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：為滿足機械式自動變速器(AMT)對整車動力傳動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的需要，分析了基于SAE-J1939標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機控制報文，設(shè)計了AMT控制器(TCU)與發(fā)動機控制器(ECU)通過CAN總線進行協(xié)調(diào)控制的控制方法，根據(jù)換擋過程中的不同狀態(tài)建立了對應(yīng)的發(fā)動機控制策略，并進行了整車試驗。試驗表明，該控制方法可滿足AMT系統(tǒng)換擋過程中對發(fā)動機進行協(xié)調(diào)控制的需求，與發(fā)動機協(xié)調(diào)配合的平順換擋。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；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

機械式自動變速器(AMT)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳動效率高的優(yōu)點，可以利用現(xiàn)有手動變速器進行升級改造，適用于對成本敏感的微型乘用車和商用車 。

相比AT、CVT等變速器，發(fā)動機協(xié)調(diào)控制在AMT換擋過程中更加重要。目前TCU控制發(fā)動機的方法主要有兩種：1) 通過直接調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門或外部強制斷油來實現(xiàn)發(fā)動機扭矩協(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)動機噴油量和點火提前角的修正功能，所以無法實現(xiàn)對發(fā)動機的快速精確控制。隨著發(fā)動機控制協(xié)議和功能的逐漸開放，換擋過程中基于CAN通信的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩控制已成為趨勢[1]。在 AMT 系統(tǒng)中引入 CAN 總線技術(shù)，實現(xiàn) TCU與車上其他電子控制單元的通信，可以更加高效的實現(xiàn)各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)共享、降低整個系統(tǒng)的成本[2]。文中提出了一種利用TCU和發(fā)動機ECU通過CAN通信進行協(xié)調(diào)控制的換擋控制策略，并進行了試驗驗證。

1發(fā)動機的CAN通信控制

AMT換擋前后需要對發(fā)動機進行實時的扭矩、轉(zhuǎn)速控制，以達到平順換擋與延長離合器壽命的目的。

非換擋時刻，發(fā)動機由ECU控制，當(dāng)TCU判斷車輛行駛狀態(tài)滿足換擋要求時，通過CAN通信介入發(fā)動機控制。根據(jù)J1939通信協(xié)議，傳動系統(tǒng)對發(fā)動機的控制方式有轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制兩種，同時TCU可接收ECU向總線發(fā)出的發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速、水溫等信息[3]，來修正對發(fā)動機和離合器的控制。傳動系統(tǒng)對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩請求報文如表1所示。

表1　TSC1TE報文定義

TCU通過CAN協(xié)議中的TSC1TE報文來控制發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速，override control mode priority為控制模式優(yōu)先級，定義如下：

00：最高優(yōu)先級；

01：高優(yōu)先級；

10：普通優(yōu)先級；

11：低優(yōu)先級。

當(dāng)TCU需要介入發(fā)動機控制時，將優(yōu)先級提高，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請求的發(fā)動機控制模式，TCU根據(jù)需要可選擇：

00：禁用；

01：轉(zhuǎn)速控制——控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

10：扭矩控制——控制發(fā)動機扭矩調(diào)節(jié)至目標(biāo)扭矩；

11：轉(zhuǎn)速/扭矩限制控制——根據(jù)TCU請求限制發(fā)動機轉(zhuǎn)速或扭矩輸出。

當(dāng)TCU的控制請求優(yōu)先級為總線上最高時，發(fā)動機ECU開始響應(yīng)TCU控制，TCU根據(jù)離合器控制策略，對離合器執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)動機進行協(xié)調(diào)控制。根據(jù)控制模式的不同，ECU控制目標(biāo)值為報文中的Requested speed/speed limit 或Requested torque/torque limit的數(shù)值。

2AMT與發(fā)動機的聯(lián)合控制策略

a) 分離離合器階段的聯(lián)合控制

為縮短換擋時間，離合器的分離速度應(yīng)盡可能提高，同時也要注意發(fā)動機的聯(lián)合控制，防止加載在發(fā)動機曲軸上的負載突然卸下后發(fā)動機飛車。此階段使用發(fā)動機扭矩配合離合器分離控制來達到這一目的。

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)動機降扭過程中，離合器的位移需要根據(jù)發(fā)動機的實際扭矩調(diào)整。文中采用的策略是，發(fā)動機降扭矩與離合器分離同時進行，當(dāng)發(fā)動機到達目標(biāo)扭矩的同時，離合器分離至滑摩點。

b) 改變擋位階段的聯(lián)合控制

由于AMT系統(tǒng)換擋時間很短，可認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這一時間段進行發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制。目前通過通信對發(fā)動機進行轉(zhuǎn)速控制的方法有兩種，1) TCU通過請求發(fā)動機扭矩間接達到控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的目的；2) 是TCU直接請求發(fā)動機轉(zhuǎn)速，由ECU自行實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制?，F(xiàn)采用2)方式對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行控制。

