東風歐系輕客AMT控制系統設計

史洋 彭毅 劉天虎 王健 潘亞敏

摘? 要：東風歐系輕客車型，仍一直采用傳統機械式變速箱總成，在技術先進性上已開始落后于國際水平并逐漸落后國內水平，為了提升產品競爭力，經過企劃調研確認啟動開發符合東風歐系車型的AMT控制系統，實現自動換擋功能。

關鍵詞：歐系輕客車型;方案設計;AMT控制系統;控制策略

中圖分類號：T-19? ? ?文獻標識碼：? ? 文章編號：1005-2550（2018）06-0020-11

Design of AMT Control System for Dongfeng European light bus

SHI Yang1， PENG Yi2， LIU Tian-hu2， WANG Jian2， PAN Ya-min3

（ 1. Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430056， China; 2. Dongfeng Automobile Co.LTD， Wuhan 430056， China ; 3.Shanxi Guoli information technologyCO. LTD， Xi'an 710000， China ）

Abstract： Dongfeng European light bus， still has traditional mechanical transmission assembly， technology level has began to fall behind? international level and domestic level， in order to promote the competitiveness of the product， after project research， we start the development? of AMT control system in line with the Dongfeng model， realize automatic shift function.

從國內汽車上牌數量的數據可以看出，手動擋（MT）車型的市場占有率近年來持續下滑，已經從2009年的53%下滑至2015年的44.6%，預計2020年中國自動變速箱車型超過60%，需求量將達到2170萬臺[1]。東風歐系輕客車型，自2012年上市以來，仍一直采用傳統機械式變速箱總成。競品車型已陸續推出搭載AMT系統的車型，市場用戶對搭載AMT系統車型需求旺盛，面對激烈的市場競爭，開發適合東風歐系輕客車型的AMT控制系統迫在眉睫。

1? ? AMT系統工作原理

保持原有變速箱不變的前提下加載AMT控制系統，采用軍工相關技術，采用模塊化設計，結合實車繪制了行駛策略數學模型、伺服操控策略智能控制模型、 汽車行駛姿態管理實現以下十大功能：（1）自動離合（2）自動換擋（3）定速巡航（4）電子手動擋（5）人車對話（6）坡道輔助（7）動力模式S檔（8）操縱桿集成（9）自修復和自匹配功能（10）熄火自動空擋。AMT控制系統工作原理如圖1所示。

2? ? 東風歐系輕客AMT控制系統方案設計

為滿足東風歐系輕客空間布置要求，方案設計如下（見圖2，圖3）：

（1）采用操縱手柄和TCU集成的設計方案，布置在原手柄處;

（2）選換擋操縱機構外掛在車架上，通過軟軸操縱變速箱總成;

2.1? ?性能目標設定

開發過程中，充分考慮東風歐系輕客整車性能要求，同步分析競品，具體完成以下數據分析：

（1）東風歐系輕客整車數據采集（整車重量/發動機轉速信號/剎車信號/離合總泵推力/變速箱選換檔力等）;

（2）競品選換檔性能及離合性能數據測試;

（3）AMT系統設計行業共識（大數據累計）;

整車性能指標規定如表4：

2.2? ?詳細方案設計

東風歐系輕客AMT控制系統系統開發主要需完成硬件設計和軟件開發，其中硬件設計包括：選換擋手柄+TCU控制器、選換擋操作總成、離合控制總成及相關支架、管路等;軟件設計包括：TCU控制策略開發、TCU數據標定及調試等;

2.2.1 硬件設計——選換擋手柄+TCU控制器（見圖5）

（1）TCU采用多核微處理器：在AMT的數據輸出控制、數據輸入采集中，可進行相互復合，CPU間的相互監督，更大程度提高設備的抗干擾能力，降低設備的誤觸發動作，使AMT工作更可靠。

（2）車輛行駛姿態管理：引入三坐標陀螺（加速度、俯仰角、左右轉彎）的軍工技術。

（3）伺服操控策略智能控制模型：實現計算機數字智能控制（單步、多步、帶坐標、帶力矩）。

（4）獨創的汽車行駛策略數學模型算法：基于不同工況的智能換檔策略。實現了在車輛運行環境復雜多變，坡道、彎道及不同區域時換檔規律均應有所不同，多變工況的識別與綜合判斷，提高了智能換檔控制的適應性。

