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２００２年ｔ第２４卷）第２期 汽车 ｒ程 Ａｕｔｏｒｒｍｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２（１０２（ＶｏＬ２４）Ｎｏ．２ ２ｏ０２０２９ 车辆动力传动控制系统的研究与开发 廖承林陈慧岩孙业保丁华荣 （北京理Ｉ大学） ｌ摘要ｌ 动力传动控制系统是对柴油机控制模块和自动变速模块的系统集成 本文针对动力传动控制系统的特 点提出了一种系统方案，并根据方案设计了柴油机控制模块和自动变速模块 试验结果表明，该方案具有实现容 易、集成度高的特点；所研制动力传动控制系统工作可靠，性能良好。 叙词：车辆动力传动控制系统 Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌｉａｏ Ｃｈｅｎｇｌｉｎ，Ｃｈｅｒｔ Ｈｕｉｙａｎ，Ｓｕｎ Ｙｅｂａｏ＆Ｄｉｎｇ Ｈｍｒｏｎｇ ＢｅｉｊｉｎＯ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ【Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ａ￣ｏｍａｔｉｃ ｇｅａｒ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ．ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ Ｉｘａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｉｓｅｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ａ￣ｏｍａｔｉｃ ｇｅａｒ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｍｏｄ￣ｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅ－ ｓｕｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｈａｄ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｐｒａｃｔｉｅ ｅａｃｓｉｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓ￣ｔｅｍ ｈａｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏ￣ｓ：Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 动力传动控制系统的控制对象主要分为两个部 １ 引言 动力传动系统是对发动机 变速器及其辅助系 统的统称 动力传动控制系统则是在传统分立的柴 油机电子控制系统和自动变速系统的基础上研制出 分：柴油机和变速器。根据其控制方法的不同，控 制系统的组成主要也分为两类（见图１）。 车 来的、集动力（柴油机）和传动为一体的综台控制系 统（也称一体化控制系统或集中控制系统）。柴油 机控制系统可以实现柴油机的喷油量、喷油定时甚 至喷油规律的优化控制，有效地改善柴油机的排放 通讯』｝ 辆 网．． ａ）分别控制 和燃油经济性ｌＪ ；而自动变速系统则能够改善车辆 操纵性能，提高乘坐舒适［２１。动力传动控制系统 不但具有柴油机电子控制系统和自动变速系统各自 的优点，而且能够根据车辆的实际使用工况，合理 配置二者的控制参数，从而最大限度地提高车辆动 力传动系统的综台性能。 （ｂ）一体化控制 ２ 方案研究 原稿收到日期为２００１年４月１３日 修改稿收到日期为２００１年７月１６日 图ｌ 动力传动系统控制方案 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００２年（第２４卷）第２期 一汽车工程 类是对柴油机和变速器分别由两个ＥＣＵ进 行 这样，当各控制模块研制成功后，实现整个动 力传动控制系统的一体化控制就水到渠成了。 