电控自动变速器换挡过程控制策略*
孙文涛，陈慧岩
【摘要】 为了提高电控自动变速器的换挡品质，通过分析自动变速器的换挡过渡过程，建立了行星式自动变速器动力学模型，并应用此模型对换挡过程进行了详细分析，得到换挡过渡过程的变化规律，同时对离合器充放油规律进行了研究，并采用PWM控制电磁阀对充放油压力进行调节。在换挡过程中系统先后采用了开环控制、斜率控制以及基于增量PID算法的闭环控制，同时改变发动机喷油量对换挡过程进行了控制。通过试验可以看出换挡过程中采用的开环控制、斜率控制以及基于增量PID算法的闭环控制以及发动机喷油量的控制策略改善了换挡品质。
关键词：电控自动变速器 换挡过程 控制策略
中图分类号：U461.91 文献标识码：A
Research on Control Strategy as Shifting Progress with an Electronic Automatic Transmission
Sun Wentao， Chen Huiyan
（ Beijing Institute of Technology，Beijing，100081，China ）
Abstract
The paper analyzes the shift system of Electronic Automatic Transmission, and sets up a mathematic model of the shifting process. The model can be used directory in shifting process control and with the model the shifting process is also analyzed, and the rule of shifting process is gotten. The process of the clutch applies and exhaust is analyzed. Through adjusting the pressure using the PWM to control the solenoids and the pressure is controlled in good conditions. Trough the research, the system uses the open-loop control during the fill-time phase, faxed ramp rate control during the second phase and closed-loop control during the third phase using PID control strategy. At the same time, the electronic engine is used to adjust the engine speed to acquire the better quality of shifting process. At last, though a bench test, the control strategy of shifting process of the Electronic Automatic Transmission is obtained.
Key words：Electronic automatic transmission, Shifting process, Control strategy
引言
行星式电控自动变速器是通过电控液压操纵换挡离合器或制动器来进行换挡操纵的。换挡时会产生换挡冲击，动力中断等换挡不平稳现象[1]。换挡过程控制的为增加换挡的平稳性，使驾驶更加舒适；减少传动系的动载荷，增加零件的使用寿命；减少离合器摩擦片热负荷，提高离合器的工作可靠性和耐用性。换挡过程中通常是一个结合元件结合，另一个结合_______________________________________
收稿日期：2007-11-09
元件分离。如果这两个结合元件分离和结合的时间不当会造成换挡不平稳：搭接过早会造成动力干涉，过晚则会产生动力中断。换挡过程中作用在结合元件上的油压决定了结合元件所传递的转矩极限。油压适当变化的规律能够起到减小输出轴转矩的波动、减小结合元件磨损等作用[2]。换挡过程控制是通过对结合元件在换挡过程中的动作搭接时序、油压变化规律和发动机转矩的控制实现的。发动机的转矩控制通常采用节气门控制、点火延迟和切断燃