2.2.2 硬件設計——選換擋操作總成（見圖6）

（1）選換擋執行電機選型為無刷直流控制電機：克服有刷電機的碳刷磨損，提高動力和力矩傳遞可靠性;

（2）以精確坐標和力矩組成數字的閉環控制：克服由于機械磨損、熱脹冷縮帶來的機械尺寸變化，大大提高換擋的可靠性;

（3）寬調速范圍的速度調節系統：提高不同檔位同步器的換擋平順性;

2.2.3 硬件設計——離合控制總成（見圖7）

（2）換檔品質影響因素

衡量換檔品質的平順性和快捷性的指標主要有沖擊度和換檔時間。

1）驅動力矩和阻力矩的變化率。換檔過程中的驅動力矩的變化是由發動機的輸出扭矩與離合器傳遞扭矩的變化共同決定的。由于換檔過程所需的時間很短，在換檔的瞬間車速和路面情況基本不變，阻力矩可認為是不變的。顯然離合器輸出扭矩變動越大，則換檔沖擊越大。

2）變速器速比的變化。換檔過程中，由于車速基本保持不變，變速器速比的變化造成的慣性能量引起傳動系的沖擊。因此對驅動力矩的控制是保證換檔過程車輛平順性的關鍵，驅動力矩的控制則需要通過對發動機和離合器的協調控制來實現。

1）變速器、離合器以及發動機三者協調控制的時序。從換檔過程的分析可知，變速器、離合器以及發動機三者協調控制的時序對快捷性起主要影響作用。而離合器的分離接合動作與發動機轉速控制之間的配合對換檔時間及動力性的影響最大。理想的協調控制是在離合器分離的同時，減小油門開度，使發動機扭矩與離合器扭矩同步下降，如果油門開度減小動作滯后，會使發動機轉速上升，出現發動機高速空轉的轟響現象;反之如果油門動作超前，會造成離合器未完全分離時發動機輸出扭矩提前下降，發動機處于反拖工況使得車速下降。在離合器接合階段恢復油門開度，使發動機輸出扭矩按一定速度回升，并保持在沖擊度允許的范圍內，如果油門動作超前，則會使離合器扭矩小于發動機輸出扭矩，造成發動機轉速升高，加劇離合器的滑摩;反之油門動作滯后，離合器接合過早會產生扭矩振蕩，影響車輛平順性。為提高換檔過程的快捷性，變速器、離合器以及發動機三者協調控制的時序應適當調整，有些控制過程可重疊進行，如在接近新檔時，即可進行離合器空行程的控制，以減小整個換檔過程的時間。

2）電控單元及執行機構響應速度。電控單元和執行機構的響應速度，直接影響換檔過程的快捷性。TCU設計應從軟硬件兩個方面合理設計，提高響應速度;此外，選擇合適執行電機，其輸出扭矩和速度應滿足系統要求;減速機結構設計合理、速比選擇得當，為提高響應速度提供保障。

2.2.7 軟件設計——離合器智能控制策略說明

（1）離合器控制策略說明

離合器總體控制節奏為“快—慢—快”。結合以上分析繪制出最佳接合規律，見示意圖17。1段為無轉矩傳遞階段，2段為傳遞轉矩增長階段但未克服行駛阻力，3、4段為傳遞轉矩增長且已超過行駛阻力階段的加速度增大與緩增階段，5段為轉矩不再增長階段。由分析知：1、2、5階段應盡快完成，其接合速度不大于離合器預先設定的最大接合速度（防止離合器接合過快）;離合器的滑摩功產生于2、3、4段，段3體現了離合器在第二階段的接合速度，它取決于駕駛員的起步意圖;段4為繼續接合時間，取決于接合點的位置和離合器主從動部分轉速差。

（2）離合器接合的影響因素及控制策略

離合器最佳接合規律在執行過程中體現在離合器的接合量及接合速度兩個控制量上，確定離合器的接合規律就是確定離合器的接合量和接合速度。車輛正常行駛工況的改變一般是駕駛員操縱意圖的體現。車輛起步時，駕駛員對自動變速車輛的操縱意圖體現在加速踏板的操縱，它也是對離合器控制時駕駛員意圖的體現，因此起步時加速踏板的踏入量作為系統輸入量。由前面分析知傳動系的工作狀態對離合器的控制有直接的影響，因此還需確定與離合器接合過程密切相關的量：發動機轉速、變速器輸出軸轉速、發動機與輸出軸轉速差作為控制系統狀態變量，形成對離合器控制系統的反饋控制。離合器的接合量及接合速度是系統輸出量。