行控制，简称为分别控制（图ｌ（ａ））。二者之间进行数 据通讯，具有开发难度相对较小、可以分别进行独 立的开发调试的优点。缺点是集成度低、成本高和 难以对系统进行实时的整体优化。 另一类是基于单ＥＣＵ的控制系统，可以称之为 一３ 柴油机控制原理 目前，国内柴油机电子控制系统主要以位置式 油量控制为主，即通过采集柴油机转速和油门位置 信号，控制系统按照柴油机的运行状态、外界的负 载变化和调速方式对供油量进行计算，并驱动执行 机构控制喷油泵的喷油量，从而控制发动机的转 速 柴油机的转速控制是一种闭环控制（图２），根 体化控制方案（图１（ｂ））。它使用高性能微控制器 （ＭＣＵ）同时对柴油机和变速器进行实时控制 具有 集成度高、成本低、可靠性高和可以对系统进行整 体优化的优点 其缺点是对电控单元要求较高，开 发难度相对较大。 述两种方案各有优缺点，计算机硬件技术的 飞速发展使得采用一体化控制方案完成对柴油机和 变速器的控制成为现实可能，但是为了便于试驻调 试，又应当考虑分 ０进行柴油机和变速器控制的需 要。因此，可以集中两种方案的优点，在软硬件设 计上选择一体化控制和分 ０控制并存的综合方案； 而在具体的研究过程中，对柴油机控制模块和机械 式变速器自动变速模块的设计、调试和试验分别进 目标转速 据油门位置、齿杆位置和柴油机实际转速来计算出 柴油机的目标转速，电子控制器根据目标转速和实 际转速的差值（即转速误差）来控制执行器的动 作，并由此来调整喷油泵的供油量。采用ＰＩＤ或模 糊逻辑【 等控制算法对供油量进行调节，使柴油机 具有更好的起动性能、更低更稳的怠速转速、更灵 活的调速性能以及较好的排放性能等。 从图２中可以看出，柴油机模块采用串级控 目标齿杆 图２柴抽机控制腺理 制，齿杆位置闭环（内环）和转速闭环（外环）的控制 算法均采用数字式ＰＩＤ控制。众所周知，柴油机是 一文献ｌ ４ｌ中对离合器接合规律有详细的论述 离合器控制是车辆起步和变速过程中的关键，要根 个非线性的控制对象，单纯的ＰＩＤ控制很难满足 据起步性能、换挡平稳性和提高使用寿命等要求设 计出合适的离合器接合规律。而离合器的接台规律 取决于离合器的本身特性和车辆的使用要求。 离合器行程指的是使离合器接合的全行程。一 般说来，从离合器分离到完全接合，可以分为三个 阶段（见图３）：无转矩传递区、传递转矩区和转矩不 柴油机所有工作点的动态性能和稳态精度的要求， 因此在控制系统的设计当中应当考虑ＰＩＤ参数的 自修正。模糊控制技术模拟人脑的决策过程，是解 决非线性系统控制的有效手段。模糊ＰＩＤ控制根 据工作点、偏差Ｅ和偏差变化率ＥＣ．利于模糊控制 规则在线对ＰＩＤ参数进行修改，实现对ＰＩＤ参数 的最佳调节，使被控对象有良好的动、静态性能，而 且计算量小，易于用微控制器来实现。 再增长区。 ； ６０ 样４０ ４机械自动变速器控制原理 机械式自动变速器是采用计算机技术实现定轴 式机械变速器的自动换挡操纵，通过离合器控制和 换挡控制来实现起步和变速。 ４．１ 离合器控制规律１４１ 图３ 离合器行程与转矩的关系 图４ 离舍器接台规律 从图３中离合器接合过程的特性可以得出离合 器的接合规律（图４）。在Ｉ阶段无转矩传递，应当 维普资讯 http://www.cqvip.com
撇年（第２４卷）第２期 加快接合，实现快速起步或缩短换挡过程中的动力 中断；在Ⅱ阶段转矩逐渐增加，应根据起步或换挡 的需要适当放慢接合速度，以获得平稳的起步或换 允分发挥各挡的功率潜力；为了提高燃油经济性， 换挡点的选择应尽量使柴油机在换挡前后都工作在 万有特性中的经济区。由此可见，换挡规律的选择 是同柴油机的工作状况分不开的。但是，机械变速 器有限的几个速比不能确保柴油机总是工作在最合 理的范围之内，设计换挡规律还需综合权衡各方面 的矛盾冲突，力求根据不同的Ｊ＝作状态来设计出能 够尽量满足各方面综合需要的换挡规律。 挡过程并兼顾离台器使用寿命；在Ⅲ阶段接合过程 接近终点，转矩不再增加，为了压紧力增加至最大 值，还需继续接合，应当快速完成。 ４．２ 自动换挡规律 换挡规律是指两个排挡之间自动换挡的时刻随 控制参数变化的规律＿ＪＪ 根据控制参数的不同，换 挡规律有三种：单参数换挡规律、双参数换挡规律 和三参数换挡规律 。