CN102278391B - 一种基于转速的离合器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转速的离合器控制方法属于离合器控制领域。在离合器的滑磨阶段采用离合器MAP图控制策略，根据离合器输出转矩和离合器输入轴与输出轴转速差进行MAP图查表计算，控制离合器的位置，根据发动机油门大小及其变化率判断驾驶员的驾驶意图输出离合器转速目标值曲线。离合器转速目标值与实际值的差值经过PID计算，对离合器位置进行微调，以满足不同的驾驶意愿和行驶条件。本发与模糊控制、神经网络相比，具有运算量小，结构简单，控制的实时性强，克服了复杂控制造成的控制器单片机延迟问题，克服车辆负载变化对结合过程的影响；通过大量标定试验建立的MAP可以实现汽车动力性、经济性的统一，控制过程参数特性与控制目标关系明确。

Description

一种基于转速的离合器控制方法

技术领域

本发明涉及一种离合器控制方法，特别涉及一种基于转速的离合器控制方法。

背景技术

电控机械式自动变速器(AMT)是在传统机械式变速器(MT)的基础上，加装电子控制系统(TCU)来模拟驾驶员的操作意图，实现离合器的分离和结合，选档换档操作的自动变速器。AMT结构简单，成本低廉，可以实现大扭矩的传递，改进汽车的驾驶性能，可以广泛应用于各种轻重型客车、货车、公交车。目前，我国已经成为世界上汽车保有量大国，AMT越来越受到汽车行业青睐，使AMT具有良好的发展前景。

离合器控制是目前AMT控制中的核心内容，也是自动变速器开发的难点。离合器的结合过程主要靠两个评价指标来衡量：一是冲击度评价，要求车辆起步或换挡时瞬间加速度不宜过高，避免传动系产生过大冲击载荷。二是滑摩功评价，要求延长离合器主从动片的寿命，离合器结合过程的时间不宜过长，造成主从动片之间滑磨烧蚀。冲击度与滑摩功相互矛盾，因此在考虑离合器控制时，要兼顾冲击度与滑摩功。在此基础上才能可能保证车辆起步、换挡过程的品质，减少传动系统的冲击，提高离合器的使用寿命与车辆乘坐的舒适性。

传统汽车离合器操纵是靠驾驶员来完成的，驾驶员根据驾驶感觉，调整施加在离合器踏板上的作用力，而AMT的离合器操纵是控制算法根据安装在汽车上的传感器信号来判断汽车当前的工作状态，调整发给执行器的控制信号，通过执行器调整输出作用力来实现离合器工作变化的。因此通过车辆传感器的反馈信号实现车辆离合器控制是一个重要的研究方向。近些年国内外许多研究人员对离合器控制进行了大量的研究，提出过模糊控制、神经网络控制等等，但是都面临计算量大，应用到嵌入式单片机收到限制的难题。为此，一些研究人员提出了离合器的MAP控制策略，如文献[1]采用了DMC-PID串级预测控制算法对离合器位置进行动态跟踪，提出以油门开度、发动机转速、怠速目标转速以及一轴转速等参数为参考量的起步离合器MAP图控制策略，充分发挥了DMC算法的超前预测性，强鲁棒性以及PID算法的抗干扰能力。针对扭矩在传动系统中的重大作用以及目前大多数控制算法缺少对扭矩的检测与控制，文献[2]提出了建立传动系统模型，研究了离合器控制中扭矩在传动系统中的变化情况，并以此建立了扭矩、滑磨转速和离合器位置为参量的三维MAP图。

所述技术背景的参考文献如下：

1.黄智明、张建武、鲁统利、向玉德、刘金刚，基于DMC-PID串级算法的起步离合器MAP图控制，中国机械工程，第21卷第九期，2010年5月上半月，1123-1128页

2.Francesco Vasca，Luigi Iannelli，Adolfo Senatore，and Gabriella Reale.Torque Transmissi-bility Assessment for Automotive Dry-Clutch Engagement，IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS，January 15，2010.

