馬濤，李守成，李小龍，李占江

(1. 南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094； 2. 南京越博汽車電子有限公司，江蘇 南京 210091)

基于CAN通信的AMT離合器控制策略研究

馬濤1，李守成1，李小龍1，李占江2

(1. 南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094； 2. 南京越博汽車電子有限公司，江蘇 南京 210091)

摘要：為滿足機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的需要，分析了基于SAE-J1939標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制報(bào)文，設(shè)計(jì)了AMT控制器(TCU)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)通過CAN總線進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的控制方法，根據(jù)換擋過程中的不同狀態(tài)建立了對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，并進(jìn)行了整車試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該控制方法可滿足AMT系統(tǒng)換擋過程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的需求，與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)配合的平順換擋。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；AMT離合器；CAN總線；控制策略

Research on AMT Clutch Control Strategy Based on CAN Communication

MA Tao, LI Shoucheng, LI Xiaolong, LI Zhangjiang

(1. Nanjing Universily of Science and Technology, Nanjing 210094, China;

2. Nanjing Read Bo Autometice Electrones Co, Ltd. Nanjing 210091, China)

Abstract:In order to meet the AMT’s needs for engine coordinated and control, an analysis of SAE J1939 CAN communication message is done and AMT and engine control system is designed based on CAN bus. According to the method , control strategies which are used to deal with different situations are built and tested. Experiment indicates that this control strategy can meet the needs for AMT system and make the shifting process smooth and rapid.

Keywords:engine; AMT clutch; CAN bus; control strategy

0引言

機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以利用現(xiàn)有手動(dòng)變速器進(jìn)行升級(jí)改造，適用于對(duì)成本敏感的微型乘用車和商用車 。

相比AT、CVT等變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制在AMT換擋過程中更加重要。目前TCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)的方法主要有兩種：1) 通過直接調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門或外部強(qiáng)制斷油來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩協(xié)調(diào)控制的方法；2) 通過通信協(xié)議將控制命令發(fā)送至ECU完成轉(zhuǎn)速和扭矩控制。前者TCU不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量和點(diǎn)火提前角的修正功能，所以無法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速精確控制。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制協(xié)議和功能的逐漸開放，換擋過程中基于CAN通信的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩控制已成為趨勢(shì)[1]。在 AMT 系統(tǒng)中引入 CAN 總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn) TCU與車上其他電子控制單元的通信，可以更加高效的實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)共享、降低整個(gè)系統(tǒng)的成本[2]。文中提出了一種利用TCU和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過CAN通信進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的換擋控制策略，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1發(fā)動(dòng)機(jī)的CAN通信控制

AMT換擋前后需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的扭矩、轉(zhuǎn)速控制，以達(dá)到平順換擋與延長離合器壽命的目的。

非換擋時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)由ECU控制，當(dāng)TCU判斷車輛行駛狀態(tài)滿足換擋要求時(shí)，通過CAN通信介入發(fā)動(dòng)機(jī)控制。根據(jù)J1939通信協(xié)議，傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式有轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制兩種，同時(shí)TCU可接收ECU向總線發(fā)出的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速、水溫等信息[3]，來修正對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器的控制。傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩請(qǐng)求報(bào)文如表1所示。

表1　TSC1TE報(bào)文定義

TCU通過CAN協(xié)議中的TSC1TE報(bào)文來控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速，override control mode priority為控制模式優(yōu)先級(jí)，定義如下：

00：最高優(yōu)先級(jí)；

01：高優(yōu)先級(jí)；

10：普通優(yōu)先級(jí)；

11：低優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)TCU需要介入發(fā)動(dòng)機(jī)控制時(shí)，將優(yōu)先級(jí)提高，使得總線上其他控制器在保證行車安全的情況下讓出控制權(quán)。

Override control mode為TCU請(qǐng)求的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式，TCU根據(jù)需要可選擇：

00：禁用；

01：轉(zhuǎn)速控制——控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

10：扭矩控制——控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)至目標(biāo)扭矩；

11：轉(zhuǎn)速/扭矩限制控制——根據(jù)TCU請(qǐng)求限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或扭矩輸出。

當(dāng)TCU的控制請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)為總線上最高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開始響應(yīng)TCU控制，TCU根據(jù)離合器控制策略，對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。根據(jù)控制模式的不同，ECU控制目標(biāo)值為報(bào)文中的Requested speed/speed limit 或Requested torque/torque limit的數(shù)值。

2AMT與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合控制策略

a) 分離離合器階段的聯(lián)合控制

為縮短換擋時(shí)間，離合器的分離速度應(yīng)盡可能提高，同時(shí)也要注意發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合控制，防止加載在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載突然卸下后發(fā)動(dòng)機(jī)飛車。此階段使用發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩配合離合器分離控制來達(dá)到這一目的。

