趙國(guó)強(qiáng)，任憲豐，李 強(qiáng)，張 超，張明波

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

AMT是在保持機(jī)械式手動(dòng)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(lái)由駕駛員手動(dòng)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(guó)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(jiǎn)單、方便等特性在新能源動(dòng)力總成上得到了廣泛的應(yīng)用［1］。但是AMT存在換擋過(guò)程中動(dòng)力中斷、坡道自動(dòng)起步以及坡道換擋困難等薄弱項(xiàng)，尤其是坡道換擋，如果在坡道上換擋失敗，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，現(xiàn)在一般是通過(guò)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(duì)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(zhǎng)、載質(zhì)量、質(zhì)量功率比和初始速度條件下載重車輛運(yùn)行速度的變化特征，并且得出了車輛在加速過(guò)程中的速度變化比減速過(guò)程中的速度變化要快的結(jié)論；文獻(xiàn)［4］計(jì)算了在相同坡度下，進(jìn)行了坡道穩(wěn)定車速計(jì)算，但是沒有從具體的換擋過(guò)程上進(jìn)行分析。本文從AMT項(xiàng)目開發(fā)過(guò)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(duì)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(guò)準(zhǔn)確地控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使實(shí)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(shí)，入坡后車速下降較快，如果坡道夠長(zhǎng)，則車速降至某一平衡值后即在該速度下穩(wěn)定行駛，不會(huì)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(guò)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)獲取車輛坡道行駛的速度特性［2-4］。

1 AMT換擋過(guò)程簡(jiǎn)介

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

圖1 換擋過(guò)程

掛擋時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(shí)只好退出再掛。進(jìn)擋和退擋都是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(guò)控制策略大大提高了掛擋成功率。

升擋正常工況，此時(shí)在調(diào)速過(guò)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(hào)。描述穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動(dòng)態(tài)過(guò)程隨時(shí)間t變化情況狀況的指標(biāo)，稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。其中調(diào)節(jié)時(shí)間ts指響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%內(nèi)所需的最短時(shí)間，如圖3所示［5］。掛擋過(guò)程中，需要調(diào)節(jié)時(shí)間盡可能的短，同時(shí)要保證扭矩在一定很小的范圍內(nèi)。從圖3中可以看出，實(shí)際轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速需要一定的時(shí)間，現(xiàn)在的算法目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)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(dòng)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(gè)掛擋過(guò)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(shí)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(guò)程進(jìn)入掛擋狀態(tài)后，利用加速度和油門開度或制動(dòng)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(jì)

本文以純電動(dòng)兩擋箱AMT作為驗(yàn)證對(duì)象，搭建臺(tái)架進(jìn)行坡道和改變駕駛意圖策略驗(yàn)證。

從圖4可以看出，在換擋過(guò)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(shí)甚至失敗，影響行車安全。在轉(zhuǎn)速較正常上升的情況也會(huì)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?yàn)橛烷T和制動(dòng)一般不會(huì)同時(shí)存在，當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，制動(dòng)優(yōu)先。當(dāng)油門存在時(shí)，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(dòng)存在時(shí)，利用制動(dòng)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(guò)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(duì)速差和扭矩的門限值進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)程中由于兼顧動(dòng)力性和舒適性，所以換擋時(shí)間有縮短的空間，這樣有利于提高掛擋成功率，本文在實(shí)際坡道換擋和改變駕駛意圖時(shí)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(dòng)兩擋箱系統(tǒng)的換擋過(guò)程流程圖，達(dá)到換擋點(diǎn)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(shí)動(dòng)力鏈突然斷開，造成沖擊。判斷清扭完成，進(jìn)入摘擋過(guò)程，摘擋時(shí)會(huì)給輸出軸動(dòng)力鏈一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)可能會(huì)引起動(dòng)力鏈的諧振。通過(guò)實(shí)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(shí)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(dòng)同時(shí)為0時(shí)，制動(dòng)優(yōu)先。

3 臺(tái)架數(shù)據(jù)結(jié)論

圖9是兩擋箱動(dòng)力總成系統(tǒng)臺(tái)架，通過(guò)編寫路譜，模擬實(shí)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(yàn)證爬坡度為16.8%，每個(gè)換擋循環(huán)周期為80s。

圖7 換擋過(guò)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(guò)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(shí)間超時(shí)而停車。

圖9 系統(tǒng)臺(tái)架圖

在坡上進(jìn)行降擋的過(guò)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(shí)，讓電機(jī)自然降速追輸出軸轉(zhuǎn)速，如圖10所示，此時(shí)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(wú)法觸發(fā)換擋指令二進(jìn)行多次調(diào)速掛擋，出現(xiàn)動(dòng)力中斷時(shí)間長(zhǎng)的問題。

爬坡過(guò)程深踩油門的情況下，如果檢測(cè)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(yàn)過(guò)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(yǔ)

坡道換擋和改變駕駛意圖是AMT總成系統(tǒng)研究過(guò)程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)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(guò)程出發(fā)，通過(guò)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(guò)臺(tái)架驗(yàn)證了本文邏輯的可行性。