动力传动一体化控制系统在小客车上的应用研究

动力传动一体化控制系统在小客车上的应用研究

1动力传动一体化控制对于具有手动故障记录的换挡系统，换挡过程中会受到一定程度的影响，并显示出换挡过程中变速器输出轴上的旋转扰动。由于手动换挡的变速器是靠驾驶员通过操纵动作进行换挡,因此有经验的驾驶员可以有效地降低换挡冲击。而对于电液式自动变速器,由于换挡是依靠自动的液压控制机构来实现的,没有人工干预的因素,因此解决换挡冲击,提高换挡品质就成为动力传动系统设计和控制中的一个重要的问题,而一个有效的解决措施就是采用动力传动一体化控制。作者在自行开发的由电控汽油机、电液式自动变速器组成的动力传动系统的基础上,研究了动力传动一体化控制,即对发动机的输出转矩和转速、变速器的主油压进行协调控制对换挡过程影响的研究,有效地改善了换挡品质,对在小客车上应用动力传动一体化控制技术进行了有益的探索。2利用s150网络的共享控制系统中发动机和变速器的ECU均以80C552作为微处理器,80C552可以提供I2C串行接口资源,2个ECU之间通过I2C总线进行信息交换(图1)以实现传感器信息的共享和动力传动系统运转过程中的协调控制。发动机ECU、变速器ECU的分工以及二者协调完成的任务如下。2.1控制发动机的双重任务(1)发动机的燃油顺序喷射控制。(2)发动机点火提前角和点火线圈闭合时间控制。(3)发动机怠速转速控制。(4)电动燃油泵的控制。2.2控制仪器的性能(1)规则的控制根据驾驶员的选择,分别按照动力性、经济性换挡规律进行换挡控制。(2)流程控制在换挡过程中进行液力变矩器解锁控制,向发动机ECU发出推迟点火信号,从而实现换挡过程的发动机转矩控制。(3)主要油压监控在变速器的整个工作范围内对主油压进行控制,包括基本油压控制和惯性相油压增长控制,以保证可靠换挡和平稳换挡。(4)液力变矩器配电器的控制在车辆高转速、高挡位工作时,使液力变矩器完全闭锁,从而提高传动效率,改善燃油经济性。2.3协调完成任务(1)通过i2c线程的传输信息变速器ECU通过I2C获取发动机转速信息、发动机冷却液温度信息、节气门开度信息等。(2)调节输出扭矩根据变速器ECU给出的控制指令,发动机ECU采用推迟点火、断油的方法对输出转矩进行调节。为了对转矩控制措施进行具体的研究,每次试验之前,采用自行开发的ECU在线标定系统对推迟点火控制和断油控制开始和结束的时刻(程序中以换挡阀控制开始时刻为基准)以及推迟点火的具体角度进行设置。(3)车辆驾驶性能包括暧机时禁止升入高挡控制,车辆起步时的喷油增量控制等。3换挡冲击的测量试验系统如图2所示。利用图中的数据采集系统,记录换挡过程中发动机转速、涡轮转速、制动带、离合器油压等参数在换挡过程中的变化情况以及推迟点火和断油控制措施的实现情况(通过采集发动机ECU相应的输出信号来实现);利用图中的发动机控制参数在线标定系统和变速器控制参数在线标定系统,根据控制策略研究的需要改变控制方式和控制参数,如换挡过程中的点火提前角控制始点和终点、断油控制的始点和终点、离合器、制动带油压等,从而研究不同的控制策略对换挡过程的影响。关于换挡冲击的客观评价,最理想的是测量变速器输出轴转矩和车身纵向加速度。但由于试验条件的限制,在此仅测量了车身纵向加速度。需要特别说明的是,由于试验在转鼓台上进行,试验过程中车身实际上是不动的,在换挡过程中由于转鼓的惯量大,当输出轴加速度发生突变时,车身同样受到冲击,安装在车身上的加速度传感器测得的信号实际上是这一冲击所引起的局部振动,这一振动与输出轴加速度有良好的相关性。因此,试验研究是以该信号作为换挡冲击的评价标准的。但是,由于该信号是对换挡冲击的间接体现,因此它的绝对值没有意义,只能用做相对比较。由于换挡冲击所引起的车身纵向加速度信号是一个低频信号,因此采用低频加速度传感器,传感器的电荷灵敏度为98.6pc/ms2,最大横向灵敏度比为5%,可用频率范围是0.1～2000Hz。