電控自動變速器換擋過程控制策略*
孫文濤，陳慧巖
【摘要】 為了提高電控自動變速器的換擋品質(zhì)，通過分析自動變速器的換擋過渡過程，建立了行星式自動變速器動力學模型，并應(yīng)用此模型對換擋過程進行了詳細分析，得到換擋過渡過程的變化規(guī)律，同時對離合器充放油規(guī)律進行了研究，并采用PWM控制電磁閥對充放油壓力進行調(diào)節(jié)。在換擋過程中系統(tǒng)先后采用了開環(huán)控制、斜率控制以及基于增量PID算法的閉環(huán)控制，同時改變發(fā)動機噴油量對換擋過程進行了控制。通過試驗可以看出換擋過程中采用的開環(huán)控制、斜率控制以及基于增量PID算法的閉環(huán)控制以及發(fā)動機噴油量的控制策略改善了換擋品質(zhì)。
關(guān)鍵詞：電控自動變速器 換擋過程 控制策略
中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A
Research on Control Strategy as Shifting Progress with an Electronic Automatic Transmission
Sun Wentao， Chen Huiyan
（ Beijing Institute of Technology，Beijing，100081，China ）
Abstract
The paper analyzes the shift system of Electronic Automatic Transmission, and sets up a mathematic model of the shifting process. The model can be used directory in shifting process control and with the model the shifting process is also analyzed, and the rule of shifting process is gotten. The process of the clutch applies and exhaust is analyzed. Through adjusting the pressure using the PWM to control the solenoids and the pressure is controlled in good conditions. Trough the research, the system uses the open-loop control during the fill-time phase, faxed ramp rate control during the second phase and closed-loop control during the third phase using PID control strategy. At the same time, the electronic engine is used to adjust the engine speed to acquire the better quality of shifting process. At last, though a bench test, the control strategy of shifting process of the Electronic Automatic Transmission is obtained.
Key words：Electronic automatic transmission, Shifting process, Control strategy
引言
行星式電控自動變速器是通過電控液壓操縱換擋離合器或制動器來進行換擋操縱的。換擋時會產(chǎn)生換擋沖擊，動力中斷等換擋不平穩(wěn)現(xiàn)象[1]。換擋過程控制的為增加換擋的平穩(wěn)性，使駕駛更加舒適；減少傳動系的動載荷，增加零件的使用壽命；減少離合器摩擦片熱負荷，提高離合器的工作可靠性和耐用性。換擋過程中通常是一個結(jié)合元件結(jié)合，另一個結(jié)合_______________________________________
收稿日期：2007-11-09
元件分離。如果這兩個結(jié)合元件分離和結(jié)合的時間不當會造成換擋不平穩(wěn)：搭接過早會造成動力干涉，過晚則會產(chǎn)生動力中斷。換擋過程中作用在結(jié)合元件上的油壓決定了結(jié)合元件所傳遞的轉(zhuǎn)矩極限。油壓適當變化的規(guī)律能夠起到減小輸出軸轉(zhuǎn)矩的波動、減小結(jié)合元件磨損等作用[2]。換擋過程控制是通過對結(jié)合元件在換擋過程中的動作搭接時序、油壓變化規(guī)律和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)的。發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩控制通常采用節(jié)氣門控制、點火延遲和切斷燃
油供給等方法，目的是降低換擋期間傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，減少沖擊。結(jié)合元件在換擋過程中的動作搭接時序和油壓變化規(guī)律是影響換擋品質(zhì)的主要因素，本文對此加以研究。
1 建模與理論分析
1.1建模
采用等效集中質(zhì)量法把車輛動力傳動系統(tǒng)簡化成線性多自由度彈性集中質(zhì)量系統(tǒng)，由無慣性的彈性環(huán)節(jié)和無彈性的慣性環(huán)節(jié)組成，各相關(guān)部件以集中質(zhì)量形式存在。
在建模過程中，作以下基本假設(shè)：
① 忽略發(fā)動機扭振、軸的扭振對系統(tǒng)的影響。
② 忽略軸的橫向振動。
③ 將各元件視為完全剛性無阻尼的慣性元件，并以集中質(zhì)量的形式表示。