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种基于转速的离合器控制方法，在离合器的滑磨阶段采用离合器MAP图控制策略，根据离合器输出转矩和离合器输入轴与输出轴转速差进行MAP图查表计算，控制离合器的位置，根据发动机油门大小及其变化率判断驾驶员的驾驶意图输出离合器转速目标值曲线。离合器转速目标值与实际值的差值经过PID计算，对离合器位置进行微调，以满足不同的驾驶意愿和行驶条件。

本发明提供了一种基于转速的离合器控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：根据离合器输出轴转速的大小判断离合器是否处于空行程阶段；离合器开始结合时，给伺服电机输出一个频率为16～48KHz脉冲信号控制电机运动速度，同时给伺服电机一个高电平信号控制伺服电机正向转动，此时电动执行机构以0.04～0.12m/s的速度前进，实现离合器的快速结合，同时检测离合器输出轴转速是否发生突变，如没有则重复步骤1，如果转速发生突变则进入步骤2；

步骤2：采集发动机油门α以及油门变化率dα/dt，根据MAP1图输出离合器控制目标值ω；采集发动机转速ω_e和离合器输出轴转速ω_c，两者做差得到ω_ec，并且计算出离合器输出轴扭矩T_c，T_c＝Jdω_c/dt+T_L；其中J是等效到离合器输入轴上的车辆平动、转动惯量，T_L是等效到离合器输入轴的车辆运行阻力矩，由空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩组成；

根据MAP2图控制输出离合器位置x_c；将离合器控制目标值ω和离合器输出轴转速ω_c输入PID模块，输出x’，此时控制离合器位置为x_c+x’，x’为控制程序的误差调整值，单位为cm；其中x’可正可负；根据位置传感器反馈离合器实际位置x；将|x_c+x’-x|×y，其中y＝kx+b，通过标定得出：k＝10000，b＝5000；数值作为控制伺服电机的脉冲信号的频率数值，单位为KHz，x_c+x’-x的正负符号决定伺服电机的转动方向；判断ω_ec是否为0，如不为0则重复步骤2，当ω_ec为0时则进入步骤3；

步骤3：给伺服电机频率为16～48KHz脉冲控制信号，使离合器以0.04～0.12m/s的速度快速结合同步，通过限位传感器检测离合器位置，当离合器到达限位点时传感器反馈信号，截止单片机控制信号，电机停止转动，结合过程完成。

更进一步，其特征在于：所述的MAP1图控制的各变量语言如下：

油门α：小(S)、中(M)、大(B)；

油门变化率dα/dt：慢(S)、中(M)、快(B)；

离合器目标转速ω：小(S)、中(M)、大(B)；

其中各变量的论域如下：

油门α：{5％，20％，45％，100％}；小(S)、中(M)、大(B)对应的分段区间：(5％，20％](20％，45％](45％，100％]；

油门变化率dα/dt：{0，3，7，10}；慢(S)、中(M)、快(B)对应的分段区间：(0，3](3，7](7，10]，单位为1；

离合器目标转速：{1，300，600，1100}；小(S)、中(M)、大(B)对应的分段区间：(1，300](300，600](600，1100]，单位为r/min。

进一步分析如下：

离合器的结合过程分为空行程、滑磨、同步三个阶段。在空行程阶段，离合器主从动片未接触，造成了传动系统的动力中断，为了缩小这个时间，需要一个快的离合器结合速度；在滑磨阶段，需要根据dω_c/dt、dω_e/dt的值，适当的减小离合器的结合速度，既减小了车辆的冲击度增加车辆驾驶的舒适性，又避免发动机转速的剧烈波动甚至熄火，同时又要保证滑磨时间不要太长，延长离合器的使用寿命。滑磨阶段结合阶段的离合器结合速度是根据MAP图实现的。根据发动机油门α以及油门变化率dα/dt判断驾驶员的驾驶意图，当油门及其变化率大说明驾驶员急于起步，当油门及其变化率小说明驾驶员需要慢起步，据此建立α、dα/dt离合器目标转速ω的MAP图曲线。以发动机与离合器的转速差ω_ec、离合器输出轴转速导数值dω_c/dt、离合器位置x_c为参考量建立的三维MAP图，利用PID控制的抗干扰性，建立离合器目标转速ω和实际转速ω_c的PID控制模块，对离合器的位置x_c进行整定，控制滑磨阶段离合器的结合速度。根据ω_ec、dω_c/dt值确定一个理想的离合器位置x_c，当离合器实际位置x与理想位置x_c偏差大时，离合器以较快的速度结合，当偏差小时，离合器以较慢的速度结合；在同步阶段，离合器以一个快的速度结合。

三个阶段的判断条件：当离合器输出轴转速ω_c为0，离合器处于空行程阶段；当ω_c突然出现变化时，离合器到达半结合点位置，这是滑磨阶段的开始；当发动机与离合器的转速差ω_ec为0时，滑磨阶段结束，离合器开始同步阶段。

