^{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，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律，同時對離合器充放油規律進行了研究，并采用PWM控制電磁閥對充放油壓力進行調節。在換擋過程中系統先后采用了開環控制、斜率控制以及基于增量PID算法的閉環控制，同時改變發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控制、斜率控制以及基于增量PID算法的閉環控制以及發動機噴油量的控制策略改善了換擋品質。

關鍵詞：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。換擋時會產生換擋沖擊，動力中斷等換擋不平穩現象^[1]。換擋過程控制的為增加換擋的平穩性，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合元件結合，另一個結合_______________________________________

收稿日期：2007-11-09

元件分離。如果這兩個結合元件分離和結合的時間不當會造成換擋不平穩：搭接過早會造成動力干涉，過晚則會產生動力中斷。換擋過程中作用在結合元件上的油壓決定了結合元件所傳遞的轉矩極限。油壓適當變化的規律能夠起到減小輸出軸轉矩的波動、減小結合元件磨損等作用^[2]。換擋過程控制是通過對結合元件在換擋過程中的動作搭接時序、油壓變化規律和發動機轉矩的控制實現的。發動機的轉矩控制通常采用節氣門控制、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的轉矩，減少沖擊。結合元件在換擋過程中的動作搭接時序和油壓變化規律是影響換擋品質的主要因素，本文對此加以研究。

1 建模與理論分析

1.1建模

采用等效集中質量法把車輛動力傳動系統簡化成線性多自由度彈性集中質量系統，由無慣性的彈性環節和無彈性的慣性環節組成，各相關部件以集中質量形式存在。

在建模過程中，作以下基本假設：

① 忽略發動機扭振、軸的扭振對系統的影響。

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，并以集中質量的形式表示。

④ 忽略系統其它運動副的間隙。

⑤ 除離合器的摩擦力外，忽略軸承和軸承座的摩擦阻力、攪油阻力等系統其它運動副的摩擦阻力。

⑥ 假定車輪與地面間無滑轉和滑移。

基于以上基本假設，車輛動力傳動系統簡化模型如圖。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：——太陽輪轉速 ，——行星架轉速 ，——齒圈轉速 ，——行星架轉矩 ，——制動器轉矩 ，——離合器轉矩 ，——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，A點之后，開始了充放油過程，進入了低擋轉矩階段。離合器滑轉摩擦力矩不斷增加，制動器傳遞轉矩逐漸下降，直到B點時，制動器開始出現打滑，低擋轉矩階段結束。考慮到整個換擋過程中車速基本不變，所以各構件的轉速都保持不變。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，各構件的轉速變化情況：轉速下降，則上升，輸出軸轉速基本保持不變。直到3個構件達到同步旋轉，慣性階段結束。在C點以后，離合器C停止打滑而結合，而制動器已經分離，進入到高擋階段工作。由輸出轉矩圖線的變化，可對換擋過程中的轉矩擾動進行分析。在B點和C點處，輸出轉矩有很大的變動，這就是引起換擋沖擊的轉矩擾動。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，取決于執行機構的充放油規律。因此，改變兩個執行機構的充放油油壓特性，就可改善輸出轉矩的擾動。

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

發動機為BF6M1015CP型電控柴油機（帶增壓中冷），330KW； HBM T10型輸入軸轉矩儀，3000N.m；變速器為HD4070PR型電控自動變速器；輸出軸轉速轉矩儀為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公司設計生產的（如圖4）具有7個前進擋，它按照模塊化設計：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，采用脈寬調制液壓操縱機構，具有響應快、換擋平穩，有自學習功能、自適應性強等優點，并擁有與發動機通訊的CAN接口，能實現與發動機協調控制，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型自動變速器結構簡圖

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矩儀獲取工作時的轉矩值，同時通過CAN獲取各個轉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，通過以上數據即可得到換擋過渡過程各個信號的變化規律，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 5^th gear to 6^th gear

圖6  改變充油規律和發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，為發動機轉矩，為變速器輸出軸轉矩，、為離合器和制動器的充油壓力，、、分別為發動機轉速、渦輪轉速和輸出軸轉速可以看出，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），同時改變發動機的噴油量（b），即可消除轉矩下降的趨勢，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節的，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。這段時間內電磁閥驅動信號的占空比是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開環控制電磁閥驅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。開環上升斜率是一個預設的提高離合器油壓的比率，它一直持續到檢測到渦輪軸轉速下拉時為止。在充油離合器的容積率和開環上升斜率期間，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

當檢測到渦輪軸轉速下降后，ECU開始對充油離合器進行閉環控制，這是ECU通過調制電磁閥驅動信號主動控制渦輪軸轉速的時期。閉環控制一直持續到離合器主被動摩擦片幾乎無轉速差時結束，這將使渦輪軸轉速保持最佳的變化曲線。

    當ECU發現渦輪軸轉速等于輸出軸轉速乘以即將結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，ECU向電磁閥發出完全“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。換擋過程中發動機的控制時序過程如圖9所示。                     

 

圖9 換擋過程發動機控制時序

 Fig. 9 The sequence of engine control during shifting

3 控制策略分析

采用的閉環控制系統是一個典型的非線性、時變系統。由于系統存在油液泄漏、摩擦、機械慣性延遲、電磁閥的電液響應滯后及液壓閥的非線性流量特性，使得控制系統表現為復雜的非線性。故采用基于PID調節的增益調度控制，既有PID調節簡單方便的特點，又可根據運行條件自動調整控制參數，具有一定的適應性^[4]。

連續系統PID公式為 （1）                                 

式中：——目標轉速與實際轉速的偏差；

——轉速閉環的控制量；

——轉速閉環的比例系數；

——轉速閉環的積分時間常數；

——轉速閉環的微分時間常數。

對式（1）進行離散化，取

，則有位置式PID算法

       （2）

其中式中   

——轉速閉環的積分系數，   

；                       

 

——轉速閉環的微分系數，；                           

采用增量式PID算法

（3） 于是有

      （4）

圖 10 離合器壓力閉環控制規律

Fig. 10 Closed-loop control rule of the clutch pressure

由轉速閉環PID算法獲得的控制量是電磁閥PWM驅動信號的占空比。控制過程中，由當前渦輪轉速與目標擋位的變速比計算出輸出軸的目標擋位轉速，得到輸出軸在換擋前后的轉速差，并設定轉速差在允許的換擋時間內線性遞減，即可計算出當前的目標轉速。然后在滿足條件時對轉速進行閉環控制，采用如圖 10所示的電磁閥驅動信號占空比變化規律。圖中b區和c區即為圖8所示的閉環控制階段，時刻轉速同步，轉速差消除。c區占空比下降是為了消除由滑動摩擦轉換到靜摩擦狀態時摩擦因數突變帶來的轉矩突變，限制加速度變化。0區、a區為開環控制，進入d區表示換擋完成。具體控制參數需結合試驗來整定。

由試驗數據曲線可知，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測變速器換擋過渡過程的品質，為進一步改善換擋品質提供良好的技術平臺，并可以實現發動機與自動變速器的一體化控制。

4 結論　　

(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，可直接應用于換擋過程的實時控制。　

(2)　應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變化的規律、電磁閥控制的離合器充放油的規律特性，其變化過程與理論分析基本一致。采用分階段控制的方式：開環控制、斜率控制以及增量式PID閉環控制算法對換擋過程進行了改進，得到了較好的控制效果。