④ 忽略系統(tǒng)其它運動副的間隙。
⑤ 除離合器的摩擦力外，忽略軸承和軸承座的摩擦阻力、攪油阻力等系統(tǒng)其它運動副的摩擦阻力。
⑥ 假定車輪與地面間無滑轉(zhuǎn)和滑移。
基于以上基本假設(shè)，車輛動力傳動系統(tǒng)簡化模型如圖。該模型只有2個擋位，接合制動器R時為低擋，接合離合器C時為高擋。這樣就把車輛復雜的換擋過程簡化成液力變矩器閉鎖離合器L、制動器R與換擋離合器C之間的切換過程。圖中：B為泵輪，T為渦輪，D為導輪。
圖1車輛動力傳動系統(tǒng)簡化模型
Fig.1 The module of the vehicle transmission system
1.2 理論分析
以升擋過程為例，根據(jù)簡化模型對車輛換擋過程進行分析。
圖2 換擋過程理論分析示意圖
Fig. 2 The analysis of the shifting process
圖中：
——太陽輪轉(zhuǎn)速 ，
——行星架轉(zhuǎn)速 ，
——齒圈轉(zhuǎn)速 ，
——行星架轉(zhuǎn)矩 ，
——制動器轉(zhuǎn)矩 ，
——離合器轉(zhuǎn)矩 ，
——制動器油壓 ，
——離合器油壓
如圖2所示，在A點之前，變速器處于低擋工作區(qū)，A點之后，開始了充放油過程，進入了低擋轉(zhuǎn)矩階段。離合器滑轉(zhuǎn)摩擦力矩不斷增加，制動器傳遞轉(zhuǎn)矩逐漸下降，直到B點時，制動器開始出現(xiàn)打滑，低擋轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束。考慮到整個換擋過程中車速基本不變，所以各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速都保持不變。在B點以后，進入慣性階段。離合器與制動器都處于打滑狀態(tài)，各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速變化情況：轉(zhuǎn)速下降，則上升，輸出軸轉(zhuǎn)速基本保持不變。直到3個構(gòu)件達到同步旋轉(zhuǎn)，慣性階段結(jié)束。在C點以后，離合器C停止打滑而結(jié)合，而制動器已經(jīng)分離，進入到高擋階段工作。由輸出轉(zhuǎn)矩圖線的變化，可對換擋過程中的轉(zhuǎn)矩擾動進行分析。在B點和C點處，輸出轉(zhuǎn)矩有很大的變動，這就是引起換擋沖擊的轉(zhuǎn)矩擾動。在車輛行駛中，在B點駕駛員能夠感覺到減速度，C點能夠感覺到加速度。通過分析可知：過渡過程各階段的變化，取決于執(zhí)行機構(gòu)的充放油規(guī)律。因此，改變兩個執(zhí)行機構(gòu)的充放油油壓特性，就可改善輸出轉(zhuǎn)矩的擾動。
2試驗研究
為了更好的說明換擋過渡過程的變化情況，通過試驗對整個過程進行研究分析。建立的自動變速器加載試驗臺如圖3所示：
圖3 試驗臺架原理圖
Fig.3 The principle of bench test
發(fā)動機為BF6M1015CP型電控柴油機（帶增壓中冷），330KW； HBM T10型輸入軸轉(zhuǎn)矩儀，3000N.m；變速器為HD4070PR型電控自動變速器；輸出軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀為5000
，5000
；增速箱為6000、12000；CW400測功機，1900（6500）；慣量——125
。
HD4070PR型自動變速器是美國Allison公司設(shè)計生產(chǎn)的（如圖4）具有7個前進擋，它按照模塊化設(shè)計：包括輸入模塊（帶閉鎖離合器的液力變矩器和取力器）、行星齒輪模塊（4個行星排、2個離合器和4個制動器）、輸出模塊（帶有液力緩速器）和電液控制模塊。它由先進的電子控制單元控制，采用脈寬調(diào)制液壓操縱機構(gòu)，具有響應(yīng)快、換擋平穩(wěn)，有自學習功能、自適應(yīng)性強等優(yōu)點，并擁有與發(fā)動機通訊的CAN接口，能實現(xiàn)與發(fā)動機協(xié)調(diào)控制，并能通過手柄上的故障診斷按鈕提取工作過程中的故障代碼[3]。
圖4 HD4070PR型自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖
Fig.4 Schematic of HD4070PR Automatic Transmission
試驗時，通過在變速器輸入輸出軸上分別安裝的轉(zhuǎn)矩儀獲取工作時的轉(zhuǎn)矩值，同時通過CAN獲取各個轉(zhuǎn)速信號以及通過安裝壓力傳感器的方式獲取離合器或制動器的充放油壓力信號，通過以上數(shù)據(jù)即可得到換擋過渡過程各個信號的變化規(guī)律，從而對其整個過程進行分析。
圖5 5擋升6擋的變速器過渡過程試驗曲線
Fig. 5 The analysis of shifting process for 5th gear to 6th gear
圖6 改變充油規(guī)律和發(fā)動機供油后換擋過程曲線
Fig. 6 The shifting process after change the pressure rule and the engine fuel
圖5 為變速器由5擋升6擋的過渡過程曲線，
為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，
為變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，
、
為離合器
和制動器
的充油壓力，
、
、
分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速可以看出，整個過程與理論分析基本吻合，如果改變離合器的充油過程（如圖6），同時改變發(fā)動機的噴油量（b），即可消除轉(zhuǎn)矩下降的趨勢，沒有擋位中斷，使得換擋過程更加平順。離合器充放油是由電磁閥的占空比來進行調(diào)節(jié)的，如圖7所示。
