黃 偉，孫倫業(yè)，陳加超，徐瑞雪，尹良杰

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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DCT整車起步控制策略及試驗(yàn)

黃 偉1，孫倫業(yè)2，陳加超1，徐瑞雪1，尹良杰1

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為了進(jìn)一步優(yōu)化起步控制，分析了濕式雙離合器自動變速器的特點(diǎn)，建立了起步過程的動力學(xué)建模，以面向?qū)ο蟮乃枷雱澐至薉CT起步的四個階段并基于此制定了單離合器起步的控制策略，以江淮汽車自主研發(fā)的DCT為目標(biāo)進(jìn)行了策略的標(biāo)定和試驗(yàn)工作，通過優(yōu)化不同油門開度下的標(biāo)定參數(shù)所得到的結(jié)果表明，本文提出的控制策略能很好的滿足濕式DCT汽車的起步性能要求。

DCT；面向?qū)ο?；起步控制；?biāo)定

雙離合器自動變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是近年興起的一種自動變速器，其兼顧了手動變速器的高傳動效率和液力變矩器自動變速器的換擋舒適，且具有換擋速度更快的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。起步控制是完成車輛從靜止到運(yùn)動狀態(tài)切換的關(guān)鍵，涉及到離合器Kiss point點(diǎn)識別、離合器壓力控制及發(fā)動機(jī)扭矩控制。文獻(xiàn)[3]研究了兩個離合器同時滑摩，其優(yōu)點(diǎn)是在一定程度上減小了兩個離合器滑摩程度不同，且縮短了起步時間，提高了平順性；缺點(diǎn)則是邏輯設(shè)計(jì)和標(biāo)定難度較大，如果兩個離合器的控制時序設(shè)計(jì)的不夠精細(xì)的話，會導(dǎo)致離合器的雙鎖死問題。文獻(xiàn)[4]通過DSP數(shù)據(jù)采集設(shè)備研究了斯柯達(dá)的起步過程，但是僅限于離合器的控制原則的試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]建立了起步過程的模糊控制器模型并仿真，但沒有對該控制策略進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證與標(biāo)定。文獻(xiàn)[6]基于補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了基于油門變化率的起步控制策略，但是其沒有考慮該種算法在嵌入式控制系統(tǒng)中的計(jì)算負(fù)荷和通用性問題。

本文的研究基于單個離合器的控制，劃分了起步的四個關(guān)鍵階段，并分別進(jìn)行控制。

1 起步過程動力學(xué)模型

車輛動力傳動系統(tǒng)是一個連續(xù)、復(fù)雜的多質(zhì)量、多自由度系統(tǒng)，在建立其模型前需要對其進(jìn)行簡化。為此，做如下4點(diǎn)假設(shè)：①系統(tǒng)是由無慣性的彈性環(huán)節(jié)和無彈性的慣性環(huán)節(jié)組成；②忽略軸的橫向振動；③忽略軸承和軸承座的彈性以及齒輪嚙合彈性；④忽略系統(tǒng)的間隙和阻尼；根據(jù)以上假設(shè)，將系統(tǒng)簡化為一個離散化的當(dāng)量系統(tǒng)。離合器主動軸之前的參數(shù)或變量向主動軸轉(zhuǎn)化，即向發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)化；離合器從動軸之后的參數(shù)或變量向從動軸轉(zhuǎn)化，即向車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)化?；谏鲜黾僭O(shè)，建立濕式雙離合器自動變速器系統(tǒng)的換檔動力學(xué)模型簡圖，如圖 1所示。

圖1 DCT換擋動力學(xué)模型簡圖

圖1中各符號的意義為

Te為發(fā)動機(jī)輸出扭矩，Nm；Tc1為離合器傳遞的扭矩，Nm；Tc2為離合器官傳遞的扭矩，Nm；Tout為輸出到車輛的扭矩，Nm；Ts為滑摩控制扭矩，Nm；T11、T21為離合器1和2的主動盤扭矩，Nm；T12、T22為離合器1和2的反作用扭，Nm；Tw為折算到車輪輪軸上的扭矩，Nm；ωe發(fā)動機(jī)角速度，rad/s；ωc1為離合器1的角速度，rad/s；ωc2為離合器2的角速度，rad/s；ωout為輸出軸的角速度，rad/s；Ie為發(fā)動機(jī)和離合器主動部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Ic1為離合器1從動部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Ic2為離合器2從動部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Iw為車輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；i1為包含1擋、主減速器的總傳動比；io為主減速比。

本文以一檔起步為例，根據(jù)不同的階段，列出如下動力學(xué)方程：

1) 起步準(zhǔn)備階段

Tout=Tc1=0

ωc1=0

2) 轉(zhuǎn)速快速提升和預(yù)同步閉環(huán)調(diào)節(jié)階段

3) 同步后的滑摩控制階段

2 起步控制策略

起步控制反映的是駕駛員希望車輛從靜止到運(yùn)動這一過程的快慢程度，即通過操作中小油門，駕駛員希望比較平穩(wěn)柔和的起步感覺，而通過操作大油門甚至全油門，駕駛員希望得到響應(yīng)迅速，帶有運(yùn)動感的起步感覺[7]?；诖耍梃b軟件工程領(lǐng)域的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，把起步劃分為四個階段，分階段控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制影響其的發(fā)動機(jī)扭矩、離合器油壓、滑摩率等參數(shù)，從而保證起步過程平穩(wěn)且響應(yīng)迅速。圖2所示為一個典型的1擋起步操作的控制過程。

