CN111361569A - 一种基于模型的湿式dct离合器转矩实时估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，属于车辆传动技术领域。该方法包括离合器滑摩状态判断步骤、单离合器转矩实时估计步骤和双离合器转矩实时估计步骤；在离合器滑摩状态判断步骤中，通过两个离合器主、从动端转速差和离合器油压信号来确认是否进入离合器转矩估计程序；在单离合器转矩实时估计步骤中，主要利用发动机转矩、曲轴转速和离合器油压来进行单离合器转矩实时估计；在双离合器转矩实时估计步骤中，主要利用发动机转矩、曲轴转速、离合器油压和车辆阻力阻来进行双离合器转矩实时估计。本发明不仅能实时准确地估计湿式DCT单离合器滑摩时传递的转矩，也能分别估计DCT双离合器均在滑摩时各自传递的转矩。

Description

一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法

技术领域

本发明属于车辆传动技术领域，涉及一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法。

背景技术

随着自动变速器在汽车市场的普及，双离合器自动变速器(Dual ClutchTransmission,DCT)以其换挡品质好、传动效率高等优势得到众多车企的青睐。其中，湿式双离合器自动变速器因承载能力强、使用寿命长等诸多优势被广泛应用于汽车上。湿式离合器作为湿式双离合器自动变速器及其综合传动系统中的核心部件之一，其在滑摩阶段所传递的转矩是整车在起步和换挡控制中主要控制对象之一。若对于离合器的转矩控制不佳，会出现起步冲击过大，或滑摩时间长而造成的的离合器过热、烧蚀等。另外，离合器滑摩阶段传递的转矩会随着使用工况如油温、转速差等的变化而变化，且随着离合器服役时间的累积，离合器摩擦副的摩擦、磨损也会使得离合器性态发生变化。因此，仅依靠对离合器传递的转矩进行机理建模和准确计算，具有很大难度和不准确性。

为了克服离合器在滑摩阶段实时计算传递转矩的难度较大和不准确性问题，需要提出一种适用于现有的搭载湿式DCT车辆的离合器转矩实时估计方法，以实现对湿式离合器传递转矩的精确控制，提高车辆的舒适性和经济性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：首先判断湿式DCT在当前工作状态时是否有离合器在滑摩，以判断是否进入离合器转矩估计程序；

步骤二：分别判断湿式DCT两个离合器的油压是否大于回位弹簧的预紧压力，以判断进入单离合器转矩估计模块还是双离合器转矩估计模块；

步骤三：当程序进入单离合器转矩估计模块时，通过车辆总线系统实时读取的发动机转矩和曲轴转速数据、及湿式DCT液压模块中离合器油压传感器测得的离合器油压数据，来进行单离合器转矩实时估计；当程序进入双离合器转矩估计模块时，通过车辆总线系统实时读取的发动机转矩和曲轴转速、车辆基于坡度传感器测得的道路坡度和半轴转速传感器测算得到的车速来计算得到的车辆阻力矩，以及湿式DCT液压模块中的离合器油压传感器分别测得的两个离合器的油压数据，来进行双离合器转矩估计；

步骤四：获得单离合器转矩实时估计值或双离合器转矩实时估计值，反馈到车辆离合器控制程序中。

可选的，所述单离合器转矩估计模块采用Kalman滤波算法进行转矩估计，观测方程由

离散化并考虑测量噪声v(k)得到：

状态方程由T_c＝nf_cS_pR_c(P-P_rs)离散化并

考虑过程噪声w(k)得到：T_c(k+1)＝T_c(k)+P(k+1)-P(k)+w(k)，其中T_c为离合器转矩，T_e为发动机转矩，I_e为发动机输出端转动惯量，I_d为离合器主动端转动惯量，ω_e为发动机曲轴角速度，T_c(k)为k时刻离合器转矩，T_e(k)为k时刻发动机转矩，ω_e(k)为k时刻发动机曲轴角速度，ω_e(k-1)为k-1时刻发动机曲轴角速度，Δt为采样时间间隔，n为离合器摩擦面数，f_c为离合器摩擦系数，S_p为离合器活塞面积，R_c为离合器摩擦副有效半径，P为离合器油压，P_rs为离合器回位弹簧预紧压力；系统状态空间模型为：

