劉文光，何 仁，陸 煒，柯童童

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

前言

電控機(jī)械自動(dòng)變速器(AMT)是在傳統(tǒng)機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上增加了離合器、選換擋等電子控制操縱機(jī)構(gòu)，具有操縱方便、成本低和燃油經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，因而在商用車市場(chǎng)得到廣泛的應(yīng)用。由于電控機(jī)械自動(dòng)變速器仍然保留著離合器接合和擋位變換，在車輛行駛過(guò)程中會(huì)引起換擋沖擊。為減少換擋沖擊，電控單元通過(guò)采集道路信息、車輛自身信息和油門開度等影響車輛行駛狀況的因素，采用智能控制的方法控制車輛的換擋及離合器的接合，降低能量在傳動(dòng)過(guò)程的損耗、提高車輛換擋的響應(yīng)速度和乘坐舒適性[5-11]。在換擋重疊區(qū)，由于油門開度的改變及機(jī)械反應(yīng)的滯后，容易在油門開度變化比較大的情況下造成車輛的頻繁換擋，針對(duì)此現(xiàn)象，文獻(xiàn)[12]中提出了根據(jù)油門開度變化率來(lái)識(shí)別突然加減油門開度的工況，通過(guò)設(shè)置換擋延遲時(shí)間，屏蔽突然加減油門的換擋控制策略，有效消除或減少頻繁換擋現(xiàn)象的發(fā)生。本文中通過(guò)在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)事件觸發(fā)器來(lái)識(shí)別油門開度變化率，并依據(jù)事件觸發(fā)器的開閉實(shí)現(xiàn)車輛換擋的控制策略。

1 換擋規(guī)律分析

為獲得最佳的換擋策略，須分析變速器的轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。如果發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與變速器輸入轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)，會(huì)影響車輛的換擋平順性。為了方便計(jì)算，本文中針對(duì)車輛慣性大和擋位接合時(shí)間短的特點(diǎn)，假設(shè)換擋前后車速?zèng)]有發(fā)生變化。

(1)

式中：Me為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩；γ為與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降系數(shù)；ζ為與油門開度變化率有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降系數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率與油門開度變化率的影響，這樣在油門開度變化過(guò)大的情況下進(jìn)行換擋，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩相差過(guò)大，使所設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律與車輛的實(shí)際行駛工況不完全匹配，因此在油門劇烈變動(dòng)的加減速工況下會(huì)產(chǎn)生頻繁換擋現(xiàn)象。

動(dòng)力傳動(dòng)裝置包括離合器和變速器，當(dāng)離合器開始接合時(shí)，其動(dòng)力傳動(dòng)公式為

(2)

(3)

式(2)和式(3)可改寫成：

(4)

(5)

為了分析和方便計(jì)算，將式(4)和式(5)改寫成狀態(tài)空間方程：

Y=CX

(6)

2 換擋策略的系統(tǒng)模型

2.1 換擋過(guò)程的混雜系統(tǒng)分析

混雜系統(tǒng)常采用一組常微分方程來(lái)描述系統(tǒng)連續(xù)部分的特性，用離散事件模型來(lái)表示系統(tǒng)離散部分的特性。其特點(diǎn)是連續(xù)部分運(yùn)行到一定程度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)變過(guò)程，引發(fā)離散部分的發(fā)生，同時(shí)離散事件的產(chǎn)生又會(huì)觸發(fā)新的控制參數(shù)和控制策略，控制連續(xù)部分的運(yùn)行。車輛行駛的車速是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，而擋位變換是一個(gè)離散過(guò)程，因而換擋控制符合混雜系統(tǒng)的特征。對(duì)于AMT離散事件，以tk時(shí)間的連續(xù)狀態(tài)變量v(tk)為輸入量[7]，離散數(shù)值s(tk)為輸出量，則當(dāng)滿足δ(v(tk),s(tk-1),tk)=0的條件時(shí)，離散控制器模型可描述為

s(tk)=H(v(tk),s(tk-1),tk)

(7)

式中H(v(tk),s(tk-1),tk)是離散控制器中離散事件間的關(guān)系函數(shù)，由控制策略確定。

2.2 換擋控制策略

對(duì)于AMT自動(dòng)換擋控制，借助于MATLAB/Simulink建模并進(jìn)行仿真研究，大部分程序采用可視化模塊，避免了代碼編制的繁瑣工作，由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)值計(jì)算，提高了模擬的效率。

Stateflow是MATLAB所提供的另一個(gè)建模仿真工具，它支持使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)開發(fā)基于有限狀態(tài)機(jī)理論復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)系統(tǒng)，由于車輛換擋存在離散換擋和車速的連續(xù)變化，Stateflow能使離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，完成AMT換擋的混雜系統(tǒng)控制。Stateflow的事件和數(shù)據(jù)是一種非圖形對(duì)象，其中輸入事件(數(shù)據(jù))和輸出事件(數(shù)據(jù))具有與Simulink通信的端口，可以實(shí)現(xiàn)信息交互[15-16]。對(duì)車輛換擋建立Stateflow流程圖，如圖1所示。

油門開度變化大時(shí)引起頻繁換擋，在控制中增加了Control事件觸發(fā)器，通過(guò)此觸發(fā)器控制因油門開度變化而引起的擋位變化。當(dāng)Control==0時(shí)，表示控制器的輸出符合油門開度正常變化，可以進(jìn)行正常的升、降擋操作；而當(dāng)Control==1時(shí)，表示油門開度為快速變化，引起車輛換擋的誤操作，不能進(jìn)行正常的升、降擋操作。

2.3 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸分析

為了提高數(shù)據(jù)通信的安全性和準(zhǔn)確性以及減少手柄控制單元中靜電對(duì)整個(gè)電路的影響，提高電路的抗干擾能力，在手柄控制單元部分設(shè)置了保護(hù)措施。采用共模電感，防止電磁對(duì)CAN收發(fā)器的干擾，抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。CAN總線傳輸電路見圖2。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

擋位電路中的數(shù)據(jù)與主控制電路的數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)定CAN數(shù)據(jù)通信規(guī)則進(jìn)行報(bào)文的收發(fā)，完成擋位控制和故障診斷，數(shù)據(jù)寄存器采用32位擴(kuò)展型寄存器，在測(cè)試模型中，CAN數(shù)據(jù)速率采用250kb/s，其擋位通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于AMT換擋控制，進(jìn)行了有、無(wú)Control事件觸發(fā)器干涉的控制系統(tǒng)仿真，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，在油門開度變化較大時(shí)，由于無(wú)Control事件觸發(fā)器干涉，擋位在5、6擋之間出現(xiàn)頻繁換擋，增加了變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損；而通過(guò)增加一個(gè)Control事件觸發(fā)器干涉，可以避免不正確的換擋，提高了乘坐舒適性，其換擋過(guò)程也更符合實(shí)際駕駛員的換擋要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)車輛換擋過(guò)程的混雜系統(tǒng)分析，運(yùn)用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在車輛換擋過(guò)程中采用事件觸發(fā)器來(lái)識(shí)別油門開度的變化率，有效避免了不正確換擋，減少了換擋沖擊，提高了乘坐舒適性。

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