油供给等方法，目的是降低换挡期间传动系统的转矩，减少冲击。结合元件在换挡过程中的动作搭接时序和油压变化规律是影响换挡品质的主要因素，本文对此加以研究。
1 建模与理论分析
1.1建模
采用等效集中质量法把车辆动力传动系统简化成线性多自由度弹性集中质量系统，由无惯性的弹性环节和无弹性的惯性环节组成，各相关部件以集中质量形式存在。
在建模过程中，作以下基本假设：
① 忽略发动机扭振、轴的扭振对系统的影响。
② 忽略轴的横向振动。
③ 将各元件视为完全刚性无阻尼的惯性元件，并以集中质量的形式表示。
④ 忽略系统其它运动副的间隙。
⑤ 除离合器的摩擦力外，忽略轴承和轴承座的摩擦阻力、搅油阻力等系统其它运动副的摩擦阻力。
⑥ 假定车轮与地面间无滑转和滑移。
基于以上基本假设，车辆动力传动系统简化模型如图。该模型只有2个挡位，接合制动器R时为低挡，接合离合器C时为高挡。这样就把车辆复杂的换挡过程简化成液力变矩器闭锁离合器L、制动器R与换挡离合器C之间的切换过程。图中：B为泵轮，T为涡轮，D为导轮。
图1车辆动力传动系统简化模型
Fig.1 The module of the vehicle transmission system
1.2 理论分析
以升挡过程为例，根据简化模型对车辆换挡过程进行分析。
图2 换挡过程理论分析示意图
Fig. 2 The analysis of the shifting process
图中：
——太阳轮转速 ，
——行星架转速 ，
——齿圈转速 ，
——行星架转矩 ，
——制动器转矩 ，
——离合器转矩 ，
——制动器油压 ，
——离合器油压
如图2所示，在A点之前，变速器处于低挡工作区，A点之后，开始了充放油过程，进入了低挡转矩阶段。离合器滑转摩擦力矩不断增加，制动器传递转矩逐渐下降，直到B点时，制动器开始出现打滑，低挡转矩阶段结束。考虑到整个换挡过程中车速基本不变，所以各构件的转速都保持不变。在B点以后，进入惯性阶段。离合器与制动器都处于打滑状态，各构件的转速变化情况：转速下降，则上升，输出轴转速基本保持不变。直到3个构件达到同步旋转，惯性阶段结束。在C点以后，离合器C停止打滑而结合，而制动器已经分离，进入到高挡阶段工作。由输出转矩图线的变化，可对换挡过程中的转矩扰动进行分析。在B点和C点处，输出转矩有很大的变动，这就是引起换挡冲击的转矩扰动。在车辆行驶中，在B点驾驶员能够感觉到减速度，C点能够感觉到加速度。通过分析可知：过渡过程各阶段的变化，取决于执行机构的充放油规律。因此，改变两个执行机构的充放油油压特性，就可改善输出转矩的扰动。
2试验研究
为了更好的说明换挡过渡过程的变化情况，通过试验对整个过程进行研究分析。建立的自动变速器加载试验台如图3所示：
图3 试验台架原理图
Fig.3 The principle of bench test
发动机为BF6M1015CP型电控柴油机（带增压中冷），330KW； HBM T10型输入轴转矩仪，3000N.m；变速器为HD4070PR型电控自动变速器；输出轴转速转矩仪为5000
，5000
；增速箱为6000、12000；CW400测功机，1900（6500）；惯量——125
。
HD4070PR型自动变速器是美国Allison公司设计生产的（如图4）具有7个前进挡，它按照模块化设计：包括输入模块（带闭锁离合器的液力变矩器和取力器）、行星齿轮模块（4个行星排、2个离合器和4个制动器）、输出模块（带有液力缓速器）和电液控制模块。它由先进的电子控制单元控制，采用脉宽调制液压操纵机构，具有响应快、换挡平稳，有自学习功能、自适应性强等优点，并拥有与发动机通讯的CAN接口，能实现与发动机协调控制，并能通过手柄上的故障诊断按钮提取工作过程中的故障代码[3]。
图4 HD4070PR型自动变速器结构简图
Fig.4 Schematic of HD4070PR Automatic Transmission
试验时，通过在变速器输入输出轴上分别安装的转矩仪获取工作时的转矩值，同时通过CAN获取各个转速信号以及通过安装压力传感器的方式获取离合器或制动器的充放油压力信号，通过以上数据即可得到换挡过渡过程各个信号的变化规律，从而对其整个过程进行分析。
图5 5挡升6挡的变速器过渡过程试验曲线
Fig. 5 The analysis of shifting process for 5th gear to 6th gear
图6 改变充油规律和发动机供油后换挡过程曲线
