基于CAN总线控制的ZF AMT的匹配与应用

黄志刚（东风商用车有限公司东风商用车技术中心，武汉 430056）

基于CAN总线控制的ZF AMT的匹配与应用

黄志刚
（东风商用车有限公司东风商用车技术中心，武汉 430056）

本文基于对ZF 12档AMT的匹配与应用，在介绍CAN通信相关知识的基础上，对AMT的基本控制原理、车辆起步，升、降档过程及优化标定起步档位、换档时间等进行分析研究。

AMT结构；控制原理；标定与性能优化

黄志刚

毕业于湖北汽车工业学院，本科学历，现任东风商用车技术中心底盘开发部主管工程师，主要研究方向： 底盘传动系统开发。已发表文章数篇，2010至今获东风公司科技进步一等奖、三等奖各1项；发明、实用新型专利等8项，公司绝密级专有技术3项。

1　引言

随着汽车控制局域网（Controller Area Network，CAN）在汽车上的应用推广，机械式自动变速器（Automated manual transmission，简称AMT）技术作为车辆智能传动的核心技术之一，应用日益广泛。AMT是在传统的机械式变速器基础上集成了自动换档模块，实现自动换档功能。相比较传统变速器，AMT具有如下优势：

（1）结构简单、操作方便；

（2） 降低燃油油耗；可减少驾驶员熟练程度对燃油经济性的影响。

（3） 延长离合器使用寿命；

（4） 驾驶舒适性好、降低驾驶员疲劳强度；

本文在介绍CAN通信相关知识的基础上，结合ZF 12档AMT的匹配与应用，对AMT的基本控制原理、车辆起步，升、降档过程，优化标定起步档位、换档时间等进行分析研究，对于ZF AMT技术的在整车上的商品化应用以及东风AMT核心控制技术的开发有积极的参考意义。

2　CAN总线的特点与通信协议

由于现代汽车的技术水平大幅提高，要求能对更多的汽车运行参数进行控制，因而汽车控制器（ECU）的数量在不断的增多，从开始的几个发展到几十个。ECU数量的增加，使得它们互相之间的信息交换也越来越密集。

车上的布线空间有限，CAN-Bus系统的连接方式采用串行方式，不同ECU之间的信息传送方式是广播式传输。也就是说每个ECU不指定接收者，把所有的信息都往外发送；由接收ECU自主选择是否需要接收这些信息。

AMT变速箱控制单元（TCU）属于总线上的一个控制单元，与CAN网络上的其他用户之间的数据交换当然也遵循上述规则，相关内容SAE J1939协议上有明确规定。

3　ZF AMT系统结构

ZF AMT系统由机械变速器本体和实现自动换挡需要的各个模块组成。包括TCU控制单元（AMT ECU的简称），换档执行器和离合器执行器执行单元；除此以外，还有人机操作界面，档位选择器（控制台开关）、档位显示器、连接线束等外部设备也必须安装到车辆上。

TCU：作为自动换档控制的核心，接收并处理来自CAN总线及AMT内部的各种信息的各种需信息。

执行单元：接受TCU指令，驱动离合器分离、接合及换档动作。

人机操作界面：包括档位选择器、旋钮开关、档位显示。档位选择器用于手动干预选、换档，旋钮开关用于驾驶模式的选择，包括前进、倒退及蠕动模式等。档位显示用于提示驾驶员当前车辆的档位信息。

4　ZF AMT控制基本原理

通过CAN总线将车辆各ECU连接成网络，AMT TCU作为网络中的一个节点，可以接收其他接点通过CAN总线发出的信息，TCU通过对以上接收的各种信息进行综合处理，控制离合器执行器来分离离合器，同时驱动变速器执行器来实现选档和换档动作。

AMT要实现智能换档，TCU除了对其自身档位信息、变速器一轴转速、离合器位置及气压等信息进行采集外，还需要接收总线上其它控制器（EECU、ABS、EBS、Retarder等）发出的信息，比如油门开度、发动机转速、车速以及是否有辅助制动工作等。

4.1TCU对离合器执行器的控制

对离合器执行器的控制是AMT自动换档控制的关键内容，关系到起步平顺性及换档品质。

ZF AMT的离合器执行器集成了气缸、活塞、行程传感器以及两组共四个电磁阀，用于离合器的分离与接合控制。下图4为离合器执行器的内部原理图。

ZF AMT对车辆气压要求为7.0-12.0Bar，为了保证气压稳定可靠，气路增加了单向阀。MV1、MV2、MV3、MV4为四个电磁阀，用于TCU对气缸进、排气的控制，由于四个电磁阀通径不同，相同时间内的进气量也不相同。另外通过电磁阀开闭时间的长短，也可调节离合器执行器的气缸进气量与进气时间。

