU發(fā)出換擋請(qǐng)求控制信號(hào)、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、離合器位移等信號(hào)，ECU接收到TCU的指令后，允許變速箱干預(yù)轉(zhuǎn)矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行短時(shí)的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)，ECU將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給TCU。TCU接收到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的信息后，根據(jù)離合器轉(zhuǎn)矩傳遞規(guī)律，對(duì)離合器結(jié)合速率進(jìn)行控制并執(zhí)行自動(dòng)換擋操作。圖1是換擋過程中TCU和ECU之間相互協(xié)調(diào)控制的示意圖。endprint

2.2 換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制目標(biāo)

變速箱換擋過程中，無論是升檔還是降擋，發(fā)動(dòng)機(jī)都要經(jīng)歷減載、空載、加載3個(gè)階段。理想的換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性由圖2所示。

第一階段：減載。當(dāng)達(dá)到換擋條件后，TCU會(huì)控制離合器主、從動(dòng)盤進(jìn)行分離。離合器分離階段控制目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，TCU控制離合器在盡量短的時(shí)間內(nèi)分離，保證車輛不能出現(xiàn)明顯的減速?zèng)_擊，防止出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突然上升或發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖現(xiàn)象。

第二階段：空載。離合器完全分離后，由TCU執(zhí)行選擋，掛擋操作。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，如果不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，將會(huì)造成飛車現(xiàn)象?？蛰d階段，發(fā)動(dòng)機(jī)需要根據(jù)TCU傳遞的新檔位下目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到新檔位下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，這樣能夠減少離合器在結(jié)合時(shí)的滑磨功，加速離合器主、從動(dòng)盤同步，減少換擋時(shí)間。

第三階段：加載。選、掛擋完成后，離合器的主、從動(dòng)盤開始結(jié)合。加載階段，發(fā)動(dòng)機(jī)需要逐漸增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，保持新檔位下的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。當(dāng)離合器主、從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速同步后，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速恢復(fù)到駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩。

2.3 換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)上面對(duì)換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的特性分析可知，ECU協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速需要根據(jù)TCU傳遞過來的離合器位移信號(hào)來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于哪一階段，在不同階段采取轉(zhuǎn)矩控制或轉(zhuǎn)速控制模式。在以往對(duì)離合器控制規(guī)律的研究中，離合器的分離或結(jié)合的過程通常分為快-慢-快3個(gè)階段[10]。本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略的需要，將離合器的位移變化情況分為滑磨點(diǎn)（離合器剛好能夠傳遞轉(zhuǎn)矩的點(diǎn)，圖3中B點(diǎn)）前、后兩種狀態(tài)。當(dāng)離合器位移處于滑磨點(diǎn)前時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)處于接合狀態(tài)；當(dāng)離合器位移處于滑磨點(diǎn)后時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)處于斷開狀態(tài)。如圖3所示。

基于CAN總線的AMT換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)TCU傳遞得來的信息，首先判斷是否處于換擋階段，接著判斷是升檔協(xié)調(diào)控制請(qǐng)求還是降擋協(xié)調(diào)控制請(qǐng)求，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的不同換擋階段，采取不同的協(xié)調(diào)控制策略。各階段具體控制策略如下：

①在換擋過程中，當(dāng)離合器位移處于滑磨點(diǎn)前時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可能處于第一或第三階段，即減載或加載過程。

1）減載過程發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制模式。此時(shí)變速箱漸減干預(yù)轉(zhuǎn)矩開始采用斜坡函數(shù)Ramp減少，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行取小限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，轉(zhuǎn)矩斜坡減小的下限值為維持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速所需要的最小值。當(dāng)換擋結(jié)束后，變速箱漸減干預(yù)轉(zhuǎn)矩階躍為一個(gè)最大值，停止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的干預(yù)。

2）加載過程發(fā)動(dòng)機(jī)同樣采用轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制模式。與減載過程不同的是，此時(shí)變速箱漸增干預(yù)轉(zhuǎn)矩采用斜坡函數(shù)Ramp增加，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行取大限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)矩斜坡增加的上限值為換擋結(jié)束后駕駛員需求轉(zhuǎn)矩。當(dāng)檢測到離合器主、從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速同步后，變速箱漸增干預(yù)轉(zhuǎn)矩階躍到當(dāng)前油門開度下駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，迅速恢復(fù)車輛的動(dòng)力需求。換擋結(jié)束后，變速箱漸增干預(yù)轉(zhuǎn)矩階躍為一個(gè)最小值，停止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的干預(yù)。