在換擋開始時，命令充油離合器控制電磁閥全開一段時間，油液充滿活塞空腔使活塞開始運動，充油離合器達到了充油油壓的起始點。這段時間內(nèi)電磁閥驅(qū)動信號的占空比是100%，即完全打開。同時，控制放油離合器的電磁閥占空比降為某一值，放油離合器油壓開始下降。
圖7 升擋過程離合器控制策略
Fig. 7 The clutch control rule during up-shift
ECU開環(huán)控制電磁閥驅(qū)動信號占空比的上升斜率，從而使充油離合器的壓力逐漸升高。開環(huán)上升斜率是一個預設(shè)的提高離合器油壓的比率，它一直持續(xù)到檢測到渦輪軸轉(zhuǎn)速下拉時為止。在充油離合器的容積率和開環(huán)上升斜率期間，作用在放油離合器上的壓力不斷下降。
圖8 自動換擋控制策略框圖
Fig. 8 The control rule of auto shift
當檢測到渦輪軸轉(zhuǎn)速下降后，ECU開始對充油離合器進行閉環(huán)控制，這是ECU通過調(diào)制電磁閥驅(qū)動信號主動控制渦輪軸轉(zhuǎn)速的時期。閉環(huán)控制一直持續(xù)到離合器主被動摩擦片幾乎無轉(zhuǎn)速差時結(jié)束，這將使渦輪軸轉(zhuǎn)速保持最佳的變化曲線。
當ECU發(fā)現(xiàn)渦輪軸轉(zhuǎn)速等于輸出軸轉(zhuǎn)速乘以即將結(jié)合的下一個擋位的速比時，就控制充油離合器進入完全接合階段。在這段時間內(nèi)，ECU向電磁閥發(fā)出完全“開”的指令，使離合器完全接合，最終完成升擋操作。其控制策略如圖8所示。換擋過程中發(fā)動機的控制時序過程如圖9所示。
圖9 換擋過程發(fā)動機控制時序
Fig. 9 The sequence of engine control during shifting
3 控制策略分析
采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個典型的非線性、時變系統(tǒng)。由于系統(tǒng)存在油液泄漏、摩擦、機械慣性延遲、電磁閥的電液響應(yīng)滯后及液壓閥的非線性流量特性，使得控制系統(tǒng)表現(xiàn)為復雜的非線性。故采用基于PID調(diào)節(jié)的增益調(diào)度控制，既有PID調(diào)節(jié)簡單方便的特點，又可根據(jù)運行條件自動調(diào)整控制參數(shù)，具有一定的適應(yīng)性[4]。
連續(xù)系統(tǒng)PID公式為
（1）
式中：
——目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差；
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制量；
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的比例系數(shù)；
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的積分時間常數(shù)；
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的微分時間常數(shù)。
對式（1）進行離散化，取
，則有位置式PID算法
（2）
其中式中
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的積分系數(shù)，
；
——轉(zhuǎn)速閉環(huán)的微分系數(shù)，
；
采用增量式PID算法
（3） 于是有
（4）
圖 10 離合器壓力閉環(huán)控制規(guī)律
Fig. 10 Closed-loop control rule of the clutch pressure
由轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID算法獲得的控制量是電磁閥PWM驅(qū)動信號的占空比?？刂七^程中，由當前渦輪轉(zhuǎn)速與目標擋位的變速比計算出輸出軸的目標擋位轉(zhuǎn)速，得到輸出軸在換擋前后的轉(zhuǎn)速差，并設(shè)定轉(zhuǎn)速差在允許的換擋時間內(nèi)線性遞減，即可計算出當前的目標轉(zhuǎn)速。然后在滿足條件時對轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，采用如圖 10所示的電磁閥驅(qū)動信號占空比變化規(guī)律。圖中b區(qū)和c區(qū)即為圖8所示的閉環(huán)控制階段，
時刻轉(zhuǎn)速同步，轉(zhuǎn)速差消除。c區(qū)占空比下降是為了消除由滑動摩擦轉(zhuǎn)換到靜摩擦狀態(tài)時摩擦因數(shù)突變帶來的轉(zhuǎn)矩突變，限制加速度變化。0區(qū)、a區(qū)為開環(huán)控制，進入d區(qū)表示換擋完成。具體控制參數(shù)需結(jié)合試驗來整定。
由試驗數(shù)據(jù)曲線可知，換擋過渡過程與 理論分析整體吻合。即通過此試驗可以很好的監(jiān)測變速器換擋過渡過程的品質(zhì)，為進一步改善換擋品質(zhì)提供良好的技術(shù)平臺，并可以實現(xiàn)發(fā)動機與自動變速器的一體化控制。
4 結(jié)論
(1) 建立了行星式電控自動變速器換擋過程控制分析的簡化動力學模型，可直接應(yīng)用于換擋過程的實時控制。
(2) 應(yīng)用建立的模型對換擋過程進行了分析，得到了換擋過程的直觀理解，并對換擋過程的控制策略進行了研究。
(3) 通過試驗的方式，分析了換擋過程中各個參數(shù)變化的規(guī)律、電磁閥控制的離合器充放油的規(guī)律特性，其變化過程與理論分析基本一致。采用分階段控制的方式：開環(huán)控制、斜率控制以及增量式PID閉環(huán)控制算法對換擋過程進行了改進，得到了較好的控制效果。