基于发动机联合控制的AMT换挡控制策略

谢先平 梅近仁 李 君 王天生

（联合汽车电子有限公司技术中心）

1 前言

与液力自动变速器、无级变速器及双离合器自动变速器等自动变速器相比，机械自动变速器（AMT）结构简单，传动效率高，可基于现有MT升级改造，成本低，非常适合微型汽车和经济型车辆搭载。不足之处是AMT换挡动力存在一定中断，影响换挡舒适性，特别是在驾驶员欲急加速的情况下，换挡动力中断将影响驾驶感觉。减小AMT换挡动力中断，提高换挡舒适性和动力性是提高AMT换挡品质的关键。相比AT等变速器，AMT换挡过程中发动机需要进行扭矩干预控制，即离合器和发动机控制需紧密配合[1,2]。因此，AMT换挡品质是由离合器控制和发动机控制共同决定的。此前的研究中，由于ECU中基于CAN总线的扭矩控制功能不开放，TCU只能通过调节发动机节气门或外部强制断油来实现发动机的扭矩协调控制，而发动机扭矩涉及到进气、喷油、点火的复杂控制，TCU无法对发动机喷油量和点火提前角进行主动调节，因而无法实现对发动机扭矩的快速、精确控制[3,4]。另外一方面，TCU无法得到发动机精确扭矩信息，不能基于发动机扭矩对离合器进行精确控制。随着ECU中CAN扭矩控制协议和功能的逐渐开放，基于发动机扭矩请求的AMT换挡控制成为趋势，但相关文献较少。本文从基于CAN总线的发动机扭矩控制角度出发，提出了一种发动机扭矩-离合器协调控制的换挡控制策略。

2 AMT换挡类型

AMT换挡目标是平顺舒适、动力中断小、离合器滑摩功小且能够反映驾驶员意图。上述目标在一定程度上是矛盾的，加大换挡过程中离合器分离及接合时间，可提高换挡平顺性，但不能很好地反映驾驶员意图，同时也会加大离合器滑摩，影响离合器寿命，因此AMT换挡过程需要进行综合考虑。

AMT换挡工况多种多样，为保证不同工况下都有较好的换挡品质，应对不同换挡工况采取不同的控制策略，因此首先有必要区分并检测AMT换挡工况。根据AMT换挡时刻车辆工况，本文将换挡工况分为4种基本情形。

a.动力ON升挡

换挡时刻发动机处于驱动工况，发动机驱动车辆，目标挡位增加。此工况一般为踩油门，车辆加速穿越升挡线，导致车辆升挡。动力ON升挡包括动力ON顺序升挡和动力ON跳跃升挡。

b.动力OFF升挡

换挡时刻发动机处于倒拖工况，车辆倒拖发动机，目标挡位增加。此工况一般为急松油门，油门开度急剧减小穿越升挡线，导致车辆升挡。其包括动力OFF顺序升挡和动力OFF跳跃升挡。

c.动力ON降挡

换挡时刻发动机处于驱动工况，发动机驱动车辆，目标挡位减小。此工况一般为急踩油门，油门开度急剧增大穿越降挡线，导致车辆降挡。其包括动力ON顺序降挡和动力ON跳跃降挡。

d.动力OFF降挡

换挡时刻发动机处于倒拖工况，车辆驱动发动机，目标挡位减小。此工况一般为松油门车辆滑行或踩制动踏板制动，车速逐渐降低穿越降挡线，导致车辆降挡。其包括动力OFF顺序降挡和动力OFF跳跃降挡。

除了以上基本换挡工况外，还包含有动力ON/OFF切换换挡工况。

3 基于CAN总线的发动机联合控制策略

AMT换挡过程和MT类似，不同的是换挡过程中加速踏板位置保持不变，其间需要对发动机扭矩进行协调控制。

ECU具有精确的扭矩控制模型，可以通过对点火和进气的调节实现扭矩的精确控制[5]。基于CAN总线的发动机协调控制可以利用ECU的扭矩协调功能进行精确的扭矩控制，即基于CAN通讯协议，TCU向ECU发送扭矩或转速控制指令，ECU利用其相关协调功能通过同时调节点火角和进气量，实现扭矩的快速、精确控制，实现对TCU的快速响应。同时，ECU向TCU发送发动机及车辆相关信息，如发动机扭矩、车速等。