令离散状态量为

控制量为

观测量y(k)＝[T_c(k)]，其中状态转移矩阵

输出矩阵

观测矩阵H＝[10]，w(k)为过程噪声，其方差为Q，v(k)为观测噪声，其方差为R。

可选的，所述双离合器转矩估计模块采用Kalman滤波算法进行转矩估计，观测方程由

离散化并考虑测量噪声v(k)得到：

状态方程由

离散化并考虑过程噪声w(k)得到：

其中T_c1、T_c2分别为离合器1和离合器2转矩，i₁、i₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动比，i_a1、i_a2分别为离合器1和离合器2接合挡位的主减速器传动比，η₁、η₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动效率，T_v为车辆阻力矩，I_eq为离合器1和离合器2从各自从动端至半轴间传动链上所有关联部件的转动惯量等效到半轴上的当量转动惯量，I_v为整车等效到输出轴的当量转动惯量，ω_o为半轴角速度，Δt为采样时间，n₁、n₂分别为离合器1和离合器2的摩擦面数，f_c1、f_c2分别为离合器1和离合器2的摩擦系数，S_p1、S_p2分别为离合器1和离合器2的活塞面积，R_c1、R_c2为离合器摩擦副有效半径，P₁、P₂分别为离合器1和离合器2的油压，P_rs1、P_rs2分别为离合器1和离合器2的回位弹簧预紧压力；离合器1和离合器2的系统状态空间模型均为：

令离散状态量为

控制量为

观测量为y(k)＝[T_c(k)]，其中状态转移矩阵

输出矩阵

观测矩阵H＝[10]，w(k)为过程噪声，其方差为Q，v(k)为观测噪声，其方差为R。

可选的，所述单离合器转矩估计模块和双离合器转矩估计模块中采用的Kalman滤波算法特征在于：首先由所设计的系统状态空间模型，进入预测过程，根据k-1时刻的初始条件，对k时刻的系统状态进行先验估计：

并计算先验估计的误差协方差矩阵：P^*(k)＝AP(k-1)A^T+Q(k)；然后进入校正过程，结合所设计的观测模型，以获得改进的系统后验估计，先计算最优Kalman增益：

则系统状态的后验估计为：

再更新后验估计的误差协方差矩阵：P(k)＝[I-K(k)H]P^*(k)，程序再返回到预测过程中，进行离合器转矩估计的迭代计算。

本发明的有益效果在于：

(1)利用本发明提供的基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法不仅能够实时、准确地估计出单离合器滑摩时传递的转矩，两个离合器都在滑摩时也能分别估计出各自传递的转矩，为离合器控制提供了准确的、可参考的实时传递转矩数据。

(2)本发明提供的基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法适应于市场上已搭载湿式DCT的机动车辆，利用车辆上已有的传感器和相关设备即能进行离合器转矩估计，具有较高的普适性，且使用开发成本较低。

(3)因本发明提供的基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计算法中采用了转矩误差修正程序，因此本发明提供的方法允许传感器和相关设备读取的数据存在噪声，也允许模型存在过程噪声，适用性较好。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种典型的湿式DCT车辆动力传动系统示意图；

图2为本发明提供的湿式DCT离合器转矩估计流程图；

图3为本发明中单离合器转矩估计模块流程图；

图4为本发明中双离合器转矩估计模块流程图；

图5为采用本发明中的方法估计的离合器转矩结果与实际离合器转矩的对比图；图5(a)为本方法中单离合器转矩估计结果与实际离合器转矩的对比图；图5(b)为本方法中双离合器转矩估计结果与实际离合器转矩的对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，附图中的元件数字标号分别表示：1—发动机、2—减振系统、3—离合器1、4—离合器2、5—内输入轴、6—外输入轴、7—离合器1传动系的第一级齿轮副、8—离合器2传动系的第一级齿轮副、9—中间轴1、10—中间轴2、11—离合器1传动系的第二级齿轮副、12—离合器2传动系的第二级齿轮副、13—半轴、14—车辆轮胎扭转刚度与阻尼系统、15—发动机管理系统(EMS)、16—发动机曲轴转速传感器、17—中间轴1齿轮转速传感器、18—中间轴2齿轮转速传感器、19—半轴转速传感器、20—离合器1油压传感器、21—离合器2油压传感器。