车辆起步过程中，根据司机对油门开度的控制，TCU控制单元识别其驾驶意图，开始执行离合器动作。离合器的接合可分为消除自由间隙、相对滑磨和同步接合三个阶段，对应快、慢、快三个过程，在离合器达到半接合点以前，离合器未接合，此过程希望尽可能快，而当离合器到达半接合位置后，主、从动部分开始接合，此时又需要根据控制目标进行滑磨精确控制，此过程缓慢接合，以减少冲击。当发动机转速与变速箱输入轴转速一致时，滑磨过程结束后，此时离合器应快速接合并压紧。

ZF AMT采用了闭环控制，通过对离合器当前位置及发动机转速、变速器输入轴转速、发动机实际输出扭矩、驾驶员请求的发动机扭矩等的监测反馈，来判断当前所处阶段，与控制目标进行比较，来实时调整接合速度。图5为离合器执行器控制原理图。

4.2TCU对换档执行器的控制

ZF AMT换档执行器有四个气缸，分别驱动主箱、前、后副箱换档动作及主箱的选档动作。不同气缸都由相应的电磁阀的开闭状态控制进、排气，组合起来实现12个档位的选、换档动作。

TCU根据换挡策略给出的目标挡位、离合器状态、发动机转速、变速箱输入轴转速等信息，来控制电磁阀的开闭，实现各个挡位的选换挡操作。ZF AMT各气缸同时集成了位置传感器，TCU精确监测各气缸活塞所处位置，通过内部逻辑来判断变速箱当前所处档位。

换挡执行器的控制分为三部分：摘挡、选挡、挂档。摘挡是指从当前挡位上退回到空挡位置，选挡是换挡拨块调整到目标挡位对应的空挡位置，挂挡是指挂入目标挡位（使齿轮完成啮合）。

4.3TCU对发动机EECU的控制

AMT换档过程中，需要控制发动机的转速和扭矩来配合，使输入转速和输出转速差尽可能小，以降低换档冲击、缩短换挡时间。下面以图7和图8描述的AMT变速器一个升挡过程（9挡升到10挡）为例来介绍。

TCU采集的信息包括：发动机实际转速、变速箱输入轴转速、发动机实际扭矩。TCU发出的CAN信号主要有AMT请求的发动机扭矩/转速、发动机优先控制模式及换挡进程等。在该换挡过程中TCU通过CAN总线对发动机请求扭矩控制和速度控制。其中，换挡进程表示换挡正在进行中，包含从离合器分离、变速器选挡和换挡、再到离合器完全接合的一个完整的换挡过程。换挡进程信号的含义如下：0表示换挡完成，1表示换挡在进行中。

图7中换挡进程显示完整的换挡时间为2.8s（第1秒至第3.8秒）。当接受到新的目标档位时，换挡进程信号置为1，表示进入换挡过程中。此时因离合器仍在传递发动机扭矩，如果突然分开离合器，将导致离合器总成因传递的扭矩突然卸载而引起车辆振动。因此，离合器分离前，首先应对发动机进行卸载。如图7和图8所示，进入换挡过程中，TCU首先对发动机进行扭矩控制（发动机优先控制模式为2，即二进制的10），按照一定的斜率请求发动机进行卸载。从图8可知，发动机的实际扭矩响应AMT请求扭矩，按照要求的扭矩下降。当发动机实际输出扭矩低于一定值后，开始快速分离离合器。从图7可以看到，变速箱输入轴转速变化平稳，没有出现剧烈波动，可见离合器分离过程很平顺。离合器完全分离后，从第1.5秒开始至第2.5秒，TCU以换挡后的发动机转速为目标（约1090 rpm）对发动机采用转速控制（发动机优先控制模式为1，二进制01），使发动机转速趋近并保持与变速箱输入轴转速一致，以便迅速结合离合器。发动机转速经过约1.2秒，降低到目标转速，此时离合器可迅速接合。此时对发动机的转速控制，一方面可以减少换挡时间，同时可降低离合器结合过程中的抖动。

从第2.5秒开始至3.8秒，AMT开始采用扭矩控制，要求发动机按照给定的斜率恢复扭矩。图8中的两条扭矩曲线较吻合，显示发动机扭矩响应较快。整个换挡过程中，发动机转速、变速箱输入轴转速都很平稳，没有出现剧烈波动，显示换挡过程控制良好，无抖动和冲击。

