基于發(fā)動機聯(lián)合控制的AMT換擋控制策略

謝先平 梅近仁 李 君 王天生

（聯(lián)合汽車電子有限公司技術中心）

1 前言

與液力自動變速器、無級變速器及雙離合器自動變速器等自動變速器相比，機械自動變速器（AMT）結構簡單，傳動效率高，可基于現(xiàn)有MT升級改造，成本低，非常適合微型汽車和經(jīng)濟型車輛搭載。不足之處是AMT換擋動力存在一定中斷，影響換擋舒適性，特別是在駕駛員欲急加速的情況下，換擋動力中斷將影響駕駛感覺。減小AMT換擋動力中斷，提高換擋舒適性和動力性是提高AMT換擋品質(zhì)的關鍵。相比AT等變速器，AMT換擋過程中發(fā)動機需要進行扭矩干預控制，即離合器和發(fā)動機控制需緊密配合[1,2]。因此，AMT換擋品質(zhì)是由離合器控制和發(fā)動機控制共同決定的。此前的研究中，由于ECU中基于CAN總線的扭矩控制功能不開放，TCU只能通過調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門或外部強制斷油來實現(xiàn)發(fā)動機的扭矩協(xié)調(diào)控制，而發(fā)動機扭矩涉及到進氣、噴油、點火的復雜控制，TCU無法對發(fā)動機噴油量和點火提前角進行主動調(diào)節(jié)，因而無法實現(xiàn)對發(fā)動機扭矩的快速、精確控制[3,4]。另外一方面，TCU無法得到發(fā)動機精確扭矩信息，不能基于發(fā)動機扭矩對離合器進行精確控制。隨著ECU中CAN扭矩控制協(xié)議和功能的逐漸開放，基于發(fā)動機扭矩請求的AMT換擋控制成為趨勢，但相關文獻較少。本文從基于CAN總線的發(fā)動機扭矩控制角度出發(fā)，提出了一種發(fā)動機扭矩-離合器協(xié)調(diào)控制的換擋控制策略。

2 AMT換擋類型

AMT換擋目標是平順舒適、動力中斷小、離合器滑摩功小且能夠反映駕駛員意圖。上述目標在一定程度上是矛盾的，加大換擋過程中離合器分離及接合時間，可提高換擋平順性，但不能很好地反映駕駛員意圖，同時也會加大離合器滑摩，影響離合器壽命，因此AMT換擋過程需要進行綜合考慮。

AMT換擋工況多種多樣，為保證不同工況下都有較好的換擋品質(zhì)，應對不同換擋工況采取不同的控制策略，因此首先有必要區(qū)分并檢測AMT換擋工況。根據(jù)AMT換擋時刻車輛工況，本文將換擋工況分為4種基本情形。

a.動力ON升擋

換擋時刻發(fā)動機處于驅(qū)動工況，發(fā)動機驅(qū)動車輛，目標擋位增加。此工況一般為踩油門，車輛加速穿越升擋線，導致車輛升擋。動力ON升擋包括動力ON順序升擋和動力ON跳躍升擋。

b.動力OFF升擋

換擋時刻發(fā)動機處于倒拖工況，車輛倒拖發(fā)動機，目標擋位增加。此工況一般為急松油門，油門開度急劇減小穿越升擋線，導致車輛升擋。其包括動力OFF順序升擋和動力OFF跳躍升擋。

c.動力ON降擋

換擋時刻發(fā)動機處于驅(qū)動工況，發(fā)動機驅(qū)動車輛，目標擋位減小。此工況一般為急踩油門，油門開度急劇增大穿越降擋線，導致車輛降擋。其包括動力ON順序降擋和動力ON跳躍降擋。

d.動力OFF降擋

換擋時刻發(fā)動機處于倒拖工況，車輛驅(qū)動發(fā)動機，目標擋位減小。此工況一般為松油門車輛滑行或踩制動踏板制動，車速逐漸降低穿越降擋線，導致車輛降擋。其包括動力OFF順序降擋和動力OFF跳躍降擋。

除了以上基本換擋工況外，還包含有動力ON/OFF切換換擋工況。

3 基于CAN總線的發(fā)動機聯(lián)合控制策略

AMT換擋過程和MT類似，不同的是換擋過程中加速踏板位置保持不變，其間需要對發(fā)動機扭矩進行協(xié)調(diào)控制。

ECU具有精確的扭矩控制模型，可以通過對點火和進氣的調(diào)節(jié)實現(xiàn)扭矩的精確控制[5]。基于CAN總線的發(fā)動機協(xié)調(diào)控制可以利用ECU的扭矩協(xié)調(diào)功能進行精確的扭矩控制，即基于CAN通訊協(xié)議，TCU向ECU發(fā)送扭矩或轉速控制指令，ECU利用其相關協(xié)調(diào)功能通過同時調(diào)節(jié)點火角和進氣量，實現(xiàn)扭矩的快速、精確控制，實現(xiàn)對TCU的快速響應。同時，ECU向TCU發(fā)送發(fā)動機及車輛相關信息，如發(fā)動機扭矩、車速等。