在起步控制過程中，加速踏板開度的大小直接反映了駕駛員的起步意圖，起步意圖通過離合器接合速度得以實現。

根據發動機特性，油門開度較小時，發動機處于低轉速、低扭矩狀態，輸出功率較低，此時車輛若起步則起步速度低，當踏板開度<10%時稱為小油門，車輛應為慢起步（爬行）工況，這種情況主要追求的是車輛行駛速度的可控性，此時要求起步過程平穩，允許有較大的滑摩功。中油門10%<～<75%時通常為正常起步，此時既要求起步過程平穩，又要盡量減少滑摩功，正常起步工況離合器接合速度應根據油門開度大小調整速度，開度大則接合快;大油門>75%為快起步工況，主要出現在駕駛員遇到緊急情況或沖擊障礙時，此時允許有較大的沖擊現象發生。需要說明的是，大、中、小油門的量化要根據不同發動機的特性而定。離合器接合速度示意圖見圖18：

根據發動機特性，當油門開度一定時，發動機轉速與其輸出扭矩及燃油消耗率之間存在一定函數關系?？刂齐x合器接合速度即控制發動機負荷的變化，保證不同油門開度下發動機工作在最大扭矩轉速或最低燃油消耗率區域，不但可以充分發揮發動機動力性和經濟性，同時可有效地減小滑摩功，提高車輛起步性能。

根據發動機扭矩特性確定動力性目標轉速，根據油耗特性確定經濟性目標轉速。發動機實際轉速ns與目標轉速nm的差作為離合器接合速度的控制參數?？刂撇呗匀缦拢?/p>

1）當ns-nm< 0時，說明接合速度過快，發動機負荷過大，此時應停止接合;若ns<nsmin（nsmin為發動機最低穩定速度），應立即分離離合器，防止熄火;

2）當0 <ns-nm<Δs（Δs為轉速差允許值，根據具體車輛確定），此時發動機轉速接近目標轉速，離合器接合速度為零;

3）當ns-nm>Δs離合器接合，若轉速差較大，則應加快接合速度以增加發動機負荷，使其接近目標轉速工作，以防發動機轟鳴。但離合器的接合速度應不大于其預定的最大接合速度（經驗值）。

隨著發動機轉速增加，滑摩功增大，接合量應相應增加以防止發動機轉速過高，離合器傳遞負載的接合操縱行程與空行程相比比較小，且力矩變化較大，為避免造成發動熄火，離合器接合量不應過大。將發動機轉速作為接合量的一重要確定量，給以較高的權重，特別是換擋時對離合器的控制。

中間軸轉速高低體現了車輛狀態（空載、半載、滿載）。中間軸轉速高時能夠調整發動機使發動機與中間軸之間轉速差變小，在沖擊度大小允許的范圍內，離合器的接合速度可以相應增大，不至使發動機轉速過低，造成發動機抖動，影響發動機運轉的穩定性。另一方面可以縮短起車過程，減少離合器接合時的滑摩功，從而減少離合器磨損，將其作為離合器接合量補償作用。對于起步過程，中間軸轉速為零，則離合器工作在空行程或未克服阻力階段，離合器應快速接合。中間軸轉速不斷增大，離合器接合速度應降低，以減小沖擊度。

發動機轉速與中間軸的轉速差在較大時，離合器接合可能引起的沖擊和滑摩損耗都較大，應適當減小接合速度;轉速差小時，較快接合離合器也不會產生大的沖擊;當轉速差為零時，離合器的接合速度對沖擊度沒有影響。所以將轉速差作為離合器接合過程的結束條件，當轉速差小到一定程度，快速接合離合器，減少滑摩時間，使離合器迅速接合。

綜上所述，油門開度作為外控輸入量，控制形成離合器接合量的一個附加分量，依據油門大小形成的接合速度的控制示意圖實現起步階段快速起步和緩慢起步。此外接合量的形成與發動機轉速與中間軸轉速有關，發動機轉速所確定的為主接合量。

參數選用控制策略：油門開度大小確定的離合器接合速度實現起步的快慢，中間軸轉速為零實現離合器第一階段的快速接合，中間軸轉速的提高，接合速度下降，形成慢速接合。最后的快速接合由離合器主、從動盤轉速差實現，轉速差越小，接合速度越快。