5　换档过程参数标定与优化

5.1起步档位优化

理想条件下，TCU根据路面坡度及车辆载荷，计算得出起步档位。但实际使用过程中，离合器的使用工况比理想中要复杂，经常出现超载，频繁起步等恶劣工况；可根据车辆工作情况，进行动力性经济性计算，同时考虑目标结合转速下离合器滑磨功情况，根据二者的计算比较，来修正车辆的起步档位。

起步坡度的计算：一般会标定一个起步转速，按照该转速可以从发动机外特性上查出相应的扭矩/功率，该扭矩/功率大于该转速对应挡位、车速的驱动功率即可以起步，同时还需要考虑滑摩功在可接受范围内。坡度越大，起步转速越高。

图9、10分别为一个起步档位优化的案例，优化前后，对应坡度范围及车辆载荷下，车辆的起步档位MAP。

5.2换档时间优化

在变速器升挡过程中，需要降低发动机转速，一般对策为对发动机停止喷油，通过发动机及附件的摩擦时发动机转速降至目标转速；但是，这种方法往往耗时较长，此时，可利用发动机制动来促进发动机转速下降。如图11所示，在发动机转速下降期间，TCU通过CAN总线请求发动机制动工作，以一定的制动扭矩使发动机转速快速降至控制目标转速，从而缩短了动力中断时间。

图11为是发动机制动参与升挡（9挡到10挡）过程，在该过程中标定了发动机制动介入的发动机转速与目标转速的转速差值、请求的发动机制动扭矩map图、发动机制动退出的发动机转速与目标转速的转速差值等参数，从图上看出换挡时间共2.3秒。

图12显示从第2.1秒至3.1秒，AMT TCU通过总线向EECU发指令，请求发动机制动工作。实际发动机制动扭矩可在总线中读取：

报文： ERC1_ER， Byte2 标识符：18 F0 00 0F或18 F0 00 29。

从图12可以看出，由于发动机制动的作用，发动机转速下降到目标转速，大约用时0.8秒。从图7和图11的对比可知，变速器升档过程中，采用发动机制动辅助降低发动机转速，可使整个换挡时间降低约0.5秒。

6　结论及建议

本文介绍CAN总线通讯的基础上，接合ZF 12档AMT在整车上的匹配与应用，对ZFAMT的基本控制原理进行了初步分析，并在试验过程中对车辆的起步档位及换档时间进行了标定与优化。

（1）了解CAN总线及SAE 1939通信协议相关知识，对于分析自动控制变速器工作过程有重要意义。

（2）AMT换档控制是一个复杂的控制工程，涉及到多种信号的接收与处理，在此基础上对离合器执行器及选、换档执行器进行控制，达到准确换档的目的。

（3）起步档位优化，对于提高车辆离合器使用寿命及车辆平顺性改善明显；换档时间的优化，可以减少换档过程中的动力中断时间，可以提升车辆动力性及经济性。

（4）后续需要对离合器执行器具体的精确控制过程进行详细研究，进一步优化离合器的控制过程。

［1］ ZFAMT 技术应用手册.

［2］张洪坤、李文军等，CAN 总线在电控机械式自动变速系统中的应用研究，计算机工程与应用，2003.31.

［3］郭立书、葛安林等，电控机械式自动变速器换档过程控制. 农业机械学报，2003年1月.

［4］甘海云、张俊智等，汽车动力传动系统的换档品质控制.汽车工程，2003，No.5.

［5］雷雨龙等，电控液压式离合器执行器精确接合控制的研究 SAE 2005-01-1787.

专家推荐

张凡武：

该论文介绍了ZF 某12档AMT的系统结构及其作为CAN总线网络节点的控制器功能和控制原理，重点论述了对离合器和选、换档机构控制及与发动机控制系统的协调控制，并结合在整车上的实际匹配应用，在标定试验中对车辆的起步档位及换档时间进行优化，达到了提升车辆驾驶性、动力性及经济性目的。论文介绍的内容对其他开展AMT控制研究与应用的工

The application of ZF AMT based on the CAN Bus Control

HUANGZhi-gang
（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，DFCV，Ltd. Wuhan， Hubei 430056）

Based on the application of ZF 12 Speed AMT and the introduction of CAN communication， This paper analyze the AMT Control principle， the set off gear ofthe vehicle， up and down shift and the shifting time optimization.

AMT Structure； Control theory； Calibration and optimization

TN8

A

1005-2550（2015）05-0046-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.009

2015-06-15