AMT特殊工況換擋控制

趙國強(qiáng)，任憲豐，李 強(qiáng)，張 超，張明波

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

AMT是在保持機(jī)械式手動變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，加裝了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，取代了原來由駕駛員手動完成的離合器分離與接合、摘擋與掛擋等操作，減少了人工介入，大大降低了操作難度，提高了工作效率。在國家藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的戰(zhàn)略下，AMT的高效率、低成本和操作簡單、方便等特性在新能源動力總成上得到了廣泛的應(yīng)用［1］。但是AMT存在換擋過程中動力中斷、坡道自動起步以及坡道換擋困難等薄弱項，尤其是坡道換擋，如果在坡道上換擋失敗，會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，現(xiàn)在一般是通過坡道上延遲換擋、固定擋位等控制策略避免此問題。

文獻(xiàn)［2］用模糊控制方法對換擋規(guī)律進(jìn)行了提取，能夠正確理解駕駛員的駕駛意圖；文獻(xiàn)［3］得出了不同坡度、坡長、載質(zhì)量、質(zhì)量功率比和初始速度條件下載重車輛運行速度的變化特征，并且得出了車輛在加速過程中的速度變化比減速過程中的速度變化要快的結(jié)論；文獻(xiàn)［4］計算了在相同坡度下，進(jìn)行了坡道穩(wěn)定車速計算，但是沒有從具體的換擋過程上進(jìn)行分析。本文從AMT項目開發(fā)過程中遇到的坡道換擋和改變駕駛意圖等工況換擋失敗的問題進(jìn)行具體的分析，并提出對應(yīng)的控制策略，大大提高了坡道和改變駕駛意圖的換擋成功率。

掛擋成功與否與目標(biāo)轉(zhuǎn)速有直接聯(lián)系，通過準(zhǔn)確地控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使實際轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，提高掛擋成功率。

當(dāng)車輛以較高車速和擋位駛?cè)攵钙聲r，入坡后車速下降較快，如果坡道夠長，則車速降至某一平衡值后即在該速度下穩(wěn)定行駛，不會再發(fā)生較大改變。這一穩(wěn)定速度與坡度值和車輛載荷有關(guān)，可以通過觀測實驗獲取車輛坡道行駛的速度特性［2-4］。

1 AMT換擋過程簡介

正常換擋過程如下，新能源用AMT換擋過程分為清扭、摘擋、調(diào)速、掛擋4個階段，如圖1所示。

圖1 換擋過程

掛擋時，將輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度改變到理想的速度，以便掛擋，能量的傳遞在輸入軸和輸出軸之間完成。掛不上擋是手動變速器常遇到的現(xiàn)象。掛不上擋的原因通常是同步器磨損、滑齒套相互頂齒或離合器未全分離。在手動情況下，駕駛?cè)说姆磻?yīng)是重新掛擋直到掛入。AMT也是這樣，掛不進(jìn)擋位時只好退出再掛。進(jìn)擋和退擋都是機(jī)械運動，容易產(chǎn)生噪聲［1］。文獻(xiàn)［1］主要是從機(jī)械角度分析，而本文從控制角度進(jìn)行了相關(guān)的分析，并通過控制策略大大提高了掛擋成功率。

升擋正常工況，此時在調(diào)速過程中，目標(biāo)轉(zhuǎn)速基本不變，有利于滿足掛擋的條件，即速差小于一定值并且電機(jī)扭矩小于一定值，正常工況掛擋示意如圖2所示。

圖2 正常工況掛擋示意圖

目標(biāo)轉(zhuǎn)速可以看做是階躍信號。描述穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動態(tài)過程隨時間t變化情況狀況的指標(biāo)，稱為動態(tài)性能指標(biāo)。其中調(diào)節(jié)時間ts指響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%內(nèi)所需的最短時間，如圖3所示［5］。掛擋過程中，需要調(diào)節(jié)時間盡可能的短，同時要保證扭矩在一定很小的范圍內(nèi)。從圖3中可以看出，實際轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速需要一定的時間，現(xiàn)在的算法目標(biāo)轉(zhuǎn)速計算如公式 （1）所示。

圖3 PID控制單位階躍響應(yīng)

式中：nin——目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Ratio——目標(biāo)擋位傳動比；nos——輸出軸轉(zhuǎn)速。

在坡度較緩的路面或者平路上，由于車速變化不大，換擋前后車速較平穩(wěn)，所以整個掛擋過程的目標(biāo)轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)，但是如果在坡道換擋或者改變駕駛意圖工況下，由于輸出軸轉(zhuǎn)速的突變，達(dá)到掛擋條件轉(zhuǎn)速目標(biāo)值又需要一定時間，所以目標(biāo)轉(zhuǎn)速一直在不斷變化，導(dǎo)致掛擋失敗。本文根據(jù)這種現(xiàn)象，在換擋過程進(jìn)入掛擋狀態(tài)后，利用加速度和油門開度或制動查表，得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏移量值，和原目標(biāo)轉(zhuǎn)速值求和后，鎖定輸出軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速值的方法解決了該問題，大大提高了換擋成功率。

