王 斌 高炳釗 陳 虹，2

1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130025；2.吉林大學控制理論與控制工程系，長春130025

1 前言

電控機械式自動變速器（Automatic Mechanical Transmission，簡稱AMT）是在原有干式離合器和定軸齒輪式有級機械變速器基礎上改裝而成的自動變速器。與其他自動變速器相比，AMT具有結構簡單、制造成本低、傳動效率高、適用車型廣等優(yōu)點，有較高的性價比，適合我國國情。然而AMT采用的干式離合器的分合過程會導致舒適性變差，這制約著AMT的推廣。自動離合器系統(tǒng)控制策略的開發(fā)對于解決AMT的平順性問題至關重要。

在AMT自動離合器的控制中，離合器起步控制是控制難點之一。其控制目標有三點：1）車輛起步平穩(wěn)，沖擊度?。?）滑摩功盡可能小，延長離合器壽命；3）充分反映駕駛員起步意圖。在起步過程中既要求車輛行駛平穩(wěn)沒有沖擊，又要保證離合器的使用壽命即起步滑磨功小，前者要求離合器接合時間長，后者要求接合時間短，二者的矛盾給離合器最佳接合規(guī)律的制定帶來了一定的難度。

目前最普遍的離合器控制算法是發(fā)動機恒轉速控制算法，這種控制算法在應用到實車時，標定目標繁多，調試非常復雜。鑒于此，本文采用考慮駕駛員意圖、沖擊度和滑摩功的離合器優(yōu)化控制算法對離合器進行控制，從而提高起步過程的平順性，并且大大降低系統(tǒng)開發(fā)的標定工作量。并且通過模型仿真及快速原型測試對控制算法進行了標定與測試。

2 樣車搭建

設計了AMT離合器執(zhí)行機構，并對一汽轎車公司生產的奔騰B50汽車進行改裝，將該執(zhí)行機構安裝到B50車上，取代離合器踏板的工作，構成了自動離合器變速箱。同時通過B50的診斷座采集CAN總線的信號，通過Micro AutoBox實現(xiàn)與汽車的通信，對數據進行處理，控制離合器的運動。

2.1 自動離合器執(zhí)行機構設計

本文設計的自動離合器執(zhí)行機構采用直流電機作為動力源，利用高傳動效率的滾珠絲杠作為動力轉換裝置，將電機的旋轉運動轉換為直線運動，再通過一系列桿件推動汽車離合器運動。

由于滾珠絲杠的傳遞效率很高，同時也有很高的逆效率，即當驅動電機斷電后，滾珠絲杠不能自行鎖止在當前位置，而會在膜片彈簧力作用下運動。因此在滾珠絲杠和電機之間加裝逆止器，電機的運動可以通過逆止器傳遞給滾珠絲杠，而滾珠絲杠的運動無法通過逆止器傳遞過來，可以保證電機斷電后，汽車離合器可以保持在當前位置，既節(jié)省能量又提高電機的使用壽命。下圖為執(zhí)行機構設計圖。

圖1 離合器執(zhí)行機構Fig.1 clutch actuator1—直流電機，2—逆止器，3—滾珠絲杠1—DC motor，2—non－return device，3—ball screw

2.2 總線改裝

本文設計了H橋電機驅動器，下圖2為其原理圖。從汽車的診斷座將CAN總線信號接出。將CAN總線傳輸的汽車行駛數據傳輸到Micro Auto－Box，根據駕駛員的操作意圖及汽車的行駛數據來控制離合器的運動。電動離合器的信號傳遞方向及執(zhí)行原理如下圖3所示。

圖2 H橋驅動電路圖Fig.2 H－bridge driving circuit

圖3 自動離合器車輛原理圖Fig.3 the principle of the vehicle with automatic clutch

圖4 試驗車Fig.4 the test vehicle

3 控制策略開發(fā)流程

對于控制策略的開發(fā)依循以下四步開發(fā)流程進行。首先，對控制器和被控對象（試驗車）建模，分別形成控制器模型和仿真模型，通過聯(lián)合仿真在仿真模型上實施控制算法對控制參數進行標定。然后，進行快速原型測試，利用dSPACE公司生產的Micro AutoBox將第一步標定后的控制前期與實車相連接，通過實車測試進行控制參數標定。這些早期的功能測試可以提前測試控制器性能并進行高效率的控制器參數標定，此外還可以大大減少軟件故障率。之后，將設定好的控制器模型轉換為實際電控單元ECU的軟件代碼，對其進行硬件在環(huán)測試。最后，用實際的ECU在實車上進行測試和標定。下圖5即為開發(fā)流程圖。

圖5 開發(fā)流程Fig.5 The development process

本文將就控制策略的模型仿真和快速原型測試進行闡述，通過這兩步開發(fā)實現(xiàn)控制策略的基本功能。

4 樣車仿真模型搭建

4.1 樣車仿真模型搭建

根據奔騰B50的發(fā)動機、傳動系等車輛參數搭建樣車傳動系統(tǒng)的AMESim模型。如下圖所示。

圖6 樣車的傳動系統(tǒng)AMESim模型Fig.6 Drivetrain AMESim model of the test vehicle

4.2 模型校驗

模型與樣車的匹配程度決定了仿真結果的可靠性。本文對模型和樣車給以相同的離合器信號和油門踏板信號，采集汽車的發(fā)動機轉速和車速信號進行比較。下圖為離合器從部分接合到全接合過程以及油門從20%開度到50%開度過程的模型仿真結果和實驗值對比。