空行程阶段离合器以定速度结合，直到到达半结合点开始滑磨阶段，这个速度通过实验进行标定确定，既要保证缩短空行程阶段时间，又要保证半结合点的冲击比较小；在滑磨阶段，控制阶段分为两部分，第一部分根据发动机油门α和油门变化率dα/dt确定离合器转速的目标值，三者之间的关系是通过实验进行标定形成的MAP图。在发动机油门α和油门变化率dα/dt确定的条件下，输出唯一的离合器转速目标值，该目标值作为一个参考量输入PID控制模块；第二部分通过实验室条件下标定确定ω_ec和离合器输出轴扭矩T_c(T_c＝Jdω_c/dt+T_L；J是等效到离合器输入轴上的车辆平动、转动惯量，J＝m(r/i_gi₀)²，单位为kgm²；m为车辆质量，r为车轮半径，i_g为变速箱传动比，i₀为车辆差速器传动比，对于一定型号的车辆m、r和i₀为定值可知，i_g可以通过变速箱档位传感器检测得到；T_L是等效到离合器输入轴的车辆运行阻力矩，由空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩组成；T_L＝r[Gf+m(dω_c/dt)/i_g+C_DAω_c ²/21.15i_g ²i₀ ²]/i_gi₀；G为车重，f为滚动摩擦因数，C_D为空气阻力系数，A为车辆迎风面积；橡胶轮胎与路面的滚动摩擦因数f约为0.71，轿车的空气阻力系数C_D约为0.35，一定车型迎风面积A为定值。)与离合器位置关系，建立三者MAP图。根据传感器信号确定ω_ec和离合器输出轴扭矩T_c控制离合器输出位置x_c，这时离合器输出轴转速ω_c和由第一部分确定的离合器转速目标值进入PID模块，根据ω_c与目标值之差进行PID整定，输出x’(x’为控制程序的误差调整值，单位为cm。)，控制离合器位置为x_c+x’(x’可正可负)，实现离合器位置的精确控制。当离合器实际位置x与控制位置x_c+x’偏差大时，离合器快速结合或者分离，使x迅速调整靠近x_c+x’；当离合器位置x与控制位置x_c+x’偏差小时，离合器缓慢结合或者分离，使x缓慢调整靠近x_c+x’。在同步阶段，离合器以一个较快的结合速度结合，离合器的结合过程完毕。

本发明与现有控制方法相比，具有明显的优势和效益：

1、与模糊控制、神经网络等控制方法相比，具有运算量小，结构简单，控制的实时性强，克服了目前复杂控制造成的控制器单片机延迟问题。

2、根据离合器转速的变化判断离合器控制的三个阶段，实施性强，克服车辆负载变化对结合过程的影响。

3、通过大量标定试验建立的MAP可以实现汽车动力性、经济性的统一，控制过程参数特性与控制目标关系明确，易于进行参数的调整。

附图说明：

图1为电动式自动离合器结构示意图。

图2为电动式自动离合器在分离操作的示意图。

图3为电动式自动离合器在结合操作的示意图。

图4为本发明的控制流程图。

图5为两个MAP图控制逻辑框图。

图6为慢速结合时理想转速-实际转速-发动机转速图。

图7为慢速结合时离合器理想位置-实际位置图。

图8为快速结合时理想转速-实际转速-发动机转速图。

图9为快速结合时离合器理想位置-实际位置图。

图中：

1、单片机信号接口  2、伺服电机  3、联轴器  4、限位传感器  5、滚珠丝杠  6、压力传感器  7、位移传感器  8、压盘  9、摩擦片  10、飞轮。

具体实施方式：

下面对发明进一步阐述，本发明采用了电动式自动离合器。如图1所示，电动式自动离合器系统由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠等机构组成，并配有编码器、位置传感器、限位传感器。本发明通过FreeScale MC9S12DT128型号16位单片机发出脉冲信号控制伺服电机的运动，伺服电机转动带动滚珠丝杠，将旋转运动变成前后的直线运动。通过滚珠丝杠的直线运动，推动离合器的分离杠杆，实现离合器的分离与结合。单片机在发出脉冲的同时还发出一个高电平或者低电平，控制伺服电机的旋转方向，实现滚珠丝杠的前进和后退。编码器发出的脉冲量反映伺服电机转动的角度。位置传感器用于检测滚珠丝杠的位移，限位传感器用于限定滚珠丝杠的运动起始点和终止点。离合器的分离过程，单片机(PWM)模块产生一个方波信号，控制伺服电机的运动，方波频率的大小决定电机转动的速度大小，同时单片机产生一个高电平信号，控制伺服电机正向转动，此时电机带动滚珠丝杠推动离合器分离杠杆，离合器摩擦片与压盘分离，通过位置传感器检测离合器位置，当位置到达滚珠丝杠的终止点时限位传感器反馈信号给单片机，单片机终止信号输出，电机停止转动，滚珠丝杠随之停止运动，实现了离合器的分离操作。离合器结合过程，单片机(PWM)模块产生一个方波信号，控制伺服电机的运动，方波频率的大小决定电机转动的速度大小，同时单片机产生一个低电平信号，控制伺服电机反向转动，此时电机带动滚珠丝杠反向退回，通过位置传感器检测离合器位置，当位置到达滚珠丝杠的起始点时限位传感器反馈信号给单片机，单片机终止信号输出，电机停止转动，滚珠丝杠随之停止运动，实现离合器的结合操作。

