AMT特殊工況換擋控制

趙國強，任憲豐，李 強，張 超，張明波

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

AMT是在保持機械式手動變速器基本結構不變的情況下，加裝了執行機構，取代了原來由駕駛員手動完成的離合器分離與接合、摘擋與掛擋等操作，減少了人工介入，大大降低了操作難度，提高了工作效率。在國家藍天保衛戰的戰略下，AMT的高效率、低成本和操作簡單、方便等特性在新能源動力總成上得到了廣泛的應用［1］。但是AMT存在換擋過程中動力中斷、坡道自動起步以及坡道換擋困難等薄弱項，尤其是坡道換擋，如果在坡道上換擋失敗，會導致嚴重的安全問題，現在一般是通過坡道上延遲換擋、固定擋位等控制策略避免此問題。

文獻［2］用模糊控制方法對換擋規律進行了提取，能夠正確理解駕駛員的駕駛意圖；文獻［3］得出了不同坡度、坡長、載質量、質量功率比和初始速度條件下載重車輛運行速度的變化特征，并且得出了車輛在加速過程中的速度變化比減速過程中的速度變化要快的結論；文獻［4］計算了在相同坡度下，進行了坡道穩定車速計算，但是沒有從具體的換擋過程上進行分析。本文從AMT項目開發過程中遇到的坡道換擋和改變駕駛意圖等工況換擋失敗的問題進行具體的分析，并提出對應的控制策略，大大提高了坡道和改變駕駛意圖的換擋成功率。

掛擋成功與否與目標轉速有直接聯系，通過準確地控制目標轉速，使實際轉速快速響應目標轉速，提高掛擋成功率。

當車輛以較高車速和擋位駛入陡坡時，入坡后車速下降較快，如果坡道夠長，則車速降至某一平衡值后即在該速度下穩定行駛，不會再發生較大改變。這一穩定速度與坡度值和車輛載荷有關，可以通過觀測實驗獲取車輛坡道行駛的速度特性［2-4］。

1 AMT換擋過程簡介

正常換擋過程如下，新能源用AMT換擋過程分為清扭、摘擋、調速、掛擋4個階段，如圖1所示。

圖1 換擋過程

掛擋時，將輸入軸的旋轉速度改變到理想的速度，以便掛擋，能量的傳遞在輸入軸和輸出軸之間完成。掛不上擋是手動變速器常遇到的現象。掛不上擋的原因通常是同步器磨損、滑齒套相互頂齒或離合器未全分離。在手動情況下，駕駛人的反應是重新掛擋直到掛入。AMT也是這樣，掛不進擋位時只好退出再掛。進擋和退擋都是機械運動，容易產生噪聲［1］。文獻［1］主要是從機械角度分析，而本文從控制角度進行了相關的分析，并通過控制策略大大提高了掛擋成功率。

升擋正常工況，此時在調速過程中，目標轉速基本不變，有利于滿足掛擋的條件，即速差小于一定值并且電機扭矩小于一定值，正常工況掛擋示意如圖2所示。

圖2 正常工況掛擋示意圖

目標轉速可以看做是階躍信號。描述穩定的系統在單位階躍函數作用下，動態過程隨時間t變化情況狀況的指標，稱為動態性能指標。其中調節時間ts指響應到達并保持在終值±5%內所需的最短時間，如圖3所示［5］。掛擋過程中，需要調節時間盡可能的短，同時要保證扭矩在一定很小的范圍內。從圖3中可以看出，實際轉速調節到目標轉速需要一定的時間，現在的算法目標轉速計算如公式 （1）所示。

圖3 PID控制單位階躍響應

式中：nin——目標轉速；Ratio——目標擋位傳動比；nos——輸出軸轉速。

在坡度較緩的路面或者平路上，由于車速變化不大，換擋前后車速較平穩，所以整個掛擋過程的目標轉速基本平穩，但是如果在坡道換擋或者改變駕駛意圖工況下，由于輸出軸轉速的突變，達到掛擋條件轉速目標值又需要一定時間，所以目標轉速一直在不斷變化，導致掛擋失敗。本文根據這種現象，在換擋過程進入掛擋狀態后，利用加速度和油門開度或制動查表，得到目標轉速的偏移量值，和原目標轉速值求和后，鎖定輸出軸目標轉速值的方法解決了該問題，大大提高了換擋成功率。