圖7 模型校驗Fig.7 model validation

圖中Test為實驗值，Simu為仿真值，從圖上可以看出，模型的準確度在15%以內，利用此模型進行的仿真對實驗具有參考價值。

5 仿真驗證

5.1 控制算法設計

傳統(tǒng)的恒轉速控制算法都是在假定起步時發(fā)動機轉速不變并且起步時間可以預測的基礎上實現(xiàn)的。我們知道，車輛起步過程中這些值是在不斷變化的，并且在實現(xiàn)PID控制算法的過程中要標定大量數據，這些標定工作會大大增加開發(fā)周期。為了解決以上問題本文設計了基于LQR的優(yōu)化控制算法對AMT離合器進行起步控制。這個算法可以根據駕駛員對油門踏板和制動踏板的操作判斷駕駛員意圖，并對離合器位置進行實時調節(jié)。

將5檔AMT車輛傳動系統(tǒng)看成二自由度系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運動可以用以下狀態(tài)方程描述：

其中

x＝［ωeωe－ωcTcTeTl］ T

式中，Te為發(fā)動機扭矩，Tc為離合器輸出轉矩，Tl為離合器輸出端的阻力矩，ωe為發(fā)動機轉速，ωc為離合器輸端出轉速，Ie和Iv為轉動慣量，Ce和Cv為阻尼系數。

此控制問題就是下面目標函數的最小化問題。

詳細推導過程見參考文獻［3］。

5.2 控制算法的仿真結果

離合器的接合過程主要分為三個階段：消除空行程和起步阻力階段，滑磨階段，同步階段。在這三個階段中滑磨階段是控制的難點。本文以車輛起步過程中離合器的運動為例來對離合器滑磨過程控制進行研究。

在完成AMESim實驗車模型搭建和MATLAB/Simulink控制器模型搭建之后，進行AMES－im－Simulink聯(lián)合仿真。對汽車小油門、中油門、大油門及坡道起步四種工況進行仿真，得到發(fā)動機轉矩、離合器輸入轉速、離合器輸出轉速的圖像。下圖給出了中油門情況下的圖像。

從以上的仿真結果可以看出，從離合器開始運動到完全結合用時在2秒以內，接合時間短；接合過程平順，車輛加速度率有一定抖動，但時間很短，幅值不大，對舒適性影響不大，達到了預期效果。

6 快速原型測試

為了進一步對優(yōu)化控制策略進行測試與調節(jié)，將優(yōu)化控制模型下載到Micro AutoBox。利用Micro AutoBox作為模擬的TCU在已搭建好的實驗車上對自動離合器進行控制。同樣在小油門、中油門、大油門和坡道起步四種工況進行測試。下面給出了中油門及坡道起步的測試結果。

圖8 中油門起步仿真結果Fig.8 Simulation result of the medium throttle angle

圖9 中油門起步實驗結果Fig.9 Experimental results of medium throttle angle clu為離合器結合深度；clu is the clutch percentage.

從以上的測試結果可以看出，無論什么工況自動離合器接合過程均在2s之內完成，時間短，滑磨功小，有助于延長離合器壽命。并且，離合器接合平順，發(fā)動機轉速與扭矩波動很小，坡道起步過程有一定的抖動，也相對較小，達到了實驗要求。

圖10 坡道起步實驗結果Fig.10 Experimental results of the ramp

7 結論

本文提了科學合理的控制系統(tǒng)開發(fā)流程，該流程是從模型仿真、快速原型、硬件在環(huán)和實車測試四個過程進行開發(fā)。依據此流程對AMT自動離合器控制系統(tǒng)進行開發(fā)，設計了實驗樣車，搭建了樣車的AMESim模型，運用AMESim－Simulink聯(lián)合仿真對控制算法進行初步標定，之后對控制策略進行實驗車測試。通過模型仿真和快速原型測試可以看出本文設計的優(yōu)化控制算法應用于AMT自動離合器時，對于提高車輛的平順性有顯著的效果，同時可以明顯縮短離合器滑磨時間，減小滑磨功。并且此開發(fā)流程科學的縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

［1］ 胡川，汽車AMT自動離合器控制算法研究及快速原型系統(tǒng)開發(fā)，碩士論文，華中科技大學，2007.

［2］ 溫新，電動汽車離合器控制系統(tǒng)設計，碩士論文，華中科技大學，2010.

［3］ B.－Z.Gao，H.Chen，X.－H.Lu and K.Sanada，An Improved Optimal Controller for Start－up of AMT Trucks in Consideration of Driver’s Intention，International Journal of Automotive Technology，Vol.14，No.2，pp.213？220.2013.

［4］ 雷玉龍，葛安林，李永軍，離合器起步過程的控制策略，汽車工程，Vol.22，No4，pp266－281.

［5］ 姚琳，微車自動離合器電子控制單元，碩士學位論文，武漢理工大學，2010.

［6］ Bin Wang，Hanqi Yue，Qi Han，Bingzhao Gao，PID control of an electric clutch actuator，Applied Mechanics and Materials，v 190－191，p 719－723，2012，Digital Manufacturing and Automation III.

［7］ 余春暉，陳慧巖，丁華榮，車輛離合器起步階段模糊控制的研究，Vol.27，No4，pp423-430.