本文对于发动机协调控制采取如下4种方式。

a.发动机正常工作模式

发动机扭矩控制不受TCU影响，完全由ECU进行控制。在非换挡工况，发动机工作于正常模式。

b.发动机扭矩控制模式

TCU通过CAN总线向ECU发出目标扭矩请求，ECU响应TCU的扭矩控制请求，同时ECU也会对TCU发出的目标扭矩进行必要的协调。发动机扭矩控制模式发生在离合器分离和接合控制阶段。

c.发动机转速控制模式

TCU通过CAN总线向ECU发出目标转速请求，ECU根据TCU发出的目标转速进行扭矩调节，使发动机转速达到目标转速。发动机转速控制模式发生在选换挡及离合器初期接合阶段。

d.爬行扭矩控制模式

爬行扭矩控制模式属于增扭控制模式。TCU向ECU发出目标爬行扭矩请求，ECU响应TCU的增扭请求。爬行扭矩控制模式发生在爬行起步或坡道起步工况。

基于CAN总线的TCU-ECU联合控制原理如图1所示。

4 离合器分离阶段联合控制策略

AMT换挡过程分为3个阶段：离合器分离阶段（P1阶段）、选换挡阶段（P2阶段）和离合器接合阶段 （P3阶段）。分离阶段控制目标是发动机转速平稳，离合器在尽量短的时间内分离且车辆不能出现明显的减速冲击。对于动力OFF换挡，控制相对简单，对于动力ON换挡，需要对离合器分离过程和发动机降扭进行协调控制。若离合器分离过快，发动机扭矩降低慢，则会导致发动机转速急剧上升，发动机产生轰响；若发动机扭矩降低过快，离合器分离慢，则发动机可能发生倒拖，使车辆产生制动感；若发动机扭矩降低和离合器分离都过慢，则会加大换挡时间，影响AMT换挡动力性。

离合器具有非线性的扭矩传递特性，根据车辆运行工况，离合器分离过程分成快-慢-快3个阶段：

第1阶段：离合器快速分离至与发动机扭矩匹配的接合位置（图2中A点）。此目标位置可根据当前发动机扭矩和离合器扭矩传递特性计算得出，实际中可以通过台架试验标定得出。离合器分离速率取尽可能大的值，以减小第1阶段的时间。

第2阶段：离合器慢速分离，分离速率由油门开度和发动机当前瞬时扭矩决定。当前扭矩大，离合器分离速率慢，当前扭矩小，离合器分离速率快，使得离合器位置和发动机扭矩相适应，保证发动机转速平稳，也不下降过快，车辆无突然动力中断的感觉。

第3阶段：在离合器位置分离至滑摩点（即离合器刚能传递扭矩所对应的点，图2中B点）后，快速分离至最小位置。离合器分离至滑摩点，离合器不传递扭矩，快速分离离合器有利于减小整个换挡时间。

发动机降扭控制策略：同离合器控制相对应，也分为3个阶段进行控制。第1、2阶段，当发动机转速高于目标怠速转速时，在离合器分离至滑摩点之前，发动机按照设定降扭速率进行降扭。发动机降扭速率由油门开度和发动机当前瞬时扭矩决定，油门开度大，发动机当前扭矩大，降扭速率越大，反之降扭速率小，以保证不同工况下整个降扭时间基本不变。第3阶段，在离合器分离至滑摩点之后，令发动机目标扭矩为0，使发动机快速降扭，防止发动机不带载转速急剧上升，同时利用ECU的怠速控制功能进行转速控制，防止发动机转速过低。在整个过程中，若出现发动机转速低于目标怠速的情况，为防止发动机熄火，令目标扭矩等于当前发动机最小扭矩，以维持发动机稳定运转。

