刘文光，何 仁，陆 炜，柯童童

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

前言

电控机械自动变速器(AMT)是在传统机械变速器的基础上增加了离合器、选换挡等电子控制操纵机构，具有操纵方便、成本低和燃油经济性好等优点[1-4]，因而在商用车市场得到广泛的应用。由于电控机械自动变速器仍然保留着离合器接合和挡位变换，在车辆行驶过程中会引起换挡冲击。为减少换挡冲击，电控单元通过采集道路信息、车辆自身信息和油门开度等影响车辆行驶状况的因素，采用智能控制的方法控制车辆的换挡及离合器的接合，降低能量在传动过程的损耗、提高车辆换挡的响应速度和乘坐舒适性[5-11]。在换挡重叠区，由于油门开度的改变及机械反应的滞后，容易在油门开度变化比较大的情况下造成车辆的频繁换挡，针对此现象，文献[12]中提出了根据油门开度变化率来识别突然加减油门开度的工况，通过设置换挡延迟时间，屏蔽突然加减油门的换挡控制策略，有效消除或减少频繁换挡现象的发生。本文中通过在控制系统中设置一个事件触发器来识别油门开度变化率，并依据事件触发器的开闭实现车辆换挡的控制策略。

1 换挡规律分析

为获得最佳的换挡策略，须分析变速器的转速以及发动机输出转速。如果发动机输出转速与变速器输入转速相差较大时，会影响车辆的换挡平顺性。为了方便计算，本文中针对车辆惯性大和挡位接合时间短的特点，假设换挡前后车速没有发生变化。

(1)

式中：Me为发动机稳态转矩；γ为与发动机转速变化率有关的发动机动态转矩下降系数；ζ为与油门开度变化率有关的发动机动态转矩下降系数。

发动机的动态转矩受发动机转速变化率与油门开度变化率的影响，这样在油门开度变化过大的情况下进行换挡，发动机动态转矩与稳态转矩相差过大，使所设计的换挡规律与车辆的实际行驶工况不完全匹配，因此在油门剧烈变动的加减速工况下会产生频繁换挡现象。

动力传动装置包括离合器和变速器，当离合器开始接合时，其动力传动公式为

(2)

(3)

式(2)和式(3)可改写成：

(4)

(5)

为了分析和方便计算，将式(4)和式(5)改写成状态空间方程：

Y=CX

(6)

2 换挡策略的系统模型

2.1 换挡过程的混杂系统分析

混杂系统常采用一组常微分方程来描述系统连续部分的特性，用离散事件模型来表示系统离散部分的特性。其特点是连续部分运行到一定程度会产生一个质变过程，引发离散部分的发生，同时离散事件的产生又会触发新的控制参数和控制策略，控制连续部分的运行。车辆行驶的车速是一个连续变化的过程，而挡位变换是一个离散过程，因而换挡控制符合混杂系统的特征。对于AMT离散事件，以tk时间的连续状态变量v(tk)为输入量[7]，离散数值s(tk)为输出量，则当满足δ(v(tk),s(tk-1),tk)=0的条件时，离散控制器模型可描述为

s(tk)=H(v(tk),s(tk-1),tk)

(7)

式中H(v(tk),s(tk-1),tk)是离散控制器中离散事件间的关系函数，由控制策略确定。

2.2 换挡控制策略

对于AMT自动换挡控制，借助于MATLAB/Simulink建模并进行仿真研究，大部分程序采用可视化模块，避免了代码编制的繁琐工作，由系统进行统一的数值计算，提高了模拟的效率。

Stateflow是MATLAB所提供的另一个建模仿真工具，它支持使用流程图和状态转换图来开发基于有限状态机理论复杂事件驱动的反应系统，由于车辆换挡存在离散换挡和车速的连续变化，Stateflow能使离散系统与连续系统统一在一个系统内，完成AMT换挡的混杂系统控制。Stateflow的事件和数据是一种非图形对象，其中输入事件(数据)和输出事件(数据)具有与Simulink通信的端口，可以实现信息交互[15-16]。对车辆换挡建立Stateflow流程图，如图1所示。

油门开度变化大时引起频繁换挡，在控制中增加了Control事件触发器，通过此触发器控制因油门开度变化而引起的挡位变化。当Control==0时，表示控制器的输出符合油门开度正常变化，可以进行正常的升、降挡操作；而当Control==1时，表示油门开度为快速变化，引起车辆换挡的误操作，不能进行正常的升、降挡操作。

2.3 CAN总线数据传输分析

为了提高数据通信的安全性和准确性以及减少手柄控制单元中静电对整个电路的影响，提高电路的抗干扰能力，在手柄控制单元部分设置了保护措施。采用共模电感，防止电磁对CAN收发器的干扰，抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射，提高系统的电磁兼容性。CAN总线传输电路见图2。

3 仿真和实验结果分析

挡位电路中的数据与主控制电路的数据通过设定CAN数据通信规则进行报文的收发，完成挡位控制和故障诊断，数据寄存器采用32位扩展型寄存器，在测试模型中，CAN数据速率采用250kb/s，其挡位通信实验结果如图3所示。

对于AMT换挡控制，进行了有、无Control事件触发器干涉的控制系统仿真，结果如图4所示。

由图4可见，在油门开度变化较大时，由于无Control事件触发器干涉，挡位在5、6挡之间出现频繁换挡，增加了变速器和发动机的磨损；而通过增加一个Control事件触发器干涉，可以避免不正确的换挡，提高了乘坐舒适性，其换挡过程也更符合实际驾驶员的换挡要求。

4 结论

通过对车辆换挡过程的混杂系统分析，运用CAN总线进行数据通信，在车辆换挡过程中采用事件触发器来识别油门开度的变化率，有效避免了不正确换挡，减少了换挡冲击，提高了乘坐舒适性。

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