离合器在结合阶段分为三个阶段。第一阶段为空行程阶段，此阶段离合器输出轴转速为0，需要离合器快速结合以减少动力中断时间，因此采用“离合器快速结合直到离合器输出轴转速发生突变”的方法。第二阶段为滑磨阶段，此时离合器处于摩擦滑磨阶段，需要根据发动机状态和离合器输出轴转速控制合理的离合器结合速度，实现离合器的平稳结合，减小冲击度和滑摩功。采用大量实验进行标定制作的MAP图是实现控制目的良好方法。因此采用“根据发动机油门α以及油门变化率dα/dt，建立α、dα/dt、离合器目标转速ω的MAP图曲线，通过实验室条件下标定确定ω_ec和离合器输出轴扭矩T_c(T_c＝Jdω_c/dt+T_L；J是等效到离合器输入轴上的车辆平动、转动惯量，J＝m(r/i_gi₀)²，单位为kgm²；m为车辆质量，r为车轮半径，i_g为变速箱传动比，i₀为车辆差速器传动比，对于一定型号的车辆m、r和i₀为定值可知，i_g可以通过变速箱档位传感器检测得到；T_L是等效到离合器输入轴的车辆运行阻力矩，由空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩组成；T_L＝r[Gf+m(dω_c/dt)/i_g+C_DAω_c ²/21.15i_g ²i₀ ²]/i_gi₀；G为车重，f为滚动摩擦因数，C_D为空气阻力系数，A为车辆迎风面积；橡胶轮胎与路面的滚动摩擦因数f约为0.71，轿车的空气阻力系数C_D约为0.35，一定车型迎风面积A为定值。)与离合器位置关系，建立三者MAP图，根据传感器信号确定ω_ec和离合器输出轴扭矩T_c控制离合器输出位置x_c，这时离合器输出轴转速ω_c和离合器转速目标值进入PID模块，根据ω_c与目标值之差进行PID整定，输出x’(x’为控制程序的误差调整值，单位为cm。)，控制离合器位置为x_c+x’(x’可正可负)，实现离合器位置的精确控制。当离合器实际位置x与理想位置x_c偏差大时，离合器以较快的速度结合，当偏差小时，离合器以较慢的速度结合的方法。第三阶段为同步阶段，离合器输出轴转速与发动机转速一致，离合器滑磨阶段已经结束，因此采用“离合器快速结合”的方法。

本发明控制流程如下：

步骤1：离合器开始结合时，为了缩短离合器空行程阶段的时间，给伺服电机输入一个频率为16～48KHz脉冲信号控制电机运动速度，同时给伺服电机一个高电平信号控制伺服电机正向转动，此时电动执行机构运动速度与输入伺服电机的脉冲信号频率数值成正比关系，以0.04～0.12m/s的速度前进，实现离合器的快速结合，同时检测离合器输出轴转速是否发生突变，如没有则重复步骤1，如果转速发生突变则进入步骤2；

步骤2：采集发动机油门α以及油门变化率dα/dt，根据MAP1图输出离合器控制目标值ω。采集发动机转速和离合器输出轴转速，计算ω_ec，离合器输出轴扭矩T_c(T_c＝Jdω_c/dt+T_L；J是等效到离合器输入轴上的车辆平动、转动惯量，J＝m(r/i_gi₀)²，单位为kgm²；m为车辆质量，r为车轮半径，i_g为变速箱传动比，i₀为车辆差速器传动比，对于一定型号的车辆m、r和i₀为定值可知，i_g可以通过变速箱档位传感器检测得到；T_L是等效到离合器输入轴的车辆运行阻力矩，由空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩组成；T_L＝r[Gf+m(dω_c/dt)/i_g+C_DAω_c ²/21.15i_g ²i₀ ²]/i_gi₀；G为车重，f为滚动摩擦因数，C_D为空气阻力系数，A为车辆迎风面积；橡胶轮胎与路面的滚动摩擦因数f约为0.71，轿车的空气阻力系数C_D约为0.35，一定车型迎风面积A为定值。)，根据MAP2图控制输出离合器位置x_c。将离合器控制目标值和离合器输出轴转速输入PID模块，输出x’(x’为控制程序的误差调整值，单位为cm。)，此时控制离合器位置为x_c+x’(x’可正可负)，根据位置传感器反馈离合器实际位置x。将|x_c+x’-x|×y(y＝kx+b，通过标定得出：k＝10000，b＝5000。)数值作为控制伺服电机的脉冲信号的频率数值，单位为KHz，x_c+x’-x的正负符号决定伺服电机的转动方向。判断ω_ec是否为0，如不为0则重复步骤2，当ω_ec为0时则进入步骤3；