本文對于發(fā)動機協(xié)調(diào)控制采取如下4種方式。

a.發(fā)動機正常工作模式

發(fā)動機扭矩控制不受TCU影響，完全由ECU進行控制。在非換擋工況，發(fā)動機工作于正常模式。

b.發(fā)動機扭矩控制模式

TCU通過CAN總線向ECU發(fā)出目標扭矩請求，ECU響應TCU的扭矩控制請求，同時ECU也會對TCU發(fā)出的目標扭矩進行必要的協(xié)調(diào)。發(fā)動機扭矩控制模式發(fā)生在離合器分離和接合控制階段。

c.發(fā)動機轉速控制模式

TCU通過CAN總線向ECU發(fā)出目標轉速請求，ECU根據(jù)TCU發(fā)出的目標轉速進行扭矩調(diào)節(jié)，使發(fā)動機轉速達到目標轉速。發(fā)動機轉速控制模式發(fā)生在選換擋及離合器初期接合階段。

d.爬行扭矩控制模式

爬行扭矩控制模式屬于增扭控制模式。TCU向ECU發(fā)出目標爬行扭矩請求，ECU響應TCU的增扭請求。爬行扭矩控制模式發(fā)生在爬行起步或坡道起步工況。

基于CAN總線的TCU-ECU聯(lián)合控制原理如圖1所示。

4 離合器分離階段聯(lián)合控制策略

AMT換擋過程分為3個階段：離合器分離階段（P1階段）、選換擋階段（P2階段）和離合器接合階段 （P3階段）。分離階段控制目標是發(fā)動機轉速平穩(wěn)，離合器在盡量短的時間內(nèi)分離且車輛不能出現(xiàn)明顯的減速沖擊。對于動力OFF換擋，控制相對簡單，對于動力ON換擋，需要對離合器分離過程和發(fā)動機降扭進行協(xié)調(diào)控制。若離合器分離過快，發(fā)動機扭矩降低慢，則會導致發(fā)動機轉速急劇上升，發(fā)動機產(chǎn)生轟響；若發(fā)動機扭矩降低過快，離合器分離慢，則發(fā)動機可能發(fā)生倒拖，使車輛產(chǎn)生制動感；若發(fā)動機扭矩降低和離合器分離都過慢，則會加大換擋時間，影響AMT換擋動力性。

離合器具有非線性的扭矩傳遞特性，根據(jù)車輛運行工況，離合器分離過程分成快-慢-快3個階段：

第1階段：離合器快速分離至與發(fā)動機扭矩匹配的接合位置（圖2中A點）。此目標位置可根據(jù)當前發(fā)動機扭矩和離合器扭矩傳遞特性計算得出，實際中可以通過臺架試驗標定得出。離合器分離速率取盡可能大的值，以減小第1階段的時間。

第2階段：離合器慢速分離，分離速率由油門開度和發(fā)動機當前瞬時扭矩決定。當前扭矩大，離合器分離速率慢，當前扭矩小，離合器分離速率快，使得離合器位置和發(fā)動機扭矩相適應，保證發(fā)動機轉速平穩(wěn)，也不下降過快，車輛無突然動力中斷的感覺。

第3階段：在離合器位置分離至滑摩點（即離合器剛能傳遞扭矩所對應的點，圖2中B點）后，快速分離至最小位置。離合器分離至滑摩點，離合器不傳遞扭矩，快速分離離合器有利于減小整個換擋時間。

發(fā)動機降扭控制策略：同離合器控制相對應，也分為3個階段進行控制。第1、2階段，當發(fā)動機轉速高于目標怠速轉速時，在離合器分離至滑摩點之前，發(fā)動機按照設定降扭速率進行降扭。發(fā)動機降扭速率由油門開度和發(fā)動機當前瞬時扭矩決定，油門開度大，發(fā)動機當前扭矩大，降扭速率越大，反之降扭速率小，以保證不同工況下整個降扭時間基本不變。第3階段，在離合器分離至滑摩點之后，令發(fā)動機目標扭矩為0，使發(fā)動機快速降扭，防止發(fā)動機不帶載轉速急劇上升，同時利用ECU的怠速控制功能進行轉速控制，防止發(fā)動機轉速過低。在整個過程中，若出現(xiàn)發(fā)動機轉速低于目標怠速的情況，為防止發(fā)動機熄火，令目標扭矩等于當前發(fā)動機最小扭矩，以維持發(fā)動機穩(wěn)定運轉。