如图1所示，本发明涉及的一种典型湿式DCT车辆动力传动系统。从发动机管理系统(EMS)15中可以获取发动机转矩，通过发动机曲轴转速传感器16可以获取曲轴角速度。无论实际的DCT车辆搭载双质量飞轮系统还是采用双离合器减振弹簧系统，都可以简化成2所示的减振系统结构。通过中间轴1齿轮转速传感器17和中间轴2齿轮转速传感器18分别来测算离合器1和离合器2的从动端转速，结合发动机曲轴转速传感器16来确定离合器是否在滑摩。考虑到实际的DCT车辆采用半轴转速传感器19测算得到的半轴角速度与车轮角速度大致相等，在双离合器转矩估计模块中将二者的角速度处理为近似值。通过离合器1油压传感器21和离合器2油压传感器22分别获取离合器1和离合器2的油压。另外，图中带下标的I分别表示其所在轴和轴上关联零部件的当量转动惯量，带下标的T分别表示其所在轴端的转矩，带下标的ω分别表示其所在轴的转速，带下标的k分别表示其所在系统的扭转刚度，带下标的c分别表示其所在系统的阻尼，带下标的i分别表示其所在齿轮副的传动比，关于这种表示方法，对于本领域技术人员而言是容易理解的。

参阅图2，为本发明提供的湿式DCT离合器转矩估计流程图，图3和图4分别为图2中单、双离合器转矩估计模块的详细流程示意图；结合图2、图3和图4，对湿式DCT离合器转矩估计流程进行详细介绍如下：

如图2所示，为本发明提供的湿式DCT离合器转矩估计流程图。程序开始后，在判断条件S01处，首先判断湿式DCT在当前工作状态时是否有离合器在滑摩，以判断是否进入离合器转矩估计程序。图中Δn1＝n_e-n_t1/i₁，Δn2＝n_e-n_t2/i₂，其中Δn1、Δn2分为曲轴转速与离合器1、2的从动端转速差，n_e为发动机曲轴转速，n_t1为图1中齿轮转速传感器17测得的中间轴1上的齿轮转速，n_t2为图1中齿轮转速传感器18测得的中间轴2上的齿轮转速，i₁、i₂分别为离合器1、2接合挡位的传动比，n₁₀、n₁₀分别为离合器1、2滑摩判断阈值。需要说明的是滑摩判断本应该采用离合器主、从动端转速差，但考虑实际车辆离合器主动端转速一般没有传感器直接测量，因此使用发动机曲轴转速传感器测得的曲轴转速作为离合器主动端转速，所以式中n₁₀、n₂₀均为值不为零的实数，具体数值大小需要结合开发前期仿真平台离线调参和试验标定来确定；在判断条件S02处，判断离合器油压大小是否存在超过回位弹簧预紧压力的情况，其中P₁、P₂分别为离合器1、2的油压传感器21、22测得的离合器油压，P_rs1、P_rs2分别为离合器1、2的回位弹簧预紧压力；在判断条件S03处，判断是单离合器滑摩还是双离合器滑摩，以决定程序进入单离合器转矩估计模块S04还是双离合器转矩估计模块S06；

当程序进入单离合器转矩估计模块S04时，结合图3，单离合器转矩估计模块流程图。首先，通过车辆总线系统读取发动机转矩和曲轴转速、通过DCT液压模块中的离合器油压传感器读取离合器油压，以进行单离合器转矩估计；此时动力学方程为：

其中T_e为发动机转矩，T_d为减振器转矩，T_c为离合器转矩，I_e为发动机输出端转动惯量，I_d为离合器主动端转动惯量，ω_e为发动机曲轴角速度，ω_d为离合器主动端角速度。考虑到实际车辆离合器主动端转速一般没有传感器直接测量，因此使用发动机曲轴转速传感器测得的曲轴转速作为离合器主动端转速，且两者实际转速相差不大，因此令ω_e＝ω_d，动力学方程简化为

由此离散化并考虑测量噪声可得观测方程；另外，由离合器转矩计算模型可知T_c＝nf_cS_pR_c(P-P_rs)，由于模型允许存在过程噪声，将上式中在离合器滑摩过程中实际发生变化的参数f_c(离合器摩擦系数)考虑成常数，再将上式微分可得

