基于CAN總線控制的ZF AMT的匹配與應(yīng)用

黃志剛（東風(fēng)商用車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

基于CAN總線控制的ZF AMT的匹配與應(yīng)用

黃志剛
（東風(fēng)商用車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

本文基于對ZF 12檔AMT的匹配與應(yīng)用，在介紹CAN通信相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，對AMT的基本控制原理、車輛起步，升、降檔過程及優(yōu)化標(biāo)定起步檔位、換檔時間等進行分析研究。

AMT結(jié)構(gòu)；控制原理；標(biāo)定與性能優(yōu)化

黃志剛

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心底盤開發(fā)部主管工程師，主要研究方向： 底盤傳動系統(tǒng)開發(fā)。已發(fā)表文章數(shù)篇，2010至今獲東風(fēng)公司科技進步一等獎、三等獎各1項；發(fā)明、實用新型專利等8項，公司絕密級專有技術(shù)3項。

1　引言

隨著汽車控制局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）在汽車上的應(yīng)用推廣，機械式自動變速器（Automated manual transmission，簡稱AMT）技術(shù)作為車輛智能傳動的核心技術(shù)之一，應(yīng)用日益廣泛。AMT是在傳統(tǒng)的機械式變速器基礎(chǔ)上集成了自動換檔模塊，實現(xiàn)自動換檔功能。相比較傳統(tǒng)變速器，AMT具有如下優(yōu)勢：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、操作方便；

（2） 降低燃油油耗；可減少駕駛員熟練程度對燃油經(jīng)濟性的影響。

（3） 延長離合器使用壽命；

（4） 駕駛舒適性好、降低駕駛員疲勞強度；

本文在介紹CAN通信相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合ZF 12檔AMT的匹配與應(yīng)用，對AMT的基本控制原理、車輛起步，升、降檔過程，優(yōu)化標(biāo)定起步檔位、換檔時間等進行分析研究，對于ZF AMT技術(shù)的在整車上的商品化應(yīng)用以及東風(fēng)AMT核心控制技術(shù)的開發(fā)有積極的參考意義。

2　CAN總線的特點與通信協(xié)議

由于現(xiàn)代汽車的技術(shù)水平大幅提高，要求能對更多的汽車運行參數(shù)進行控制，因而汽車控制器（ECU）的數(shù)量在不斷的增多，從開始的幾個發(fā)展到幾十個。ECU數(shù)量的增加，使得它們互相之間的信息交換也越來越密集。

車上的布線空間有限，CAN-Bus系統(tǒng)的連接方式采用串行方式，不同ECU之間的信息傳送方式是廣播式傳輸。也就是說每個ECU不指定接收者，把所有的信息都往外發(fā)送；由接收ECU自主選擇是否需要接收這些信息。

AMT變速箱控制單元（TCU）屬于總線上的一個控制單元，與CAN網(wǎng)絡(luò)上的其他用戶之間的數(shù)據(jù)交換當(dāng)然也遵循上述規(guī)則，相關(guān)內(nèi)容SAE J1939協(xié)議上有明確規(guī)定。

3　ZF AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZF AMT系統(tǒng)由機械變速器本體和實現(xiàn)自動換擋需要的各個模塊組成。包括TCU控制單元（AMT ECU的簡稱），換檔執(zhí)行器和離合器執(zhí)行器執(zhí)行單元；除此以外，還有人機操作界面，檔位選擇器（控制臺開關(guān)）、檔位顯示器、連接線束等外部設(shè)備也必須安裝到車輛上。

TCU：作為自動換檔控制的核心，接收并處理來自CAN總線及AMT內(nèi)部的各種信息的各種需信息。

執(zhí)行單元：接受TCU指令，驅(qū)動離合器分離、接合及換檔動作。

人機操作界面：包括檔位選擇器、旋鈕開關(guān)、檔位顯示。檔位選擇器用于手動干預(yù)選、換檔，旋鈕開關(guān)用于駕駛模式的選擇，包括前進、倒退及蠕動模式等。檔位顯示用于提示駕駛員當(dāng)前車輛的檔位信息。

4　ZF AMT控制基本原理

通過CAN總線將車輛各ECU連接成網(wǎng)絡(luò)，AMT TCU作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，可以接收其他接點通過CAN總線發(fā)出的信息，TCU通過對以上接收的各種信息進行綜合處理，控制離合器執(zhí)行器來分離離合器，同時驅(qū)動變速器執(zhí)行器來實現(xiàn)選檔和換檔動作。

AMT要實現(xiàn)智能換檔，TCU除了對其自身檔位信息、變速器一軸轉(zhuǎn)速、離合器位置及氣壓等信息進行采集外，還需要接收總線上其它控制器（EECU、ABS、EBS、Retarder等）發(fā)出的信息，比如油門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速以及是否有輔助制動工作等。

4.1TCU對離合器執(zhí)行器的控制

對離合器執(zhí)行器的控制是AMT自動換檔控制的關(guān)鍵內(nèi)容，關(guān)系到起步平順性及換檔品質(zhì)。

ZF AMT的離合器執(zhí)行器集成了氣缸、活塞、行程傳感器以及兩組共四個電磁閥，用于離合器的分離與接合控制。下圖4為離合器執(zhí)行器的內(nèi)部原理圖。