2 軟件控制策略設(shè)計

本文以純電動兩擋箱AMT作為驗證對象，搭建臺架進(jìn)行坡道和改變駕駛意圖策略驗證。

從圖4可以看出，在換擋過程中，輸出軸轉(zhuǎn)速較正常下降的升擋情況，由公式 （1）知，由于在輸出軸轉(zhuǎn)速不斷下降，導(dǎo)致PID控制參數(shù)一直在調(diào)整，難以滿足速差條件，導(dǎo)致掛擋超時甚至失敗，影響行車安全。在轉(zhuǎn)速較正常上升的情況也會導(dǎo)致同樣的后果。降擋同升擋。

圖4 坡道模式目標(biāo)轉(zhuǎn)速

因為油門和制動一般不會同時存在，當(dāng)兩者同時存在時，制動優(yōu)先。當(dāng)油門存在時，利用油門和當(dāng)前加速度值查詢目標(biāo)轉(zhuǎn)速的修正值2，當(dāng)制動存在時，利用制動和當(dāng)前加速度值查詢目標(biāo)轉(zhuǎn)速的修正值1，目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正值邏輯如圖5所示。通過流程圖的目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正值1和目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正值2的和，對速差和扭矩的門限值進(jìn)行實時調(diào)整。

圖5 目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正值邏輯

圖6 為選換擋添加修正值后的邏輯，在正常行駛過程中由于兼顧動力性和舒適性，所以換擋時間有縮短的空間，這樣有利于提高掛擋成功率，本文在實際坡道換擋和改變駕駛意圖時放寬了速差和扭矩閾值，有利于提高掛擋成功率。

控制邏輯軟件流程圖見圖7、圖8。

圖7是純電動兩擋箱系統(tǒng)的換擋過程流程圖，達(dá)到換擋點后進(jìn)入換擋狀態(tài)，先進(jìn)行清扭操作，扭矩清到0或者一定閾值后，目的是防止摘擋時動力鏈突然斷開，造成沖擊。判斷清扭完成，進(jìn)入摘擋過程，摘擋時會給輸出軸動力鏈一個擾動，這個擾動可能會引起動力鏈的諧振。通過實際位置判定摘擋完成后，進(jìn)行調(diào)速，將輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度改變到理想的速度，以便掛擋，扭矩和速差兩條件同時滿足后，再進(jìn)行掛擋，掛擋成功后，擋位更新。

圖6 添加修正值后的選換擋邏輯

目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正流程圖見圖8，當(dāng)油門和制動同時為0時，制動優(yōu)先。

3 臺架數(shù)據(jù)結(jié)論

圖9是兩擋箱動力總成系統(tǒng)臺架，通過編寫路譜，模擬實際坡道工況和改變駕駛意圖工況，爬坡度逐步增加，以2擋進(jìn)入6.8%的坡，完成2擋降1擋、1擋升2擋各一次，最大驗證爬坡度為16.8%，每個換擋循環(huán)周期為80s。

圖7 換擋過程流程圖

圖8 目標(biāo)轉(zhuǎn)速修正流程圖

爬坡?lián)Q擋工況下，2擋狀態(tài)上坡后，輸出扭矩不足以維持當(dāng)前車速，2擋降1擋過程中由于輸出軸轉(zhuǎn)速下降的比電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速要快，調(diào)速完成后遲遲不能觸發(fā)換擋指令，導(dǎo)致?lián)Q擋時間超時而停車。

圖9 系統(tǒng)臺架圖

在坡上進(jìn)行降擋的過程中，先將電機(jī)轉(zhuǎn)速升上去，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速的速差為25r／min時，讓電機(jī)自然降速追輸出軸轉(zhuǎn)速，如圖10所示，此時由于坡上輸出軸轉(zhuǎn)速降速較快導(dǎo)致速差范圍逐步拉大，導(dǎo)致無法觸發(fā)換擋指令二進(jìn)行多次調(diào)速掛擋，出現(xiàn)動力中斷時間長的問題。

爬坡過程深踩油門的情況下，如果檢測到有負(fù)加速度，則目標(biāo)轉(zhuǎn)速下調(diào)，使目標(biāo)轉(zhuǎn)速靠近輸出軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速差范圍后，觸發(fā)換擋指令，添加邏輯后的坡道掛擋工況見圖11。

圖10 坡上換擋故障分析圖

圖11 添加策略后的坡道掛擋圖

策略更新后進(jìn)行精細(xì)化數(shù)據(jù)標(biāo)定，后期試驗過程中由于換擋異常引發(fā)停車的狀況基本不再出現(xiàn)，提升了坡道換擋和改變駕駛意圖工況下的換擋成功率，提高了安全性。

4 結(jié)束語

坡道換擋和改變駕駛意圖是AMT總成系統(tǒng)研究過程中的熱點和難點問題，坡道掛擋失敗嚴(yán)重影響行駛安全性，本文從具體的掛擋過程出發(fā)，通過優(yōu)化策略，大大提高了坡道和改變駕駛意圖換擋成功率，并且通過臺架驗證了本文邏輯的可行性。