圖2 起步過程示意圖

1) 起步準(zhǔn)備階段：離合器1控制油壓預(yù)充的半聯(lián)動點(diǎn)，以節(jié)約起步的準(zhǔn)備時間，同時為整車的起步做準(zhǔn)備。

2) 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速快速提升階段：根據(jù)駕駛員踩下油門踏板的開度大小和變化斜率，系統(tǒng)通過查表得出目標(biāo)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速上升的斜率，根據(jù)此目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前實(shí)際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，得到期望的離合器壓力，當(dāng)發(fā)動機(jī)輸出正扭矩，同時TCU減小離合器的油壓，其產(chǎn)生的共同作用就是使得發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速快速提升，滿足駕駛員快速起步的需求。

3) 轉(zhuǎn)速預(yù)同步閉環(huán)調(diào)節(jié)階段：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升到與期望轉(zhuǎn)速的差值小于150 r·min-1之內(nèi)時，進(jìn)入轉(zhuǎn)速同步前的閉環(huán)PID控制階段，以該轉(zhuǎn)速差為輸入量，通過標(biāo)定試驗(yàn)對P、I、D項(xiàng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是使轉(zhuǎn)速同步過程平順，無沖擊，為進(jìn)入滑摩控制做準(zhǔn)備。在此階段，由于實(shí)際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速的差值已經(jīng)很小(150 r·min-1以內(nèi))，所以離合器的壓力此時已經(jīng)基本上恢復(fù)到傳遞發(fā)動機(jī)扭矩所需的水平。

4) 轉(zhuǎn)速同步后的滑摩控制階段：該階段的控制基于離合器的主動盤和從動盤角速度的滑差，滑摩控制的目標(biāo)是保持轉(zhuǎn)速差在一個合理的范圍內(nèi)，既保證DCT的高傳動效率，又保證良好的舒適性，通過滑摩過濾來自傳動系統(tǒng)的隨機(jī)激勵，以達(dá)到良好的駕駛舒適性，在本文的模型中，滑摩率設(shè)定為0.9%。此階段離合器壓力主要基于所傳遞的發(fā)動機(jī)扭矩，外加滑摩控制的調(diào)節(jié)扭矩，可以認(rèn)為此時處于“剛性”連接的狀態(tài)。

圖3 起步控制邏輯框圖

圖3所示為起步過程的控制邏輯框圖，基于此框圖，建立Simulink/Stateflow仿真模型驗(yàn)證策略的效果(見表1)。

表1 各Map圖的含義匯總

其中，起步控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)在于：對第一階段，離合器預(yù)充油至當(dāng)前變速箱油溫對應(yīng)的半聯(lián)動點(diǎn)壓力以下約5kPa，不可以過充或壓力充不到目標(biāo)值，前者會導(dǎo)致意外的沖擊，后者則會導(dǎo)致起步響應(yīng)滯后；第二階段，其控制原則是根據(jù)油門開度和變化率確定對應(yīng)于不同的發(fā)動機(jī)扭矩，離合器扭矩的變化幅度，離合器扭矩又對應(yīng)著離合器的實(shí)際工作壓力；第三階段，關(guān)鍵是設(shè)定合適的轉(zhuǎn)速差閾值，閾值太小留給PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)的時間就很短，可能會導(dǎo)致超調(diào)，而如果閾值偏大，則過早的進(jìn)行調(diào)節(jié)，也會影響轉(zhuǎn)速同步的穩(wěn)定性，在確定了閾值后，使輸入軸轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步的PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)就需要進(jìn)行精調(diào)了；第四階段，設(shè)定合適的滑摩率和滑摩調(diào)節(jié)參數(shù)，保證較高的傳動效率和過濾一部分來自傳動系的擾動的能力，即取得一個合理的平衡。

3 試驗(yàn)結(jié)果與評價

基于前述的動力學(xué)方程和控制策略，以搭載江淮汽車自主研發(fā)的DFT630濕式雙離合器自動變速箱的某車型為研究載體，在Matlab/Simulink/Stateflow[8]和TargetLink仿真及代碼生產(chǎn)工具鏈上完成了扭矩控制、離合器壓力控制、檔位控制、駕駛員起步踏板開度、轉(zhuǎn)速同步及滑摩控制等模塊的軟件開發(fā)，將控制軟件下載到TCU中，通過標(biāo)定的優(yōu)化，得到了三種典型油門(10%、50%、100%)開度下的起步工況數(shù)據(jù)，以沖擊度和滑摩功[9]為評判依據(jù)，評價本文設(shè)計(jì)的起步控制策略的控制效果。