（3）離合器模糊控制器設計

針對離合器接合過程的特點，根據所確定的控制參數，應用模糊控制策略來完成對離合器精確控制的任務離合器控制執行機構采用直流電機驅動，通過控制電機端電壓極性和高低來控制離合器接合、分離及相應的速度。決策層模糊控制器結構圖，見圖19：

根據加速踏板位置和檔位傳動比，識別駕駛員起步意圖。加速踏板位置的大小分為七檔（非常小，小，較小，中等，較大，大，較大），用（VS，S，LS，M，LB，B，VB）表示，其推理規則見表20：

根據加速踏板位置和檔位傳動比，確定相應的允許最大沖擊度，同時使離合器以最快速度完成滑摩階段，以減小滑摩功。在此約束條件下，確定初始發動機轉速ns、目標值nm和轉速差Δs。發動機轉速推理規則見表21：

對于離合器接合進行控制時應協調沖擊度和滑磨功關系，由于駕駛員的意圖在車輛起步過程中非常重要，離合器控制系統應能按照駕駛員的要求來決定離合器的接合方式，因此利用綜合沖擊度和滑磨功的關系，依據駕駛員的意圖控制離合器接合，完成車輛起步，以此作為離合器起步控制策略。將離合器接合過程分為三個階段控制，在不同階段采用不同的控制參數。

1）快速接合階段（t<tab）：由于此階段主要是消除離合器空行程和克服起步阻力，因此應快速接合離合器?？刂颇繕耸欠从绸{駛員的起步意圖及根據起步意圖確定可接受的最大沖擊度（即確定Δs目標值），控制參數為ns。通過控制算法，將換算后的ns值直接作為電機的驅動電壓值，即ns值大則離合器接合速度快。這樣，離合器的接合速度可隨駕駛員的起步意圖而變化。

2）起步加速階段（tab～tb）：這是離合器接合控制的重點，此階段初期的控制目標是使離合器從動盤轉速平緩上升至某一設定值，以減小起步初期的沖擊，控制參數為離合器主從轉速差。根據第一階段確定的Δs目標值，通過控制算法計算出離合器的接合速度，使Δs值始終不超過目標值。為減小滑摩時間，使離合器主從轉速差以最快速度接近目標值。

3）同步接合階段（t>tb）：因離合器主從動盤已經同步，因此快速接合離合器也不會引起沖擊，該階段應盡快完成接合，以減小動力中斷時間，完成離合器的整個接合過程。

4）接合速度調整模塊：離合器在接合過程中，為減小沖擊度和滑磨功，應根據加速踏板位置和離合器主從轉速差，對離合器接合速度進行調整，以改善離合器接合性能。

5）狀態識別模塊：狀態識別模塊起到協調發動機和離合器控制的作用。狀態識別模塊隨時監測發動機和離合器的狀態，一旦發現離合器接合時間過長，或發動機驅動力不足可能引起熄火時，狀態識別模塊通知協調器改變離合器接合速度和油門開度。

3? ? 東風歐系輕客AMT智能手動擋系統整車標定及結論

3.1? ?AMT系統車型標定

實車標定通過山區、寒區、高原、城市等不同路況對AMT控制系統各項性能進行測試。測試性能包括選換擋升降檔時間，低溫啟動，平地起步前行后退，剎車及停車，手動模式與自動模式切換，離合，大坡道起步，長距離大坡道下坡等評價項目（見圖22）?？偨Y了《輕客變速箱選換擋操縱性能特征值測量及推薦值》 、《汽車AMT控制系統標定試驗規程》。

AMT控制系統標定結論：

主觀評價：換擋柔和，有頓挫感但可以接受;

動力性/經濟性評價：動力性與機械車型相當，經濟性提升2%;