Fig. 6 The shifting process after change the pressure rule and the engine fuel
图5 为变速器由5挡升6挡的过渡过程曲线，
为发动机转矩，
为变速器输出轴转矩，
、
为离合器
和制动器
的充油压力，
、
、
分别为发动机转速、涡轮转速和输出轴转速可以看出，整个过程与理论分析基本吻合，如果改变离合器的充油过程（如图6），同时改变发动机的喷油量（b），即可消除转矩下降的趋势，没有挡位中断，使得换挡过程更加平顺。离合器充放油是由电磁阀的占空比来进行调节的，如图7所示。
在换挡开始时，命令充油离合器控制电磁阀全开一段时间，油液充满活塞空腔使活塞开始运动，充油离合器达到了充油油压的起始点。这段时间内电磁阀驱动信号的占空比是100%，即完全打开。同时，控制放油离合器的电磁阀占空比降为某一值，放油离合器油压开始下降。
图7 升挡过程离合器控制策略
Fig. 7 The clutch control rule during up-shift
ECU开环控制电磁阀驱动信号占空比的上升斜率，从而使充油离合器的压力逐渐升高。开环上升斜率是一个预设的提高离合器油压的比率，它一直持续到检测到涡轮轴转速下拉时为止。在充油离合器的容积率和开环上升斜率期间，作用在放油离合器上的压力不断下降。
图8 自动换挡控制策略框图
Fig. 8 The control rule of auto shift
当检测到涡轮轴转速下降后，ECU开始对充油离合器进行闭环控制，这是ECU通过调制电磁阀驱动信号主动控制涡轮轴转速的时期。闭环控制一直持续到离合器主被动摩擦片几乎无转速差时结束，这将使涡轮轴转速保持最佳的变化曲线。
当ECU发现涡轮轴转速等于输出轴转速乘以即将结合的下一个挡位的速比时，就控制充油离合器进入完全接合阶段。在这段时间内，ECU向电磁阀发出完全“开”的指令，使离合器完全接合，最终完成升挡操作。其控制策略如图8所示。换挡过程中发动机的控制时序过程如图9所示。
图9 换挡过程发动机控制时序
Fig. 9 The sequence of engine control during shifting
3 控制策略分析
采用的闭环控制系统是一个典型的非线性、时变系统。由于系统存在油液泄漏、摩擦、机械惯性延迟、电磁阀的电液响应滞后及液压阀的非线性流量特性，使得控制系统表现为复杂的非线性。故采用基于PID调节的增益调度控制，既有PID调节简单方便的特点，又可根据运行条件自动调整控制参数，具有一定的适应性[4]。
连续系统PID公式为
（1）
式中：
——目标转速与实际转速的偏差；
——转速闭环的控制量；
——转速闭环的比例系数；
——转速闭环的积分时间常数；
——转速闭环的微分时间常数。
对式（1）进行离散化，取
，则有位置式PID算法
（2）
其中式中
——转速闭环的积分系数，
；
——转速闭环的微分系数，
；
采用增量式PID算法
（3） 于是有
（4）
图 10 离合器压力闭环控制规律
Fig. 10 Closed-loop control rule of the clutch pressure
由转速闭环PID算法获得的控制量是电磁阀PWM驱动信号的占空比。控制过程中，由当前涡轮转速与目标挡位的变速比计算出输出轴的目标挡位转速，得到输出轴在换挡前后的转速差，并设定转速差在允许的换挡时间内线性递减，即可计算出当前的目标转速。然后在满足条件时对转速进行闭环控制，采用如图 10所示的电磁阀驱动信号占空比变化规律。图中b区和c区即为图8所示的闭环控制阶段，
时刻转速同步，转速差消除。c区占空比下降是为了消除由滑动摩擦转换到静摩擦状态时摩擦因数突变带来的转矩突变，限制加速度变化。0区、a区为开环控制，进入d区表示换挡完成。具体控制参数需结合试验来整定。
由试验数据曲线可知，换挡过渡过程与 理论分析整体吻合。即通过此试验可以很好的监测变速器换挡过渡过程的品质，为进一步改善换挡品质提供良好的技术平台，并可以实现发动机与自动变速器的一体化控制。
4 结论
(1) 建立了行星式电控自动变速器换挡过程控制分析的简化动力学模型，可直接应用于换挡过程的实时控制。
(2) 应用建立的模型对换挡过程进行了分析，得到了换挡过程的直观理解，并对换挡过程的控制策略进行了研究。
(3) 通过试验的方式，分析了换挡过程中各个参数变化的规律、电磁阀控制的离合器充放油的规律特性，其变化过程与理论分析基本一致。采用分阶段控制的方式：开环控制、斜率控制以及增量式PID闭环控制算法对换挡过程进行了改进，得到了较好的控制效果。