3.1 評價指標(biāo)

沖擊度和滑摩功是DCT控制品質(zhì)評價的兩個關(guān)鍵維度。沖擊度是車輛縱向加速度對時間的導(dǎo)數(shù)，這種運(yùn)算把道路不平引起的彈跳和顛簸等加速度干擾排除在外，能夠客觀地反映駕駛員對來自于變速箱的沖擊的感覺。其計(jì)算公式為

而滑摩功則定義為離合器主從動盤間滑動摩擦力矩所做功的大小，其客觀反映了由于摩擦導(dǎo)致的能量損耗，顯然，滑摩功應(yīng)該盡可能的小，以避免不必要的摩擦損失。其計(jì)算公式為

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在某試驗(yàn)樣車上對起步控制相關(guān)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了三種典型的油門開度(分別為10%、50%、100%)下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速、離合器期望壓力與實(shí)際壓力、沖擊度、滑摩功的結(jié)果，結(jié)合駕駛員主觀駕駛評價，在各典型油門下起步響應(yīng)及時、平順，基本沒有令駕駛員感到不適的沖擊、頓挫或加速遲滯，圖4～圖6分別為測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

t/s1. 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；2. 輸入1軸轉(zhuǎn)速；3. 輸入1軸轉(zhuǎn)速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實(shí)際離合器壓力

t/s

t/s圖4 10%油門起步(轉(zhuǎn)速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

t/s1. 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；2. 輸入1軸轉(zhuǎn)速；3. 輸入1軸轉(zhuǎn)速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實(shí)際離合器壓力

t/s

t/s圖5 50%油門起步(轉(zhuǎn)速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

t/s1. 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；2. 輸入1軸轉(zhuǎn)速；3. 輸入1軸轉(zhuǎn)速

t/s1. 期望離合器壓力；2. 實(shí)際離合器壓力

t/s

t/s圖6 100%油門起步(轉(zhuǎn)速、離合器壓力、沖擊度、滑摩功)

在起步過程中二軸轉(zhuǎn)速有一個掉坑然后又恢復(fù)的過程，這是由于變速箱的倒擋和一擋布置在一根軸上，所以一軸剛開始旋轉(zhuǎn)時二軸會同步旋轉(zhuǎn)，等到滿足預(yù)掛二擋的條件時，從倒擋切換到二擋，于是就出現(xiàn)了圖中的現(xiàn)象。圖4中轉(zhuǎn)速同步成功后，1軸轉(zhuǎn)速略大于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，這是由于此時滑摩控制器在進(jìn)行調(diào)節(jié)，主觀感受不到發(fā)動機(jī)被拖曳的感覺；而圖4中的離合器壓力曲線在4s后才真正進(jìn)入起步控制，0～4s內(nèi)都是處于蠕動狀態(tài)，這從1軸的轉(zhuǎn)速曲線可以看出。

4 結(jié)束語

起步控制是濕式DCT控制過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，須兼顧起步的響應(yīng)速度和舒適性。其影響因素包括發(fā)動機(jī)輸出扭矩、離合器的半聯(lián)動點(diǎn)對應(yīng)的離合器壓力值、充油響應(yīng)速度和精度、滑摩控制精度等很多方面。本文采取單一離合器起步的控制方式，分析起步的四個階段中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系及為了達(dá)到此種目標(biāo)所需要的各階段的扭矩控制和離合器壓力控制的策略，通過對發(fā)動機(jī)控制器和變速箱控制器的聯(lián)合標(biāo)定，確定了比較理想的控制參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制策略是可行的，起步控制效果良好，符合駕駛員對車輛起步的快速性和平順性要求。而影響起步過程的其他因素如離合器半聯(lián)動點(diǎn)與變速箱油溫的關(guān)系及充油響應(yīng)精度等，還有待下一步工作的研究分析。

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(責(zé)任編輯：李 麗，范 君)

Strategy and Verification of Launch Control Logic in DCT Vehicle

HUANG Wei1, SUN Lun-ye2, CHEN Jia-chao1, XU Rui-xue1, YIN Liang-jie1

(1.Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO.,LTD, Hefei Anhui 230022, China; 2. School of Mechanical Engineering，Anhui Technical University, Huainan Anhui 232001, China)

In order to further optimize the initial control, based on the analysis of wet dual clutch transmission’s working principle, this paper set up the dynamic equations during launch phase, divided the launch into four steps and raised the strategy adopting the object oriented programming principle. After that the calibration and test verification of the model were finished in the test vehicle of Jianghuai Automotive Company. With the optimization of the parameters in different gas pedals, the vehicle can get good launch performance and quality working with the strategy and model raised in the paper.

dural clutch transmission; object oriented; launch; calibration

2015-11-13

黃偉(1982-)，男，安徽定遠(yuǎn)人，工程師，碩士，研究方向：動力總成控制策略開發(fā)與驗(yàn)證。

U463.21

A

1672-1098(2016)05-0035-05