4-2升挡过程所研究的自动变速器是电液控制的、带液力变矩器锁止功能的4速自动变速器。同时,液压系统的主油压可以通过占空比控制型的电磁阀来控制,从而控制离合器、制动器油压变化,改善换挡品质。4速行星齿轮组通过2个制动器、4个离合器、2个自由轮(单向离合器)实现挡位组合。由于1挡(传动比为1∶1.479)和2挡(传动比为1∶2.807)传动比变化较大,因此1-2升挡过程的换挡冲击明显,这里主要研究1-2升挡过程的一体化控制问题。图3是自动变速器的结构简图。1挡时C1、C3、F0、F1起作用,2挡时C1、C3、F0、B1起作用,即升挡过程是太阳轮被制动,同时内齿圈AG2被单向离合器F1释放的过程。1-2升挡过渡过程由4个阶段组成:1挡、1挡转矩相、惯性相、2挡。在1挡转矩相阶段,B1开始充油,开始时,油压变化尚小,还保持在低挡状态工作,高挡制动器B1还处于打滑之中,齿圈AG2仍被F1制动,所以这阶段只有传递转矩的重新分配,转速和速比尚无急剧的变化。随着制动器B1的油压不断增加,当AG2所受的力矩方向从逆时针变为顺时针时,F1不起作用,AG2顺时针方向从零开始加速运动,惯性相开始。这时制动器B1还处于打滑之中,太阳轮S逆时针方向做减速运动,直到B1不打滑完全锁死为零,太阳轮被制动,换挡过渡过程结束,变速器升入2挡。4.11换挡惯性控制策略图4是无转矩控制的1-2升挡动态过程,换挡点油门开度为13%,车速为12km/h,主油压为5Bar。图5(a)～图5(d)分别是采用推迟点火、切断一缸燃油喷射、点火推迟+切断一缸燃油喷射控制策略实测得到的动态过程曲线。从车身纵向加速度对比可以看出,在控制时序合适的情况下,换挡惯性相期间点火提前角为8°时,车身纵向加速度的幅值最小,冲击度逐渐增大的控制策略依次为:无推迟断一缸油、14°点火提前角、和推迟点火+断一缸燃油控制。其原因是:在带有液力变矩器的动力传动系统中,换挡惯性相期间变速器输入转矩的降低主要取决于发动机转速的下降,从各个图上的发动机转速变化曲线可以看出,断油控制和推迟点火+断油控制的换挡过程中由于发动机工作不平衡,转速波动明显,造成输出转矩的波动,从而加剧了车身的纵向振动,使降转矩控制的效果体现不出来;对于14°点火角的过程,虽然发动机的转速变化曲线是连续下降的,但是由于转矩减小的幅度偏小,因此对换挡冲击的减小不够。根据以上的分析可知,对于作者所开发的动力传动一体化控制系统,在主油压控制适当时,在惯性相期间减小发动机的输出转矩对换挡冲击的改善明显,在试验中,换挡冲击的降低幅度为20%;同时,采用适当的降转矩控制策略也很重要,由于所用发动机为4缸,不宜采用断油控制的控制策略。4.21增加了主油压的20ms,提高了换挡的力度图6所示的换挡过程是利用试验系统中的发动机控制参数在线标定系统将惯性相的点火提前角减小到最小值8°,同时设定换挡开始时刻的主油压为500kPa,在转矩相结束之前的100ms将主油压控制值减为400kPa,换挡结束之后再控制为500kPa,这是数据采集系统采集到的换挡过程。可以看出换挡冲击得到了明显的改善,车身纵向加速度的最大幅值减小了50%,同时惯性相时间也由500kPa主油压的200ms延长至240ms。虽然惯性相的延长使制动带的滑磨时间变长,但是发动机转矩的降低又可使滑磨功减小,因此动力传动一体化的控制策略对于减小换挡冲击和换挡元件的磨损都是有利的。5发动机输出转速降低(1)在转鼓试验台上所做的一体化控制试验表明,所开发的一体化控制系统能够通过I2C总线实现传感器信息的共享和换挡过程的协调控制,所开发的动力传动一体化控制系统是成功的。(2)惯性相转矩控制表明,对于由电控汽油机和电液式自动变速器组成的小客车动力传动系统,通过推迟点火的方式减小升挡惯性相的发动机输出转矩可以达到减小换挡冲击的目的。同时,由于点火提前角控制对发