城市路況/山區/高原/高寒標定：均滿足試驗評價要求見表23：

標定后狀態與競品車型進行主觀評價對比評價：操縱性能相當;加速頓挫感較柔和;A狀態（經濟模式）下換擋時間較長;S狀態（動力模式）下換擋時間相當。

3.2? ?AMT控制系統車型性能目標確認（見表24）

4? ? 東風歐系輕客AMT控制系統下一代優化方向

整車ECU和AMT系統TCU實現通訊互聯， 縮短換擋時間，提升系統性能。

4.1? ?東風歐系輕客AMT控制系統換擋時間分析

圖25描述了AMT控制系統在一檔換二檔的換擋過程中離合、節氣門、換擋撥叉、發動機轉速、車速的控制、變化過程。整個過程從T0時刻開始到T4時刻結束，大致劃分為t1-t4四個時間段，動力缺失時間為t2+t3+t4。

t1時間段：換擋準備階段。為保證換擋平順性，在此階段通過調節節氣門開度，將發動機轉速調整到某一恒定值（車速為勻速）。此時離合尚未分離，換擋撥叉也未動作，因此動力依然保持，但駕駛員可感覺到油門的減小。此處大約耗時0.8秒（D模式）或0.2秒（S模式）。

t2時間段：離合分離和換擋階段。此時，離合開始分離，待完全分離后，換擋撥叉開始動作，直到到達目標位置，完成換擋動作。此階段為主要的動力缺失時間。

t3時間段：離合貼合準備階段。為保證換擋后的車速平穩，發動機轉速需在此階段調整到與當前車速匹配的位置，這樣貼合離合時才不會產生大的闖動（頓挫）。如果存在差速，則需要靠離合的慢速貼合滑磨來使其同步。

t4時間段：離合完全貼合與節氣門恢復階段。此階段根據前一階段調整后轉速與車速的匹配情況，調整節氣門開度模擬發動機增加扭矩，進行離合的深度完全緩貼合，做到車輛平順換擋。此后恢復節氣門為油門踏板值，整車動力恢復，換擋過程完成。

4.2? ?ECU關于扭矩和轉速控制協議開放后，對換擋性能的影響分析

（1）如果TCU申請ECU具備發動機轉速控制功能，則t1時間段可大幅度縮短，并且調速更為精準，從而使得車輛換擋實時及平順性和駕乘感受得到大幅度提高。

（2）如果TCU申請ECU具備扭矩控制功能，在離合分離的同時將扭矩減小，則可以考慮同時開始抽出換擋撥叉的動作，從而使得t2時間段的長度也得以縮短，減小動力缺失時間。

（3）如果TCU申請ECU利用轉速控制和扭矩控制功能，在t3時間段，將發動機迅速降到匹配轉速，同時配合以扭矩的減小，可以快速完成離合貼合準備，使t3時間縮短。

（4）如果TCU申請ECU準確增加發動機扭矩，進入離合深度貼合時， t4時間離合深度貼合可快速完成。此后AMT恢復節氣門為油門踏板值，恢復整車動力，換擋過程完成。

綜上所述，如果TCU申請ECU具備轉速控制和扭矩控制功能，則在換擋過程的4個時間段中均可縮短時間，提高調整精準度，使得換擋時間和動力缺失時間縮短，從而使整體換擋性能及駕乘舒適性得到較大幅度的提升。

5? ? 東風歐系輕客AMT控制系統創新點總結

5.1? ?基于三向陀螺儀的坡道識別策略

優化濾波坡道算法實現用三向陀螺儀取代坡道傳感器的功能，濾波坡道算法能對車速信號進行濾波，差分，去除多余雜波信號，獲得實時精準的汽車縱向加速度信號。根據通過信號比對，計算出汽車當前行駛坡道信號。

5.2? ?實現精準的離合功能功能

離合執行機構采用高精度無刷直流電機，實現步進量0.1mm。較傳統步進量2～5mm的電機，執行控制精準度提升。整車離合控制點更精確，離合時間更短;離合控制系統采用數字化控制，避免了模擬控制中產生的偏差。

5.3? ?基于手機APP的AMT實時監控系統

將AMT數據監控及采集系統從電腦平臺移植至手機APP，通過手機藍牙實時監測及采集數據，監測系統可以實時監測選換擋時間及行程，油門開度、離合時間及行程、當前檔位等信息，需專人采集，在緊急故障時可即時采集數據，實現遠程分析工作，節省時間。

5.4? ?多模式的自動換檔功能

AMT控制系統具有自動換檔功能和手動換檔功能（見圖26）

同時自動換檔功能有具備經濟換擋模式和動力換擋模式。充分滿足不同工況下的操縱要求。

參考文獻：

[1]新思界產業研究院.2017-2021年自動變速器行業市場現狀及投資前景預測報告[J].北京新思界國際信息咨詢有限公司，2017.