进一步离散化并考虑过程噪声可得状态方程。由状态方程和观测方程可得到系统状态空间模型和观测量模型，由此进入离合器转矩Kalman滤波算法流程。在预测过程中，先进行离合器转矩先验估计和先验估计的误差协方差矩阵的计算，再进行校正过程，计算最优Kalman增益和离合器转矩的后验估计，最后进行后验估计的误差协方差矩阵的计算，程序再返回到预测过程中，进行离合器转矩迭代计算。至此，程序进入S05，可以得到离合器1转矩估计值T_c1或离合器2转矩估计值T_c2。

当程序进入双离合器转矩估计模块S06时，结合图4，双离合器转矩估计模块流程图。首先，通过车辆总线系统读取发动机转矩和曲轴转速、获取车辆基于坡度传感器测得的道路坡度和半轴转速传感器测算得到的车速来计算得到的车辆阻力矩、通过DCT液压模块中的离合器油压传感器分别读取两个离合器油压，以进行双离合器转矩估计；此时动力学方程为：

其中T_e为发动机转矩，T_d为减振器转矩，T_c1、T_c2分别为离合器1转矩和离合器2转矩，T_o为半轴输出转矩，T_v为车辆阻力矩，i₁、i₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动比，i_a1、i_a2分别为离合器1和离合器2接合挡位的主减速器传动比，η₁、η₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动效率，I_eq为离合器1和离合器2从各自从动端至半轴间传动链上所有关联部件的转动惯量等效到半轴上的当量转动惯量，I_v为整车等效到输出轴的当量转动惯量，ω_v为车轮角速度。因半轴角速度与车轮角速度大致相等，这里将二者的角速度处理为近似值，即ω_o＝ω_v，动力学方程简化为：

由此离散化并考虑测量噪声可得观测方程；另外，由离合器转矩计算模型可知

其中T_c1、T_c2分别为离合器1和离合器2转矩，n₁、n₂分别为离合器1和离合器2的摩擦面数，f_c1、f_c2分别为离合器1和离合器2的摩擦系数，S_p1、S_p2分别为离合器1和离合器2的活塞面积，R_c1、R_c2为离合器摩擦副有效半径，P₁、P₂分别为离合器1和离合器2的油压，P_rs1、P_rs2分别为离合器1和离合器2的回位弹簧预紧压力；同样，将上式微分可得

进一步离散化并考虑过程噪声可得状态方程。由状态方程和观测方程可得到系统状态空间模型和观测量模型，由此分别进入离合器1和离合器2的转矩Kalman滤波算法流程。在预测过程中，先进行离合器转矩先验估计和先验估计的误差协方差矩阵的计算，再进行校正过程，计算最优Kalman增益和离合器转矩的后验估计，最后进行后验估计的误差协方差矩阵的计算，程序再返回到预测过程中，进行离合器转矩迭代计算。至此，程序进入S07，分别得到离合器1的转矩估计值T_c1和离合器2的转矩估计值T_c2。

图5为利用本发明提供的一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法进行的离合器转矩估计结果与实际转矩的对比图，其中图5(a)为单离合器转矩估计结果与实际值的对比，本例中采样时间间隔为0.001s，采样时刻从0s到2s之间，为了显示清楚两者的区别，图中对矩形区域进行了局部放大，可以看出当湿式DCT中仅有某一个离合器在滑摩时，采用的单离合器转矩估计模块估计得到的转矩与实际值十分接近，转矩估计一致性较好；图5(b)为双离合器转矩估计结果与实际值的对比，本例中采样时间间隔为0.001s，采样时刻从0s到1.4s之间，图中分别指明了离合器1、2的转矩估计值和转矩实际值，可以看出双离合器转矩估计时，虽然在转矩变化率较大的时刻转矩估计精度相对较差，但其它时刻双离合器转矩估计效果均较好，估计的离合器转矩变化趋势与实际离合器转矩变化趋势相符。整体来看，转矩估计值与实际值十分接近，说明了本发明提出的一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法的有效性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：首先判断湿式DCT在当前工作状态时是否有离合器在滑摩，以判断是否进入离合器转矩估计程序；