②在換擋過程中，當(dāng)離合器位移處于滑磨點(diǎn)后時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于第二階段，即空載過程。

空載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制采用轉(zhuǎn)速控制模式。轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通常有兩種方式，一種方式為通過調(diào)節(jié)油泵齒條位置改變供油量來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；另一種方式為通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，間接達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。雖然兩種方式本質(zhì)上都是對(duì)供油量的改變來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，但隨著基于轉(zhuǎn)矩的發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法的發(fā)展以及共軌技術(shù)的廣泛應(yīng)用[11]，第二種方式更加方便整車電控單元的集成，因此，文中采用第二種方式對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速控制過程為：發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過CAN總線接收到TCU傳遞過來的新檔位下發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，根據(jù)不同的換擋要求，選擇不同的轉(zhuǎn)速控制策略，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)。目標(biāo)轉(zhuǎn)速的計(jì)算規(guī)則（假設(shè)換擋過程車速保持不變）：n1=·n0（3）

式中：n1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；n0為離合器分離時(shí)的輸出軸的轉(zhuǎn)速；ig0為換檔后的變速箱傳動(dòng)比；ig1為換擋前的變速箱傳動(dòng)比。

1）升檔（空載）時(shí)，需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到新檔位下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。為了減少換擋時(shí)間，迅速降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速差>閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采取斷油控制（令發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩階躍為0）；當(dāng)轉(zhuǎn)速差<閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)速能夠跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

2）降擋（空載）時(shí)，需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到新檔位下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只需采用轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速調(diào)節(jié)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

3 建模與仿真結(jié)果分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略建模

基于上節(jié)分析，以Simulink為建模工具，對(duì)AMT換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行建模。模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)矩模塊，升檔轉(zhuǎn)速控制模塊，降擋轉(zhuǎn)速控制模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)升轉(zhuǎn)矩模塊。

圖5為換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略總模塊，圖6、圖7分別為總模塊圖中的發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)矩模塊，升擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊；表1、表2分別為控制策略中的控制信號(hào)與標(biāo)定量。

3.2 仿真結(jié)果分析

將上述的換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略模型與項(xiàng)目組前期開發(fā)的整車模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。整車的仿真模型包含發(fā)動(dòng)機(jī)模型，離合器模型以及車輛動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)油門開度為50%時(shí)，2擋升3擋的仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中的仿真結(jié)果可見離合器的位移變化規(guī)律滿足“快—慢—快”的控制規(guī)律。由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩圖可知，在升檔減載過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在變速箱漸減干預(yù)轉(zhuǎn)矩的限制下，按照斜坡函數(shù)控制規(guī)律下降；空載階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為0（斷油控制），發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速快速下降到2600r/min，隨后平穩(wěn)下降致目標(biāo)轉(zhuǎn)速2430r/min附近；加載階段，輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)非常接近，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在變速箱漸增干預(yù)轉(zhuǎn)矩限制下逐漸上升，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也逐漸與輸入軸轉(zhuǎn)速開始同步，當(dāng)轉(zhuǎn)速同步后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速恢復(fù)到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，變速箱的干預(yù)轉(zhuǎn)矩停止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的干預(yù)控制。整個(gè)換擋過程時(shí)間在3秒之內(nèi)，沖擊度j<10m/s3，滿足換擋沖擊度推薦值的要求，說明整個(gè)換擋過程快速流暢、動(dòng)力性好、滑磨功小，驗(yàn)證了換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略的正確性與有效性。endprint

4 結(jié)論

文章通過分析在AMT換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化的特性曲線，將換擋過程劃分為3個(gè)階段。針對(duì)不同階段，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制模式，并得出以下結(jié)論：①換擋過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)減載、加載階段，通過變速箱干預(yù)轉(zhuǎn)矩，采用Ramp函數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，能夠有效地減小換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突變。②發(fā)動(dòng)機(jī)空載階段采用的轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制與斷油控制相結(jié)合的轉(zhuǎn)速控制策略，能夠快速地將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，有助于減小滑磨功。③針對(duì)AMT換擋過程提出的基于CAN總線的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略滿足換擋過程的控制需求，提升了換擋舒適性，并改善了AMT汽車的換擋品質(zhì)。

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