由于變速器改變擋位有不同工況，故發(fā)動機轉(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)油門開度進行修正。適當(dāng)提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，以便合理利用離合器滑摩作用，盡快傳遞發(fā)動機扭矩，減少動力中斷時間。發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算模塊如圖1。

圖1　改變擋位階段發(fā)動機轉(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)定限值的同時盡可能減少接合時間，使車輛具有良好的平順性和動力性。為此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切換至扭矩調(diào)節(jié)后，發(fā)動機目標(biāo)扭矩以通過CAN總線獲得的發(fā)動機實際扭矩為初始值進行扭矩控制。

在離合器接合階段，扭矩模式控制發(fā)動機。目標(biāo)扭矩值以駕駛員請求扭矩和發(fā)動機時間扭矩為參考，同時根據(jù)油門踏板開度進行扭矩增量的修正。發(fā)動機扭矩增量計算模塊如圖2。

圖2　接合階段發(fā)動機扭矩增量控制模塊

3試驗結(jié)果

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

表2　試驗樣車基本參數(shù)

采用文中的執(zhí)行機構(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)動機協(xié)調(diào)控制試驗結(jié)果。

圖3　40%油門開度時二擋升三檔時發(fā)動機響應(yīng)曲線

TCU根據(jù)車輛行駛信息判斷需要換擋時，首先進行發(fā)動機扭矩控制，圖中在發(fā)動機控制模式由0轉(zhuǎn)換為1時，系統(tǒng)進入該控制模式，TCU根據(jù)離合器分離的位置，計算出請求發(fā)動機扭矩并發(fā)送至CAN總線，發(fā)動機ECU接收到該扭矩命令后，調(diào)節(jié)使發(fā)動機實際輸出扭矩跟蹤TCU請求扭矩。

離合器分離完成后，AMT進入選換擋階段，圖中發(fā)動機控制模式由1轉(zhuǎn)換為2，此時發(fā)動機進入轉(zhuǎn)速控制模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為輸入軸轉(zhuǎn)速。發(fā)動機根據(jù)CAN線上TCU的轉(zhuǎn)速命令進行轉(zhuǎn)速控制。

當(dāng)選換擋執(zhí)行機構(gòu)的動作結(jié)束并且發(fā)動機和輸入軸轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定界限后，離合器開始接合。此時發(fā)動機控制模式由轉(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，完成離合器接合動作。

離合器完全接合后，整個換擋過程結(jié)束，TCU退出發(fā)動機控制模式，ECU根據(jù)車輛實際工況對發(fā)動機進行控制。

圖4　100%油門開度時三擋降二擋發(fā)動機響應(yīng)曲線

當(dāng)駕駛員深踩油門踏板時，說明其對車輛動力性有較高要求，為使車輛有更高的加速度，此時需要根據(jù)換擋MAP圖進行降擋，使發(fā)動機提高轉(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)動機在換擋期間的轉(zhuǎn)速控制，有效減少了離合器接合時的轉(zhuǎn)速差；在離合器分離和接合階段的扭矩控制，對保持發(fā)動機工作的穩(wěn)定性具有良好效果。

4結(jié)語

目前，AMT系統(tǒng)的主要難點之一即為發(fā)動機和AMT系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。通過對發(fā)動機—變速箱CAN通信的分析，設(shè)計了基于CAN通信的發(fā)動機控制方法，試驗表明，該方法可實現(xiàn)AMT和發(fā)動機的協(xié)調(diào)控制，并取得了良好效果。

參考文獻:

[1] 謝先平，梅近仁，李君，等. 基于發(fā)動機聯(lián)合控制的AMT換擋控制策略[J]. 汽車技術(shù), 2012, 441(6): 28-31.

[2] 蔡威威, 劉文忠, 陳勇. 基于 MC9S12XEP100 的 DCT 控制器設(shè)計[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車, 2012, 39(001): 33-36.

[3] SAE . 71,(R) Vehicle Application Layer-J1939-71 (through 1999)[J]. 1999：66-69.

[4] 葉明, 秦大同, 劉振軍. 輕度混合動力 AMT 汽車動力性換擋規(guī)律研究[J]. 汽車工程, 2006, 7: 671-675.

收稿日期：2014-01-20

中圖分類號：TK44

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0149-03

作者簡介：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。