步骤二：分别判断湿式DCT两个离合器的油压是否大于回位弹簧的预紧压力，以判断进入单离合器转矩估计模块还是双离合器转矩估计模块；

步骤三：当程序进入单离合器转矩估计模块时，通过车辆总线系统实时读取的发动机转矩和曲轴转速数据、及湿式DCT液压模块中离合器油压传感器测得的离合器油压数据，来进行单离合器转矩实时估计；当程序进入双离合器转矩估计模块时，通过车辆总线系统实时读取的发动机转矩和曲轴转速、车辆基于坡度传感器测得的道路坡度和半轴转速传感器测算得到的车速来计算得到的车辆阻力矩，以及湿式DCT液压模块中的离合器油压传感器分别测得的两个离合器的油压数据，来进行双离合器转矩估计；

步骤四：获得单离合器转矩实时估计值或双离合器转矩实时估计值，反馈到车辆离合器控制程序中。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，其特征在于：所述单离合器转矩估计模块采用Kalman滤波算法进行转矩估计，观测方程由

离散化并考虑测量噪声v(k)得到：

状态方程由T_c＝nf_cS_pR_c(P-P_rs)离散化并考虑过程噪声w(k)得到：T_c(k+1)＝T_c(k)+P(k+1)-P(k)+w(k)，其中T_c为离合器转矩，T_e为发动机转矩，I_e为发动机输出端转动惯量，I_d为离合器主动端转动惯量，ω_e为发动机曲轴角速度，T_c(k)为k时刻离合器转矩，T_e(k)为k时刻发动机转矩，ω_e(k)为k时刻发动机曲轴角速度，ω_e(k-1)为k-1时刻发动机曲轴角速度，Δt为采样时间间隔，n为离合器摩擦面数，f_c为离合器摩擦系数，S_p为离合器活塞面积，R_c为离合器摩擦副有效半径，P为离合器油压，P_rs为离合器回位弹簧预紧压力；系统状态空间模型为：

令离散状态量为

控制量为

观测量y(k)＝[T_c(k)]，其中状态转移矩阵

输出矩阵

观测矩阵H＝[10]，w(k)为过程噪声，其方差为Q，v(k)为观测噪声，其方差为R。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，其特征在于：所述双离合器转矩估计模块采用Kalman滤波算法进行转矩估计，观测方程由

离散化并考虑测量噪声v(k)得到：

状态方程由

离散化并考虑过程噪声w(k)得到：

其中T_c1、T_c2分别为离合器1和离合器2转矩，i₁、i₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动比，i_a1、i_a2分别为离合器1和离合器2接合挡位的主减速器传动比，η₁、η₂分别为离合器1和离合器2接合挡位的传动效率，T_v为车辆阻力矩，I_eq为离合器1和离合器2从各自从动端至半轴间传动链上所有关联部件的转动惯量等效到半轴上的当量转动惯量，I_v为整车等效到输出轴的当量转动惯量，ω_o为半轴角速度，Δt为采样时间间隔，n₁、n₂分别为离合器1和离合器2的摩擦面数，f_c1、f_c2分别为离合器1和离合器2的摩擦系数，S_p1、S_p2分别为离合器1和离合器2的活塞面积，R_c1、R_c2为离合器摩擦副有效半径，P₁、P₂分别为离合器1和离合器2的油压，P_rs1、P_rs2分别为离合器1和离合器2的回位弹簧预紧压力；离合器1和离合器2的系统状态空间模型均为：

令离散状态量为

控制量为

观测量为y(k)＝[T_c(k)]，其中状态转移矩阵

输出矩阵

观测矩阵H＝[10]，w(k)为过程噪声，其方差为Q，v(k)为观测噪声，其方差为R。

4.根据权利要求1所述的一种基于模型的湿式DCT离合器转矩实时估计方法，其特征在于：所述单离合器转矩估计模块和双离合器转矩估计模块中采用的Kalman滤波算法特征在于：首先由所设计的系统状态空间模型，进入预测过程，根据k-1时刻的初始条件，对k时刻的系统状态进行先验估计：

并计算先验估计的误差协方差矩阵：P^*(k)＝AP(k-1)A^T+Q(k)；然后进入校正过程，结合所设计的观测模型，以获得改进的系统后验估计，先计算最优Kalman增益：

则系统状态的后验估计为：

再更新后验估计的误差协方差矩阵：P(k)＝[I-K(k)H]P^*(k)，程序再返回到预测过程中，进行离合器转矩估计的迭代计算。

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