CN101210615A - 自动变速箱节气门弹性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变速箱节气门弹性控制方法，通过采集油门踏板位置传感器的信号和节气门位置传感器信号，根据油门踏板的开度变化，在定时中断里自加或自减信号，然后把定时中断里自加或是自减的信号转换为节气门的目标位置来控制节气门电机。因此，在油门踏板突然急加速或急减速的情况下，不会出现过高的瞬时加速度或减速度，速度能够平稳地跟随油门，实现平稳的加减速，从而提高了乘车的舒适性和燃油的经济性；本发明的节气门控制方法具有良好的稳定性、准确性和实时性，完全能满足AMT的使用要求。

Description

自动变速箱节气门弹性控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种控制方法，特别涉及汽车自动变速箱节气门的控制方法。

【背景技术】

发动机的节气门系统是电控机械式自动变速器(AMT)控制系统的重要组成部分，通过它对发动机转速进行控制。在非换档期间，节气门的作用是控制进入发动机的油气混合物流量，其与油门踏板开度联动，油门系统可使车速随油门踏板实时地变化，由此来满足驾驶员对车辆的动力及车速需求；换档期间通过它对发动机转速适当调节，以便于新的挡位匹配，这不仅可以减少离合器的主、从动盘之间的转速差，加快离合器结合，缩短换档时间，延长离合器寿命，而且可以减少冲击，提高换档品质。实车要求油门控制系统要具有精确的位置响应、较高的响应速度和较强的稳定性。但司机在操作过程中，由于操作疲劳，有时难于顾及油门调节，会发生突然急加速或急减速的错误动作，从而影响了整车的操控性能。

【发明内容】

本发明的主要目的是：提供一种操控稳定、提高乘车舒适性和燃油经济性的自动变速箱节气门弹性控制方法。

为实现上述目的，本发明提出一种自动变速箱节气门弹性控制方法，包括以下步骤：

11)实时采集油门踏板位置信号和节气门位置信号；

12)根据油门踏板位置信号，进行跟随处理后转换为节气门的目标位置信号；

13)根据所述目标位置信号和实时采集的节气门位置信号采样值，电控单元输出节气门电机控制信号；

14)驱动电机控制节气门开度，使之平缓地跟随油门踏板。

上述的弹性控制方法，所述步骤12)中，所述跟随处理包括以下过程：当监测到油门踏板位置信号在加时，在定时中断里实现对油门踏板位置信号自加，转换为当前的节气门目标位置信号；当监测到油门踏板位置信号在减时，在定时中断里实现对油门踏板位置信号自减，转换为当前的节气门目标位置信号。所述自加或自减的幅度根据油门踏板变化率取得，当油门踏板的变化率较大时，自加或自减幅度取大，当油门踏板的变化率较小时，自加或自减幅度取小。所述定时中断时间优选为0.5毫秒。

上述的弹性控制方法，所述步骤13)中，所述节气门电机控制信号采用PID控制方法或数字相位超前-滞后控制方法或神经网络控制方法取得。

上述的弹性控制方法，所述步骤13)中，所述节气门电机控制信号采用PID控制方法取得，其表述式为：

$U\left(k\right)=\mathrm{Kp}*e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\mathrm{Kd}*(e\left(k\right)-e(k-1));$ e(k)、e(k-1)为第K次、第K-1次采样时刻的位置信号采样值与目标位置信号的偏差，Kp、Kd、Ki分别为比例系数、微分系数和积分系数，T为采样周期。

上述的弹性控制方法，在所述步骤13)或步骤14)中，在减小节气门开度时，电机驱动信号中加入反向电压脉冲，克服由于电机磁滞造成的节气门换向滞后。

采用本发明所提供的用于AMT节气门弹性控制方法，通过采集油门踏板位置传感器的信号和节气门位置传感器信号，根据油门踏板的开度变化，在定时中断里自加或自减信号，然后把定时中断里自加或是自减的信号转换为节气门的目标位置来控制节气门电机；因此，在油门踏板突然急加速或急减速的情况下，不会出现过高的瞬时加速度或减速度，速度能够平稳地跟随油门，实现平稳的加减速，从而提高了乘车的舒适性和燃油的经济性；本发明的节气门控制方法具有良好的稳定性、准确性和实时性，完全能满足AMT的使用要求。

本发明所采用节气门的控制方案，可提高车辆的控制性能、减小油耗及排放，实现基于扭矩要求的发动机精确控制。试验结果也表明了节气门控制系统的准确性和合理性，从而改善了发动机和车辆性能以及实现车辆自动操纵奠定了技术基础。