5 发动机转速控制策略

AMT在换挡时，由于换挡前、后车速基本不变而变速器速比发生变化，会导致换挡前、后离合器输入轴转速发生跳变，如不对发动机转速进行调节，在离合器接合时主、从动部分将会产生较大转速差，延长离合器滑摩时间，增大离合器滑摩功[6]。为减小离合器接合时主、从动部分转速差，在变速器选换挡阶段及离合器接合空行程阶段，需要对发动机转速进行调节。发动机转速调节可以有2种方式，一种方式是采用转速控制方式，TCU只向ECU发送转速控制指令和目标转速，具体调节过程由ECU功能实现；第二种方式是采用扭矩控制方式，转速调节功能由TCU完成，TCU将目标发动机扭矩发送给ECU，ECU根据目标扭矩指令进行扭矩控制，间接达到调节发动机转速的目的。本文采用第一种方式，利用ECU所具有的转速控制功能达到转速调节的目的。

不同的换挡过程和换挡类型对于转速控制的目的不同，对于动力ON升降挡而言，主要关注动力性，对于动力OFF换挡而言，主要关注换挡的平顺性。因此对于不同的换挡类型应采取不同的转速控制策略。

动力ON升挡：目的是降低发动机转速，使之与换挡后的离合器输入轴转速接近，减小离合器主、从动部分转速差。理论上，在选换挡阶段，如果将发动机转速调整为换挡后的离合器输入轴转速，则离合器主、从动部分转速差最小，离合器可以快速接合，离合器滑摩功最小。测试中发现，这种情况下换挡动力性较差，原因是发动机扭矩恢复慢且无法充分利用离合器的滑摩作用。如果合理利用离合器的转速差及滑摩作用，则可以在发动机扭矩较小时使车辆获得一定的驱动力，待离合器同步后，通过发动机扭矩的增加，来恢复车辆的驱动力。这样既可以提高离合器接合初期的换挡动力性，又不至于产生过大的滑摩功。为增强动力ON升挡动力性，提出转速控制策略如图3所示。

动力OFF降挡：目的是提高发动机转速，使之与换挡后的离合器输入轴转速接近。测试中发现，若目标转速过低，则发动机转速上升慢且幅度小，离合器接合过程中容易产生发动机倒拖感，车辆容易出现制动感，同时产生过大的滑摩功；若目标转速过高，则发动机转速可能过快上升，产生轰响，在离合器同步时还可能产生冲击。特别是在2降1换挡工况，由于2挡和1挡速比相差很大，发动机转速调整量很大，容易产生轰响，给人不舒服的感觉。为克服这两种问题，动力OFF降挡目标转速也需根据换挡工况进行调整。目标转速具体算法与动力ON升挡相同，但需根据不同工况进行匹配。

动力ON降挡控制策略与动力ON升挡类似，目标转速需要配得较高，以减小动力中断的感觉。动力OFF升挡策略与动力OFF降挡类似，目标转速需要配得较低，提高换挡平顺性。

6 离合器接合阶段联合控制策略

离合器接合阶段控制目标是发动机扭矩尽快恢复且转速平稳，离合器尽快接合同步，且车辆无冲击，既具有较好的平顺性，又具有较好的动力性。对于动力OFF换挡，控制相对简单，主要在于离合器的接合控制，对于动力ON换挡，需要对离合器接合和发动机扭矩恢复进行协调控制。若离合器接合过快，发动机升扭慢，则会产生同步冲击；若离合器接合过慢，发动机升扭快，则发动机转速可能会急剧上升，加大滑摩时间和滑摩功，影响AMT换挡舒适性。根据离合器特性，离合器接合分成快-慢-快3个阶段进行控制：

第1阶段：快速接合至离合器滑摩点，消除空行程，缩短离合器接合时间。实际中为防止执行机构超调，需要在滑摩点之前的某个位置（图4中A点）结束快速接合控制而进行慢速接合控制。