ZF AMT對車輛氣壓要求為7.0-12.0Bar，為了保證氣壓穩(wěn)定可靠，氣路增加了單向閥。MV1、MV2、MV3、MV4為四個電磁閥，用于TCU對氣缸進、排氣的控制，由于四個電磁閥通徑不同，相同時間內(nèi)的進氣量也不相同。另外通過電磁閥開閉時間的長短，也可調(diào)節(jié)離合器執(zhí)行器的氣缸進氣量與進氣時間。

車輛起步過程中，根據(jù)司機對油門開度的控制，TCU控制單元識別其駕駛意圖，開始執(zhí)行離合器動作。離合器的接合可分為消除自由間隙、相對滑磨和同步接合三個階段，對應(yīng)快、慢、快三個過程，在離合器達到半接合點以前，離合器未接合，此過程希望盡可能快，而當(dāng)離合器到達半接合位置后，主、從動部分開始接合，此時又需要根據(jù)控制目標(biāo)進行滑磨精確控制，此過程緩慢接合，以減少沖擊。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速一致時，滑磨過程結(jié)束后，此時離合器應(yīng)快速接合并壓緊。

ZF AMT采用了閉環(huán)控制，通過對離合器當(dāng)前位置及發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動機實際輸出扭矩、駕駛員請求的發(fā)動機扭矩等的監(jiān)測反饋，來判斷當(dāng)前所處階段，與控制目標(biāo)進行比較，來實時調(diào)整接合速度。圖5為離合器執(zhí)行器控制原理圖。

4.2TCU對換檔執(zhí)行器的控制

ZF AMT換檔執(zhí)行器有四個氣缸，分別驅(qū)動主箱、前、后副箱換檔動作及主箱的選檔動作。不同氣缸都由相應(yīng)的電磁閥的開閉狀態(tài)控制進、排氣，組合起來實現(xiàn)12個檔位的選、換檔動作。

TCU根據(jù)換擋策略給出的目標(biāo)擋位、離合器狀態(tài)、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速等信息，來控制電磁閥的開閉，實現(xiàn)各個擋位的選換擋操作。ZF AMT各氣缸同時集成了位置傳感器，TCU精確監(jiān)測各氣缸活塞所處位置，通過內(nèi)部邏輯來判斷變速箱當(dāng)前所處檔位。

換擋執(zhí)行器的控制分為三部分：摘擋、選擋、掛檔。摘擋是指從當(dāng)前擋位上退回到空擋位置，選擋是換擋撥塊調(diào)整到目標(biāo)擋位對應(yīng)的空擋位置，掛擋是指掛入目標(biāo)擋位（使齒輪完成嚙合）。

4.3TCU對發(fā)動機EECU的控制

AMT換檔過程中，需要控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩來配合，使輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速差盡可能小，以降低換檔沖擊、縮短換擋時間。下面以圖7和圖8描述的AMT變速器一個升擋過程（9擋升到10擋）為例來介紹。

TCU采集的信息包括：發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動機實際扭矩。TCU發(fā)出的CAN信號主要有AMT請求的發(fā)動機扭矩/轉(zhuǎn)速、發(fā)動機優(yōu)先控制模式及換擋進程等。在該換擋過程中TCU通過CAN總線對發(fā)動機請求扭矩控制和速度控制。其中，換擋進程表示換擋正在進行中，包含從離合器分離、變速器選擋和換擋、再到離合器完全接合的一個完整的換擋過程。換擋進程信號的含義如下：0表示換擋完成，1表示換擋在進行中。

圖7中換擋進程顯示完整的換擋時間為2.8s（第1秒至第3.8秒）。當(dāng)接受到新的目標(biāo)檔位時，換擋進程信號置為1，表示進入換擋過程中。此時因離合器仍在傳遞發(fā)動機扭矩，如果突然分開離合器，將導(dǎo)致離合器總成因傳遞的扭矩突然卸載而引起車輛振動。因此，離合器分離前，首先應(yīng)對發(fā)動機進行卸載。如圖7和圖8所示，進入換擋過程中，TCU首先對發(fā)動機進行扭矩控制（發(fā)動機優(yōu)先控制模式為2，即二進制的10），按照一定的斜率請求發(fā)動機進行卸載。從圖8可知，發(fā)動機的實際扭矩響應(yīng)AMT請求扭矩，按照要求的扭矩下降。當(dāng)發(fā)動機實際輸出扭矩低于一定值后，開始快速分離離合器。從圖7可以看到，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈波動，可見離合器分離過程很平順。離合器完全分離后，從第1.5秒開始至第2.5秒，TCU以換擋后的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為目標(biāo)（約1090 rpm）對發(fā)動機采用轉(zhuǎn)速控制（發(fā)動機優(yōu)先控制模式為1，二進制01），使發(fā)動機轉(zhuǎn)速趨近并保持與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速一致，以便迅速結(jié)合離合器。發(fā)動機轉(zhuǎn)速經(jīng)過約1.2秒，降低到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，此時離合器可迅速接合。此時對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，一方面可以減少換擋時間，同時可降低離合器結(jié)合過程中的抖動。

