基于發動機聯合控制的AMT換擋控制策略

謝先平 梅近仁 李 君 王天生

（聯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，可基于現有MT升級改造，成本低，非常適合微型汽車和經濟型車輛搭載。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換擋品質的關鍵。相比AT等變速器，AMT換擋過程中發動機需要進行扭矩干預控制，即離合器和發動機控制需緊密配合[1,2]。因此，AMT換擋品質是由離合器控制和發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只能通過調節發動機節氣門或外部強制斷油來實現發動機的扭矩協調控制，而發動機扭矩涉及到進氣、噴油、點火的復雜控制，TCU無法對發動機噴油量和點火提前角進行主動調節，因而無法實現對發動機扭矩的快速、精確控制[3,4]。另外一方面，TCU無法得到發動機精確扭矩信息，不能基于發動機扭矩對離合器進行精確控制。隨著ECU中CAN扭矩控制協議和功能的逐漸開放，基于發動機扭矩請求的AMT換擋控制成為趨勢，但相關文獻較少。本文從基于CAN總線的發動機扭矩控制角度出發，提出了一種發動機扭矩-離合器協調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，應對不同換擋工況采取不同的控制策略，因此首先有必要區分并檢測AMT換擋工況。根據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

換擋時刻發動機處于驅動工況，發動機驅動車輛，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

換擋時刻發動機處于倒拖工況，車輛倒拖發動機，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

換擋時刻發動機處于驅動工況，發動機驅動車輛，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

換擋時刻發動機處于倒拖工況，車輛驅動發動機，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總線的發動機聯合控制策略

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，其間需要對發動機扭矩進行協調控制。

ECU具有精確的扭矩控制模型，可以通過對點火和進氣的調節實現扭矩的精確控制[5]?；贑AN總線的發動機協調控制可以利用ECU的扭矩協調功能進行精確的扭矩控制，即基于CAN通訊協議，TCU向ECU發送扭矩或轉速控制指令，ECU利用其相關協調功能通過同時調節點火角和進氣量，實現扭矩的快速、精確控制，實現對TCU的快速響應。同時，ECU向TCU發送發動機及車輛相關信息，如發動機扭矩、車速等。

本文對于發動機協調控制采取如下4種方式。

a.發動機正常工作模式

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

b.發動機扭矩控制模式

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

c.發動機轉速控制模式

TCU通過CAN總線向ECU發出目標轉速請求，ECU根據TCU發出的目標轉速進行扭矩調節，使發動機轉速達到目標轉速。發動機轉速控制模式發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生在爬行起步或坡道起步工況。

基于CAN總線的TCU-ECU聯合控制原理如圖1所示。

4 離合器分離階段聯合控制策略

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動機轉速平穩，離合器在盡量短的時間內分離且車輛不能出現明顯的減速沖擊。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動機降扭進行協調控制。若離合器分離過快，發動機扭矩降低慢，則會導致發動機轉速急劇上升，發動機產生轟響；若發動機扭矩降低過快，離合器分離慢，則發動機可能發生倒拖，使車輛產生制動感；若發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動機扭矩匹配的接合位置（圖2中A點）。此目標位置可根據當前發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動機扭矩相適應，保證發動機轉速平穩，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，發動機按照設定降扭速率進行降扭。發動機降扭速率由油門開度和發動機當前瞬時扭矩決定，油門開度大，發動機當前扭矩大，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，令發動機目標扭矩為0，使發動機快速降扭，防止發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，防止發動機轉速過低。在整個過程中，若出現發動機轉速低于目標怠速的情況，為防止發動機熄火，令目標扭矩等于當前發動機最小扭矩，以維持發動機穩定運轉。

5 發動機轉速控制策略

AMT在換擋時，由于換擋前、后車速基本不變而變速器速比發生變化，會導致換擋前、后離合器輸入軸轉速發生跳變，如不對發動機轉速進行調節，在離合器接合時主、從動部分將會產生較大轉速差，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，需要對發動機轉速進行調節。發動機轉速調節可以有2種方式，一種方式是采用轉速控制方式，TCU只向ECU發送轉速控制指令和目標轉速，具體調節過程由ECU功能實現；第二種方式是采用扭矩控制方式，轉速調節功能由TCU完成，TCU將目標發動機扭矩發送給ECU，ECU根據目標扭矩指令進行扭矩控制，間接達到調節發動機轉速的目的。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節的目的。

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，如果將發動機轉速調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。測試中發現，這種情況下換擋動力性較差，原因是發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，則可以在發動機扭矩較小時使車輛獲得一定的驅動力，待離合器同步后，通過發動機扭矩的增加，來恢復車輛的驅動力。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。測試中發現，若目標轉速過低，則發動機轉速上升慢且幅度小，離合器接合過程中容易產生發動機倒拖感，車輛容易出現制動感，同時產生過大的滑摩功；若目標轉速過高，則發動機轉速可能過快上升，產生轟響，在離合器同步時還可能產生沖擊。特別是在2降1換擋工況，由于2擋和1擋速比相差很大，發動機轉速調整量很大，容易產生轟響，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換擋工況進行調整。目標轉速具體算法與動力ON升擋相同，但需根據不同工況進行匹配。

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 離合器接合階段聯合控制策略

離合器接合階段控制目標是發動機扭矩盡快恢復且轉速平穩，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動機扭矩恢復進行協調控制。若離合器接合過快，發動機升扭慢，則會產生同步沖擊；若離合器接合過慢，發動機升扭快，則發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。實際中為防止執行機構超調，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，換擋品質的好壞可以從離合器主、從動轉速差的變化表現出來，其體現了發動機扭矩和離合器的配合狀態，在發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。油門開度反映了駕駛員意圖，特別是對于動態工況，利用油門開度作為參數可以對換擋過程進行動態調節。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，防止產生同步沖擊。

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，仍然進行發動機轉速控制；第2階段：發動機升扭速率由油門開度和發動機當前瞬時扭矩決定，油門開度大，發動機當前扭矩小，升扭速率越大，反之升扭速率小。第3階段，離合器同步后，發動機扭矩快速恢復至駕駛員需求扭矩，升扭速率根據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車輛開發了AMT樣車，并采用文中策略完成了TCU控制軟件開發和預標定。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為發動機干預目標扭矩，Te為發動機瞬時扭矩，a為節氣門開度，va為車速，Te為發動機瞬時扭矩。

從圖5中可以看出，動力ON升擋工況下，發動機轉速變化平穩，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動機降扭保持協調一致，發動機轉速平穩，車輛繼續保持一定的加速度，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降擋平穩快捷，通過發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總線的離合器和發動機聯合控制策略。針對不同工況提出了離合器分離速率和發動機降扭協調控制策略，以及離合器接合速率和發動機升扭協調控制策略，使離合器控制和發動機扭矩控制協調一致，選換擋過程中采用動態調整的轉速控制策略。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。

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：合肥工業大學，2008.

2 Surampudi B,et al.Control System Development for Retrofit Automated Manual Transmissions.SAE 2009－28－0001.

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.

4 何忠波，白鴻柏，張培林，等.提高AMT車輛換擋品質控制策略與試驗研究.汽車工程，2006，28（9）:839～843.

5 Satou S， et al.An accurate torque－based control by learning correlation between torque and throttle position.SAE 2008－01－1015.

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