【附图说明】

图1是本发明所提供的用于自动变速器(AMT)弹性油门控制装置的电路结构图；

图2是本发明所提供的用于自动变速器(AMT)弹性油门控制方法的步骤流程图；

图3是本发明所提供的用于自动变速箱(AMT)弹性油门控制的位置PID控制算法程序流程图；

图4本发明所提供的用于自动变速箱(AMT)的节气门系统。

【具体实施方式】

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明所提供的用于AMT油门的弹性控制装置包括信号采集单元20、电控单元ECU 30以及节气门电机40；控制单元ECU 30包括数据接收模块31、数据处理模块32和数据控制模块33；数据接收模块31与信号采集单元20电连接，数据控制模块33与离合电机40电连接；其特征在于，信号采集单元20包括油门踏板位置传感器21和节气门位置位置传感器22；数据接收模块31用于接收由油门踏板位置传感器21和节气门位置传感器22采集的信号；数据处理模块32用于根据由油门踏板位置传感器21采集的信号在定时中断里对目标位置处理，若踩下油门踏板则目标位置定时(0.5ms)加，反之若松油门踏板则定时减。根据油门位置传感器21采集的信号判断油门的当前位置和定时中断里处理后得到的目标位置，这个位置即是节气门的目标位置，对其进行处理运算后，作为数据控制模块33控制的输入信号，控制节气门电机。

优选情况下，数据接收模块31接收由油门踏板位置传感器21采集的油门踏板位置信号和节气门位置传感器22采集的节气门位置信号，数据处理模块32根据油门踏板位置信号判断节气门的目标位置，并计算与节气门位置信号的位置差。位置差可以为自动变速器节气门控制提供依据。

其中，油门踏板位置传感器21优选为双电位器传感器，位于油门踏板的附近，用于检测踏板的位置。

节气门位置传感器22是与节气门轴相连的滑片式线性电位器，用于实时采集节气门开度并转换为标准电压信号输出。

ECU 30的数据接收模块31可以包括稳压电路和A/D转换电路，用于将信号采集单元20输入的模拟信号进行稳压和转换成数字信号以供数据处理模块32进行分析处理，稳压电路和A/D转换电路的构成为本领域人员所公知。

ECU 30的数据控制模块33可以包括放大电路和D/A转换电路，用于将节气门控制信号放大和转换成模拟信号以驱动节气门电机40，放大电路和D/A转换电路的构成为本领域人员所公知。

优选情况下，数据接收模块31、数据处理模块32、数据控制模块33集成在一块或多块具有单片机的集成电路板上。

节气门电机40可以采用本领域人员公知的适用的电机，安装时通过拉丝与节气门连接。节气门电机40还包括节气门电机驱动电路，节气门电机驱动电路可以采用电机专用集成驱动芯片BTS7960，或采用分立元件组成桥式电路，该驱动电路具有过热保护和限流保护功能，用于驱动节气门电机40正反方向运动。

如图2所示，本发明所提供的用于AMT油门的弹性控制方法，包括以下步骤：在步骤S1中接收由油门踏板位置传感器21采集的油门踏板位置信号和节气门位置传感器采集的节气门位置信号，在步骤S2中根据由油门踏板位置信号判断踏板位置信号在加还是减，并在步骤S3和步骤S4对踏板信号进行处理，通过定时计算油门踏板的变化率，当踏板位置信号在加时，隔0.5ms的定时中断里对当前踏板位置信号进行自加，当踏板位置信号在减时，隔0.5ms的定时中断里对当前踏板位置信号进行自减；定时加减的幅度根据油门踏板踩下或松踏板的速度取得，当油门踏板的变化率较大时，自加或自减幅度则大，当油门踏板的变化率较小时，自加或自减幅度则小，具体数据通过实验统计得到。在步骤S5中，采用中断程序里处理过的节气门位置信号作为目标位置信号，该目标位置信号能使节气门平缓跟随油门踏板，不会因急踩油门踏板使节气门有瞬时的过高的加速度。在步骤S6中根据由步骤S1中采集到的节气门位置信号和步骤S3和S4中的节气门的目标位置信号进行一系列的控制运算，输出控制节气门电机的PWM的信号，控制电机的输出力矩。在步骤S7中输出油门控制信号到节气门电机40，控制节气门电机的运动；节气门电机带动节气门克服回位弹簧力转动到相应的开度。

节气门电机通常采用永磁直流力矩电机，其特点是堵转力矩大，空载转速低，长期堵转时能产生足够大的转矩而不损害。PWM信号占空比与电机输出力矩成正比。电机的输出力矩与回位弹簧平衡时，节气门开度保持不变；占空比增大时，电机驱动力矩大于回位弹簧的阻力矩，节气门开度增加。当占空比减小时，电机驱动力矩小于回位弹簧的阻力矩，节气门开度减小，占空比越小节气门开度也越小。在减小节气门开度时，为了克服由于电机磁滞造成的节气门换向滞后，采用在PWM的驱动信号中加反向电压脉冲的办法保证响应快速、动作灵敏。与节气门轴相连的传感器将节气门开度信号反馈给电控单元，构成闭环控制系统。

如图3所示，在上述的节气门弹性控制策略中，在步骤S6中一般采用控制率算法子程序进行PWM信号的控制运算，比如采用离散的PID控制或者数字LL(相位超前-滞后)控制、模糊PID控制、神经网络控制等方法。