步骤3：给伺服电机频率16～48KHz脉冲控制信号，使离合器以0.04～0.12m/s的速度快速结合，通过限位传感器检测离合器位置，当离合器到达限位点时传感器反馈信号，截止单片机控制信号，电机停止转动，结合过程完成。

本发明在滑磨阶段分为两层MAP图控制，一层是根据发动机油门α以及油门变化率dα/dt，确定离合器速度的目标值，如图表1所示。另一层是根据发动机与离合器输出轴转速差ω_ec，确定的离合器位置x_c。通过两层MAP图输出值及车辆反馈信号值，利用PID控制方法实现离合器位置的精确控制，进而实现离合器输出轴转速的精确控制。

图表1离合器速度目标值规则表

图表2标定数值y随离合器位置变化规则表

最后完成程序的编译调试，通过BDM下载到以FreeScale MC9S12DT128型号16位单片机为核心的电子控制系统，进行离合器结合的实验，验证实验控制效果。

Claims (2)

1.一种基于转速的离合器控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：根据离合器输出轴转速的大小判断离合器是否处于空行程阶段；离合器开始结合时，给伺服电机输出一个频率为16～48KHz脉冲信号控制电机运动速度，同时给伺服电机一个高电平信号控制伺服电机正向转动，此时电动执行机构以0.04～0.12m/s的速度前进，实现离合器的快速结合，同时检测离合器输出轴转速是否发生突变，如没有则重复步骤1，如果转速发生突变则进入步骤2；

步骤2：采集发动机油门α以及油门变化率dα/dt，根据MAP1图输出离合器控制目标值ω；采集发动机转速ω_e和离合器输出轴转速ω_c，两者做差得到ω_ec，并且计算出离合器输出轴扭矩T_c，T_c=Jdω_c/dt+T_L；其中J是等效到离合器输入轴上的车辆平动、转动惯量，T_L是等效到离合器输入轴的车辆运行阻力矩，由空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩组成；

根据MAP2图控制输出离合器位置x_c；将离合器控制目标值ω和离合器输出轴转速ω_c输入PID模块，输出x’，此时控制离合器位置为x_c+ x’，x’为控制程序的误差调整值，单位为cm；其中x’可正可负；根据位置传感器反馈离合器实际位置x；将|x_c+ x’-x|×y，其中y=kx+b，通过标定得出：k=10000，b=5000；数值作为控制伺服电机的脉冲信号的频率数值，单位为KHz，x_c+ x’-x的正负符号决定伺服电机的转动方向；判断ω_ec是否为0，如不为0则重复步骤2，当ω_ec为0时则进入步骤3；

步骤3：给伺服电机频率为16～48KHz脉冲控制信号，使离合器以0.04～0.12m/s的速度快速结合，通过限位传感器检测离合器位置，当离合器到达限位点时传感器反馈信号，截止单片机控制信号，电机停止转动，结合过程完成。

2.根据权利要求1所述一种基于转速的离合器控制方法，其特征在于：所述的MAP1图控制的各变量语言如下：

油门α：小(S)、中(M)、大(B)；

油门变化率dα/dt：慢(S)、中(M)、快(B)；

离合器目标转速ω：小(S)、中(M)、大(B)；

其中各变量的论域如下：

油门α：{5%,20%,45%,100%}；小(S)、中(M)、大(B)对应的分段区间：(5%,20%] (20%,45%] (45%,100%]；

油门变化率dα/dt：{0,3,7,10}；慢(S)、中(M)、快(B)对应的分段区间：(0,3] (3,7] (7,10]，单位为1；

离合器目标转速：{1,300,600,1100}；小(S)、中(M)、大(B)对应的分段区间：(1,300] (300,600] (600,1100]，单位为r/min。 

Images