由于離合器傳遞扭矩和離合器位移存在非線性關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)降扭過程中，離合器的位移需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩調(diào)整。文中采用的策略是，發(fā)動(dòng)機(jī)降扭矩與離合器分離同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)目標(biāo)扭矩的同時(shí)，離合器分離至滑摩點(diǎn)。

b) 改變擋位階段的聯(lián)合控制

由于AMT系統(tǒng)換擋時(shí)間很短，可認(rèn)為換擋前后車速保持不變[4]。為減小換擋后的轉(zhuǎn)速差，TCU需利用離合器從分離到接合至滑摩點(diǎn)這一時(shí)間段進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。目前通過通信對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的方法有兩種，1) TCU通過請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩間接達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；2) 是TCU直接請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由ECU自行實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制?，F(xiàn)采用2)方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

由于變速器改變擋位有不同工況，故發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制也應(yīng)有相應(yīng)的控制策略。在正常升擋情況下，以輸入軸轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，減少離合器滑摩時(shí)間，提高換擋舒適性。KickDown降擋工況下，以輸入軸轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)油門開度進(jìn)行修正。適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以便合理利用離合器滑摩作用，盡快傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，減少動(dòng)力中斷時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊如圖1。

圖1　改變擋位階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊

c)離合器接合階段聯(lián)合控制策略

離合器接合階段的控制目標(biāo)是，在保證沖擊度不大于規(guī)定限值的同時(shí)盡可能減少接合時(shí)間，使車輛具有良好的平順性和動(dòng)力性。為此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切換至扭矩調(diào)節(jié)后，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩以通過CAN總線獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩為初始值進(jìn)行扭矩控制。

在離合器接合階段，扭矩模式控制發(fā)動(dòng)機(jī)。目標(biāo)扭矩值以駕駛員請(qǐng)求扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)間扭矩為參考，同時(shí)根據(jù)油門踏板開度進(jìn)行扭矩增量的修正。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增量計(jì)算模塊如圖2。

圖2　接合階段發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增量控制模塊

3試驗(yàn)結(jié)果

基于某自主品牌手動(dòng)擋車型開發(fā)了AMT樣車，該樣車基本參數(shù)如表2。

表2　試驗(yàn)樣車基本參數(shù)

采用文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制策略，完成了TCU控制軟件開發(fā)和初步標(biāo)定。圖3、圖4分別是40%和100%油門踏板開度下發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)結(jié)果。

圖3　40%油門開度時(shí)二擋升三檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)曲線

TCU根據(jù)車輛行駛信息判斷需要換擋時(shí)，首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制，圖中在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式由0轉(zhuǎn)換為1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入該控制模式，TCU根據(jù)離合器分離的位置，計(jì)算出請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并發(fā)送至CAN總線，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU接收到該扭矩命令后，調(diào)節(jié)使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩跟蹤TCU請(qǐng)求扭矩。

離合器分離完成后，AMT進(jìn)入選換擋階段，圖中發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式由1轉(zhuǎn)換為2，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為輸入軸轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)CAN線上TCU的轉(zhuǎn)速命令進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

當(dāng)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作結(jié)束并且發(fā)動(dòng)機(jī)和輸入軸轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定界限后，離合器開始接合。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式由轉(zhuǎn)速模式轉(zhuǎn)為扭矩模式，并根據(jù)TCU的扭矩命令逐漸提升扭矩并協(xié)調(diào)離合器，完成離合器接合動(dòng)作。

離合器完全接合后，整個(gè)換擋過程結(jié)束，TCU退出發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式，ECU根據(jù)車輛實(shí)際工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

圖4　100%油門開度時(shí)三擋降二擋發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)曲線

當(dāng)駕駛員深踩油門踏板時(shí)，說明其對(duì)車輛動(dòng)力性有較高要求，為使車輛有更高的加速度，此時(shí)需要根據(jù)換擋MAP圖進(jìn)行降擋，使發(fā)動(dòng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速工作在扭矩最大的區(qū)間內(nèi)。 圖4中可看出，通過發(fā)動(dòng)機(jī)在換擋期間的轉(zhuǎn)速控制，有效減少了離合器接合時(shí)的轉(zhuǎn)速差；在離合器分離和接合階段的扭矩控制，對(duì)保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性具有良好效果。

4結(jié)語

目前，AMT系統(tǒng)的主要難點(diǎn)之一即為發(fā)動(dòng)機(jī)和AMT系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)—變速箱CAN通信的分析，設(shè)計(jì)了基于CAN通信的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方法，試驗(yàn)表明，該方法可實(shí)現(xiàn)AMT和發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，并取得了良好效果。

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收稿日期：2014-01-20

中圖分類號(hào)：TK44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0149-03

作者簡(jiǎn)介：馬濤(1986-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事汽車電子控制單元方向的研究。