2 軟件控制策略設計

本文以純電動兩擋箱AMT作為驗證對象，搭建臺架進行坡道和改變駕駛意圖策略驗證。

從圖4可以看出，在換擋過程中，輸出軸轉速較正常下降的升擋情況，由公式 （1）知，由于在輸出軸轉速不斷下降，導致PID控制參數一直在調整，難以滿足速差條件，導致掛擋超時甚至失敗，影響行車安全。在轉速較正常上升的情況也會導致同樣的后果。降擋同升擋。

圖4 坡道模式目標轉速

因為油門和制動一般不會同時存在，當兩者同時存在時，制動優先。當油門存在時，利用油門和當前加速度值查詢目標轉速的修正值2，當制動存在時，利用制動和當前加速度值查詢目標轉速的修正值1，目標轉速修正值邏輯如圖5所示。通過流程圖的目標轉速修正值1和目標轉速修正值2的和，對速差和扭矩的門限值進行實時調整。

圖5 目標轉速修正值邏輯

圖6 為選換擋添加修正值后的邏輯，在正常行駛過程中由于兼顧動力性和舒適性，所以換擋時間有縮短的空間，這樣有利于提高掛擋成功率，本文在實際坡道換擋和改變駕駛意圖時放寬了速差和扭矩閾值，有利于提高掛擋成功率。

控制邏輯軟件流程圖見圖7、圖8。

圖7是純電動兩擋箱系統的換擋過程流程圖，達到換擋點后進入換擋狀態，先進行清扭操作，扭矩清到0或者一定閾值后，目的是防止摘擋時動力鏈突然斷開，造成沖擊。判斷清扭完成，進入摘擋過程，摘擋時會給輸出軸動力鏈一個擾動，這個擾動可能會引起動力鏈的諧振。通過實際位置判定摘擋完成后，進行調速，將輸入軸的旋轉速度改變到理想的速度，以便掛擋，扭矩和速差兩條件同時滿足后，再進行掛擋，掛擋成功后，擋位更新。

圖6 添加修正值后的選換擋邏輯

目標轉速修正流程圖見圖8，當油門和制動同時為0時，制動優先。

3 臺架數據結論

圖9是兩擋箱動力總成系統臺架，通過編寫路譜，模擬實際坡道工況和改變駕駛意圖工況，爬坡度逐步增加，以2擋進入6.8%的坡，完成2擋降1擋、1擋升2擋各一次，最大驗證爬坡度為16.8%，每個換擋循環周期為80s。

圖7 換擋過程流程圖

圖8 目標轉速修正流程圖

爬坡換擋工況下，2擋狀態上坡后，輸出扭矩不足以維持當前車速，2擋降1擋過程中由于輸出軸轉速下降的比電機目標轉速要快，調速完成后遲遲不能觸發換擋指令，導致換擋時間超時而停車。

圖9 系統臺架圖

在坡上進行降擋的過程中，先將電機轉速升上去，當電機轉速與輸出軸轉速的速差為25r／min時，讓電機自然降速追輸出軸轉速，如圖10所示，此時由于坡上輸出軸轉速降速較快導致速差范圍逐步拉大，導致無法觸發換擋指令二進行多次調速掛擋，出現動力中斷時間長的問題。

爬坡過程深踩油門的情況下，如果檢測到有負加速度，則目標轉速下調，使目標轉速靠近輸出軸轉速，達到調速差范圍后，觸發換擋指令，添加邏輯后的坡道掛擋工況見圖11。

圖10 坡上換擋故障分析圖

圖11 添加策略后的坡道掛擋圖

策略更新后進行精細化數據標定，后期試驗過程中由于換擋異常引發停車的狀況基本不再出現，提升了坡道換擋和改變駕駛意圖工況下的換擋成功率，提高了安全性。

4 結束語

坡道換擋和改變駕駛意圖是AMT總成系統研究過程中的熱點和難點問題，坡道掛擋失敗嚴重影響行駛安全性，本文從具體的掛擋過程出發，通過優化策略，大大提高了坡道和改變駕駛意圖換擋成功率，并且通過臺架驗證了本文邏輯的可行性。