第2阶段：离合器滑摩阶段，离合器慢速接合，接合速度根据油门开度和离合器主从动转速差确定。对于某一换挡工况，换挡品质的好坏可以从离合器主、从动转速差的变化表现出来，其体现了发动机扭矩和离合器的配合状态，在发动机扭矩恢复过程确定的情况下，可以很好地反映离合器的接合状态。油门开度反映了驾驶员意图，特别是对于动态工况，利用油门开度作为参数可以对换挡过程进行动态调节。油门开度越大，离合器总体上应接合快，反之应接合慢。对于稳定油门换挡工况，换挡点基本固定，离合器主、从动转速差大时，即离合器接合初期，离合器应快接合，提高换挡动力性；待离合器主、从动转速差减小时，离合器应慢接合，防止产生同步冲击。

第3阶段：同步接合阶段，离合器主、从动部分同步后，离合器快速接合至最大位置，加快换挡过程。

发动机扭矩恢复控制策略：同离合器控制相对应，也分为3个控制阶段。第1阶段，仍然进行发动机转速控制；第2阶段：发动机升扭速率由油门开度和发动机当前瞬时扭矩决定，油门开度大，发动机当前扭矩小，升扭速率越大，反之升扭速率小。第3阶段，离合器同步后，发动机扭矩快速恢复至驾驶员需求扭矩，升扭速率根据驾驶员需求扭矩决定，驾驶员需求扭矩越大，扭矩恢复速率越快，反之越小。

7 试验结果

基于某款MT车辆开发了AMT样车，并采用文中策略完成了TCU控制软件开发和预标定。图5和图6是动力ON升挡及动力OFF降挡测试结果。图中，ne为发动机转速，nt为输入轴转速，ns为转速控制目标转速，clup为离合器位置，Treq为发动机干预目标扭矩，Te为发动机瞬时扭矩，a为节气门开度，va为车速，Te为发动机瞬时扭矩。

从图5中可以看出，动力ON升挡工况下，发动机转速变化平稳，换挡冲击小，动力中断及滑摩功小。原因是，离合器分离过程中离合器分离和发动机降扭保持协调一致，发动机转速平稳，车辆继续保持一定的加速度，保持了一定的动力性；选换挡过程中通过转速控制减小了离合器主、从动转速差，使发动机保持了一定的扭矩，加快了第3阶段扭矩恢复，同时通过离合器滑摩作用，提高了离合器接合初期换挡动力性；离合器接合阶段离合器接合与发动机扭矩恢复保持一致，即保持了换挡舒适性，减小了滑摩功，又增强了换挡过程的动力性。图6中动力OFF降挡平稳快捷，通过发动机转速控制及扭矩控制，减小了离合器主、从动部分转速差，车辆无制动感，发动机转速无轰响，获得了很好的换挡效果。

8 结束语

在确定换挡类型的基础上，提出了基于CAN总线的离合器和发动机联合控制策略。针对不同工况提出了离合器分离速率和发动机降扭协调控制策略，以及离合器接合速率和发动机升扭协调控制策略，使离合器控制和发动机扭矩控制协调一致，选换挡过程中采用动态调整的转速控制策略。试验结果表明，该策略可以改善换挡过程的平顺性和动力性，有助于提高AMT换挡品质。

1 孔慧芳.电控机械式自动变速器中传动与控制的关键技术研究：[学位论文].合肥：合肥工业大学，2008.

2 Surampudi B,et al.Control System Development for Retrofit Automated Manual Transmissions.SAE 2009－28－0001.

3 黄建明.机械式自动变速器的控制策略研究：[学位论文].重庆：重庆大学，2004.

4 何忠波，白鸿柏，张培林，等.提高AMT车辆换挡品质控制策略与试验研究.汽车工程，2006，28（9）:839～843.

5 Satou S， et al.An accurate torque－based control by learning correlation between torque and throttle position.SAE 2008－01－1015.

6 刘振军，秦大同，叶明.电控机械自动变速车辆发动机转速控制.重庆大学学报（自然科学版），2007，30（11）:5～8.