本例采用PID控制方法，表达式为：

$U\left(k\right)=\mathrm{Kp}*e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\mathrm{Kd}*(e\left(k\right)-e(k-1));$ e(k)、e(k-1)：为第K次、K-1次采样时刻的位置信号采样值与目标位置信号值的偏差，Kp、Kd、Ki为比例系数、微分系数和积分系数，T为采样周期。各个参数由实验统计取得，根据负载力的不同各个参数也不同，一般情况下，kp取值范围为0～10，ki取值范围为0～1，kd取值范围为0～10。

PID控制的步骤包括：步骤I1，设置各参数值Kp、Kd、Ki、T。步骤T2中，接收节气门的目标位置值r(k)和当前位置采样值c(k)，后者是节气门位置传感器22采集的信号，前者是踏板传感器21采集的信号在数据处理模块32中经过处理后的节气门的目标位置信号。步骤T3计算节气门的目标位置值和节气门的当前位置采样值之差，从而可以判断节气门的转动方向。步骤T4计算比例项，步骤T5计算积分项，步骤T6计算微分项，此三个步骤的顺序不限。步骤T7中把本次偏差赋给前一次偏差，以便下一个控制流程之用。步骤T8用比例项、积分项、微分项之和得到最终控制节气门电机的控制信号。

图3中，闭环控制的主要任务是接受参考指令信号，采集反馈信号，计算控制参数以及输出控制信号。在步进电机驱动形式下，节气门对不同的输入信号有不同的跟踪响应特性，其电压值与节气门的开度是一一对应的，节气门开度的实际值与期望值的重合度很好，表明电控单元(ECU)实际开度值对期望值的跟踪控制。节气门期望开度与实际开度的差值保证在±2％以内，节气门位置分辨率保证在0°～90°转角范围内系统对节气门转角的控制达到0.2°。用于节气门控制的电机通常有步进电机和直流电机两种形式，步进电机具有较高的位置保持特性，但高性能较差，而节气门要求有较高的动态响应性能，因此本发明采用直流力矩电机驱动，并采用两极齿轮减速。电机驱动电路保证电机双向转动。

请参考图4所示，本例中，节气门系统包括节气门、节气门电机、减速齿轮、回位弹簧、节气门开度传感器等。节气门电机通过两级齿轮减速带动节气门运动。其取消了传统节气门的怠速旁通阀，其怠速空气流量通过节气门的小开度进行控制。在怠速时节气门并不完全关闭，而是由两只扭簧定位在某一开度位置，并通过驱动节气门电机的双向转动进行控制。节气门系统可改变车辆对油门踏板的灵敏度，得到与行驶条件和驾驶员意愿相匹配的加速响应特性。

通过上述分析可知，所采用节气门的控制方案结构合理，性能良好。试验结果也表明了节气门控制系统的正确性和合理性。从而改善了发动机和车辆性能以及实现车辆自动操纵奠定了技术基础，也为AMT电控系统的改造提供了较为实用的方法。节气门控制系统可提高车辆的控制性能、减小油耗及排放，实现基于扭矩要求的发动机精确控制。

Claims (7)

1.一种自动变速箱节气门弹性控制方法，包括以下步骤：

11)实时采集油门踏板位置信号和节气门位置信号；

12)根据油门踏板位置信号，进行跟随处理后转换为节气门的目标位置信号；

13)根据所述目标位置信号和实时采集的节气门位置信号采样值，电控单元输出节气门电机控制信号；

14)驱动电机控制节气门开度，使之平缓地跟随油门踏板。

2.如权利要求1所述的弹性控制方法，其特征是，所述步骤12)中，所述跟随处理包括以下过程：当监测到油门踏板位置信号在加时，在定时中断里实现对油门踏板位置信号自加，转换为当前的节气门目标位置信号；当监测到油门踏板位置信号在减时，在定时中断里实现对油门踏板位置信号自减，转换为当前的节气门目标位置信号。

3.如权利要求1或2所述的弹性控制方法，其特征是：所述步骤13)中，所述节气门电机控制信号采用PID控制方法或数字相位超前-滞后控制方法或神经网络控制方法取得。

4.如权利要求1或2所述的弹性控制方法，其特征是：所述步骤13)中，所述节气门电机控制信号采用PID控制方法取得，其表述式为 $U\left(k\right)=\mathrm{Kp}*e\left(k\right)+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\mathrm{Kd}*(e\left(k\right)-e(k-1));$ e(k)、e(k-1)为第K次、

第K-1次采样时刻的位置信号采样值与目标位置信号的偏差，Kp、Kd、Ki、分别为比例系数、微分系数和积分系数，T为采样周期。

5.如权利要求1或2所述的弹性控制方法，其特征是：在所述步骤13)或步骤14)中，在减小节气门开度时，电机驱动信号中加入反向电压脉冲，克服由于电机磁滞造成的节气门换向滞后。

6.如权利要求2所述的弹性控制方法，其特征是：所述定时中断时间优选为0.5毫秒。

7.如权利要求2所述的弹性控制方法，其特征是：所述自加或自减的幅度根据油门踏板变化率取得，当油门踏板的变化率较大时，自加或自减幅度取大，当油门踏板的变化率较小时，自加或自减幅度取小。

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