從第2.5秒開始至3.8秒，AMT開始采用扭矩控制，要求發(fā)動機按照給定的斜率恢復(fù)扭矩。圖8中的兩條扭矩曲線較吻合，顯示發(fā)動機扭矩響應(yīng)較快。整個換擋過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速都很平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈波動，顯示換擋過程控制良好，無抖動和沖擊。

5　換檔過程參數(shù)標(biāo)定與優(yōu)化

5.1起步檔位優(yōu)化

理想條件下，TCU根據(jù)路面坡度及車輛載荷，計算得出起步檔位。但實際使用過程中，離合器的使用工況比理想中要復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)超載，頻繁起步等惡劣工況；可根據(jù)車輛工作情況，進行動力性經(jīng)濟性計算，同時考慮目標(biāo)結(jié)合轉(zhuǎn)速下離合器滑磨功情況，根據(jù)二者的計算比較，來修正車輛的起步檔位。

起步坡度的計算：一般會標(biāo)定一個起步轉(zhuǎn)速，按照該轉(zhuǎn)速可以從發(fā)動機外特性上查出相應(yīng)的扭矩/功率，該扭矩/功率大于該轉(zhuǎn)速對應(yīng)擋位、車速的驅(qū)動功率即可以起步，同時還需要考慮滑摩功在可接受范圍內(nèi)。坡度越大，起步轉(zhuǎn)速越高。

圖9、10分別為一個起步檔位優(yōu)化的案例，優(yōu)化前后，對應(yīng)坡度范圍及車輛載荷下，車輛的起步檔位MAP。

5.2換檔時間優(yōu)化

在變速器升擋過程中，需要降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，一般對策為對發(fā)動機停止噴油，通過發(fā)動機及附件的摩擦?xí)r發(fā)動機轉(zhuǎn)速降至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；但是，這種方法往往耗時較長，此時，可利用發(fā)動機制動來促進發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降。如圖11所示，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降期間，TCU通過CAN總線請求發(fā)動機制動工作，以一定的制動扭矩使發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速降至控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而縮短了動力中斷時間。

圖11為是發(fā)動機制動參與升擋（9擋到10擋）過程，在該過程中標(biāo)定了發(fā)動機制動介入的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差值、請求的發(fā)動機制動扭矩map圖、發(fā)動機制動退出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差值等參數(shù)，從圖上看出換擋時間共2.3秒。

圖12顯示從第2.1秒至3.1秒，AMT TCU通過總線向EECU發(fā)指令，請求發(fā)動機制動工作。實際發(fā)動機制動扭矩可在總線中讀取：

報文： ERC1_ER， Byte2 標(biāo)識符：18 F0 00 0F或18 F0 00 29。

從圖12可以看出，由于發(fā)動機制動的作用，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，大約用時0.8秒。從圖7和圖11的對比可知，變速器升檔過程中，采用發(fā)動機制動輔助降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可使整個換擋時間降低約0.5秒。

6　結(jié)論及建議

本文介紹CAN總線通訊的基礎(chǔ)上，接合ZF 12檔AMT在整車上的匹配與應(yīng)用，對ZFAMT的基本控制原理進行了初步分析，并在試驗過程中對車輛的起步檔位及換檔時間進行了標(biāo)定與優(yōu)化。

（1）了解CAN總線及SAE 1939通信協(xié)議相關(guān)知識，對于分析自動控制變速器工作過程有重要意義。

（2）AMT換檔控制是一個復(fù)雜的控制工程，涉及到多種信號的接收與處理，在此基礎(chǔ)上對離合器執(zhí)行器及選、換檔執(zhí)行器進行控制，達到準(zhǔn)確換檔的目的。

（3）起步檔位優(yōu)化，對于提高車輛離合器使用壽命及車輛平順性改善明顯；換檔時間的優(yōu)化，可以減少換檔過程中的動力中斷時間，可以提升車輛動力性及經(jīng)濟性。

（4）后續(xù)需要對離合器執(zhí)行器具體的精確控制過程進行詳細研究，進一步優(yōu)化離合器的控制過程。

［1］ ZFAMT 技術(shù)應(yīng)用手冊.

［2］張洪坤、李文軍等，CAN 總線在電控機械式自動變速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，計算機工程與應(yīng)用，2003.31.

［3］郭立書、葛安林等，電控機械式自動變速器換檔過程控制. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003年1月.

［4］甘海云、張俊智等，汽車動力傳動系統(tǒng)的換檔品質(zhì)控制.汽車工程，2003，No.5.

［5］雷雨龍等，電控液壓式離合器執(zhí)行器精確接合控制的研究 SAE 2005-01-1787.

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HUANGZhi-gang
（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，DFCV，Ltd. Wuhan， Hubei 430056）

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1005-2550（2015）05-0046-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.009

2015-06-15