5 發(fā)動機轉速控制策略

AMT在換擋時，由于換擋前、后車速基本不變而變速器速比發(fā)生變化，會導致?lián)Q擋前、后離合器輸入軸轉速發(fā)生跳變，如不對發(fā)動機轉速進行調(diào)節(jié)，在離合器接合時主、從動部分將會產(chǎn)生較大轉速差，延長離合器滑摩時間，增大離合器滑摩功[6]。為減小離合器接合時主、從動部分轉速差，在變速器選換擋階段及離合器接合空行程階段，需要對發(fā)動機轉速進行調(diào)節(jié)。發(fā)動機轉速調(diào)節(jié)可以有2種方式，一種方式是采用轉速控制方式，TCU只向ECU發(fā)送轉速控制指令和目標轉速，具體調(diào)節(jié)過程由ECU功能實現(xiàn)；第二種方式是采用扭矩控制方式，轉速調(diào)節(jié)功能由TCU完成，TCU將目標發(fā)動機扭矩發(fā)送給ECU，ECU根據(jù)目標扭矩指令進行扭矩控制，間接達到調(diào)節(jié)發(fā)動機轉速的目的。本文采用第一種方式，利用ECU所具有的轉速控制功能達到轉速調(diào)節(jié)的目的。

不同的換擋過程和換擋類型對于轉速控制的目的不同，對于動力ON升降擋而言，主要關注動力性，對于動力OFF換擋而言，主要關注換擋的平順性。因此對于不同的換擋類型應采取不同的轉速控制策略。

動力ON升擋：目的是降低發(fā)動機轉速，使之與換擋后的離合器輸入軸轉速接近，減小離合器主、從動部分轉速差。理論上，在選換擋階段，如果將發(fā)動機轉速調(diào)整為換擋后的離合器輸入軸轉速，則離合器主、從動部分轉速差最小，離合器可以快速接合，離合器滑摩功最小。測試中發(fā)現(xiàn)，這種情況下?lián)Q擋動力性較差，原因是發(fā)動機扭矩恢復慢且無法充分利用離合器的滑摩作用。如果合理利用離合器的轉速差及滑摩作用，則可以在發(fā)動機扭矩較小時使車輛獲得一定的驅(qū)動力，待離合器同步后，通過發(fā)動機扭矩的增加，來恢復車輛的驅(qū)動力。這樣既可以提高離合器接合初期的換擋動力性，又不至于產(chǎn)生過大的滑摩功。為增強動力ON升擋動力性，提出轉速控制策略如圖3所示。

動力OFF降擋：目的是提高發(fā)動機轉速，使之與換擋后的離合器輸入軸轉速接近。測試中發(fā)現(xiàn)，若目標轉速過低，則發(fā)動機轉速上升慢且幅度小，離合器接合過程中容易產(chǎn)生發(fā)動機倒拖感，車輛容易出現(xiàn)制動感，同時產(chǎn)生過大的滑摩功；若目標轉速過高，則發(fā)動機轉速可能過快上升，產(chǎn)生轟響，在離合器同步時還可能產(chǎn)生沖擊。特別是在2降1換擋工況，由于2擋和1擋速比相差很大，發(fā)動機轉速調(diào)整量很大，容易產(chǎn)生轟響，給人不舒服的感覺。為克服這兩種問題，動力OFF降擋目標轉速也需根據(jù)換擋工況進行調(diào)整。目標轉速具體算法與動力ON升擋相同，但需根據(jù)不同工況進行匹配。

動力ON降擋控制策略與動力ON升擋類似，目標轉速需要配得較高，以減小動力中斷的感覺。動力OFF升擋策略與動力OFF降擋類似，目標轉速需要配得較低，提高換擋平順性。

6 離合器接合階段聯(lián)合控制策略

離合器接合階段控制目標是發(fā)動機扭矩盡快恢復且轉速平穩(wěn)，離合器盡快接合同步，且車輛無沖擊，既具有較好的平順性，又具有較好的動力性。對于動力OFF換擋，控制相對簡單，主要在于離合器的接合控制，對于動力ON換擋，需要對離合器接合和發(fā)動機扭矩恢復進行協(xié)調(diào)控制。若離合器接合過快，發(fā)動機升扭慢，則會產(chǎn)生同步?jīng)_擊；若離合器接合過慢，發(fā)動機升扭快，則發(fā)動機轉速可能會急劇上升，加大滑摩時間和滑摩功，影響AMT換擋舒適性。根據(jù)離合器特性，離合器接合分成快-慢-快3個階段進行控制：

第1階段：快速接合至離合器滑摩點，消除空行程，縮短離合器接合時間。實際中為防止執(zhí)行機構超調(diào)，需要在滑摩點之前的某個位置（圖4中A點）結束快速接合控制而進行慢速接合控制。

第2階段：離合器滑摩階段，離合器慢速接合，接合速度根據(jù)油門開度和離合器主從動轉速差確定。對于某一換擋工況，換擋品質(zhì)的好壞可以從離合器主、從動轉速差的變化表現(xiàn)出來，其體現(xiàn)了發(fā)動機扭矩和離合器的配合狀態(tài)，在發(fā)動機扭矩恢復過程確定的情況下，可以很好地反映離合器的接合狀態(tài)。油門開度反映了駕駛員意圖，特別是對于動態(tài)工況，利用油門開度作為參數(shù)可以對換擋過程進行動態(tài)調(diào)節(jié)。油門開度越大，離合器總體上應接合快，反之應接合慢。對于穩(wěn)定油門換擋工況，換擋點基本固定，離合器主、從動轉速差大時，即離合器接合初期，離合器應快接合，提高換擋動力性；待離合器主、從動轉速差減小時，離合器應慢接合，防止產(chǎn)生同步?jīng)_擊。

第3階段：同步接合階段，離合器主、從動部分同步后，離合器快速接合至最大位置，加快換擋過程。

發(fā)動機扭矩恢復控制策略：同離合器控制相對應，也分為3個控制階段。第1階段，仍然進行發(fā)動機轉速控制；第2階段：發(fā)動機升扭速率由油門開度和發(fā)動機當前瞬時扭矩決定，油門開度大，發(fā)動機當前扭矩小，升扭速率越大，反之升扭速率小。第3階段，離合器同步后，發(fā)動機扭矩快速恢復至駕駛員需求扭矩，升扭速率根據(jù)駕駛員需求扭矩決定，駕駛員需求扭矩越大，扭矩恢復速率越快，反之越小。

7 試驗結果

基于某款MT車輛開發(fā)了AMT樣車，并采用文中策略完成了TCU控制軟件開發(fā)和預標定。圖5和圖6是動力ON升擋及動力OFF降擋測試結果。圖中，ne為發(fā)動機轉速，nt為輸入軸轉速，ns為轉速控制目標轉速，clup為離合器位置，Treq為發(fā)動機干預目標扭矩，Te為發(fā)動機瞬時扭矩，a為節(jié)氣門開度，va為車速，Te為發(fā)動機瞬時扭矩。

從圖5中可以看出，動力ON升擋工況下，發(fā)動機轉速變化平穩(wěn)，換擋沖擊小，動力中斷及滑摩功小。原因是，離合器分離過程中離合器分離和發(fā)動機降扭保持協(xié)調(diào)一致，發(fā)動機轉速平穩(wěn)，車輛繼續(xù)保持一定的加速度，保持了一定的動力性；選換擋過程中通過轉速控制減小了離合器主、從動轉速差，使發(fā)動機保持了一定的扭矩，加快了第3階段扭矩恢復，同時通過離合器滑摩作用，提高了離合器接合初期換擋動力性；離合器接合階段離合器接合與發(fā)動機扭矩恢復保持一致，即保持了換擋舒適性，減小了滑摩功，又增強了換擋過程的動力性。圖6中動力OFF降擋平穩(wěn)快捷，通過發(fā)動機轉速控制及扭矩控制，減小了離合器主、從動部分轉速差，車輛無制動感，發(fā)動機轉速無轟響，獲得了很好的換擋效果。

8 結束語

在確定換擋類型的基礎上，提出了基于CAN總線的離合器和發(fā)動機聯(lián)合控制策略。針對不同工況提出了離合器分離速率和發(fā)動機降扭協(xié)調(diào)控制策略，以及離合器接合速率和發(fā)動機升扭協(xié)調(diào)控制策略，使離合器控制和發(fā)動機扭矩控制協(xié)調(diào)一致，選換擋過程中采用動態(tài)調(diào)整的轉速控制策略。試驗結果表明，該策略可以改善換擋過程的平順性和動力性，有助于提高AMT換擋品質(zhì)。

1 孔慧芳.電控機械式自動變速器中傳動與控制的關鍵技術研究：[學位論文].合肥：合肥工業(yè)大學，2008.

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3 黃建明.機械式自動變速器的控制策略研究：[學位論文].重慶：重慶大學，2004.

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6 劉振軍，秦大同，葉明.電控機械自動變速車輛發(fā)動機轉速控制.重慶大學學報（自然科學版），2007，30（11）:5～8.