其中，采用油门开度和车速 作为控制参数的双参数换挡规律，能够综１厶考虑驾 驶意图和发挥动力传动系统的性能，而且也比较容 易实现．是应用最为广泛的形式。 ５控制系统研究 ５．１硬件设计 用双ＥＣＵ的动力传动控制系统对柴油机电控 系统和自动变速系统的硬件分别进行设计，造成部 分硬件的重复设计，提高了成本，也不利于提高系 统可靠性。而用一体化设计以后 可实现硬件电路 的资源共享，提高系统可靠性，降低硬件成本 设计换挡规律，要根据车辆的使用要求 车辆的 牵引特性和万有特性来选择换挡点。为了提高车辆 的动力性，换挡点应在柴油机的最大功率点附近， 车速 颇率 信号 处理 电路 开关 辖Ａ轴转速 柴油机转速 选挡手柄信号 选位开关信号 其他开美信号 离音器位置 换挡缸位置 机油压力 数据采集与分析Ｉ 信号 娃理 弓窜 电路 呈 直线位移电磁链ｌ 。 高压泵 电源电路 模拟 Ｉｌ 信号 娃理 电路 机油温度 电子油门 ］［ 柴油机 离台器 变速器 豳５ 动力传动控制系统硬件原理圈 图５是系统的硬件原理图。图中可以分为三个 部分：柴油机控制模块、ＡＭＴ控制模块和二者的公 共模块。公共模块主要体现在电源电路、通讯电 路、键盘显示电路、存储电路以及共用的一些传感 展 根据设计方案，软件设计要兼顾各控制模块的实 现和动力传动控制系统总体的需要，即既要能够独 立完成各模块的控制任务，又要能够完成整个动力 传动系统的一体化控制。因此，软件设计需要对各 器处理电路，如柴油机转速信号的处理电路、电子 油门信号处理电路等等。属于柴油机控制模块的有 机油 力和机油温度传感器处理电路以及直线位移 个软件模块根据实现功能的不同进行正确划分，即 正确划分系统公共软件模块、柴油机控制的软件模 块和ＡＭＴ控制的软件模块，以利于系统软件根据 电磁铁驱动电路等。而属于ＡＭＴ控制模块的则有 选挡信号、选位信号、离合器位置信号和换挡缸位 置信号的处理电路以及电磁阀驱动电路等。 ５．２软件设计 控制内容和工作状态对各功能模块进行实时多任务 调度。 图６是软件流程图 系统初始化主要包括微控 制器各子模块的设置、控制参数的初始化和中断程 序的启动。调度程序指的是对各软件模块进行调度 软件设计足整个控制系统的核心，控制系统的 发展趋势是简化硬件结构、丰富软件功能，从而提 高系统可靠性和智能性，并有利于系统功能的扩 的监控级程序，其任务就是对动力传动一体化控制 系统的运行状态进行识别，然后根据实时时钟信号 维普资讯 http://www.cqvip.com
２Ｏ０２年（第２４卷）第２期 汽车工程 系统运行状态识 ＿＿＿频 盍 ｒ＿Ｉ ］厂 磊 ¨＿＿ 信 号 处 理 停机控制 起动控制 息建控甜 调速方式 图６ 动力传动控制系统软件流程图 调速控制 ７∞ ６∞ 超速控制 齿杆闭环 转速闭环 停车控制 行驶控制 挂起步挡 起步控制 时间 ｓ ｛枷 ３００ 倒２００ 样１００ ０ 选挡计算 自动换挡 摘空挡 防脱挡 时间￡ （ａ） 时间ｄｓ （ｂ） 图７ 柴油机启动时间历程 图８整车０～３２ｋｍ加速过程 进行各个功能模块的调度。这里的运行状态识别包 油肇修正 动换挡试验榆验换挡规律和换挡过程，而加速性试 括各模块运行方式的判断和各功能模块运行顺序的 判断 根据运行方式的判断，可以知道选择一体化 控制还是单独控制；而根据功能模块的运行顺序， 可以选择下一个需要运行的功能模块，对各个功能 模块进行实时调度 验能够综合反映起步性能和自动换挡性能。图８为 一次０～３２ｋｍ／ｈ的加速过程，图８（ａ）为发动机转 速，图８（ｂ）为车速。从图中可以看到，车辆以２挡 起步，当离合器开始传递转矩时，发动机转速出现 较大幅度的下降，而起步结束之后，发动机转速继 续上升；经过两次换挡以后，车辆在４挡时车速到达 ６试验结果 柴油机控制模块和ＡＭＴ控制模块分别调试完 ３２ｋｍ／ｈ，加速时间约为１ ３．２ｓ。两次换挡时刻均在 发动机的额定转速附近（额定转速为２５００ｒ／ｍｉｎ）， 而换挡结束时刻在最大转矩点（１５００ｒ／ｍｉｎ）附近，这 样就能够最大限度地发挥发动机的功率，确保车辆 成后，整个动力传动控制系统装备在某特种履带车 辆上进行了实车试验。该车质量ｌ６ｔ，柴油机额定 功率为２３ ５ｌ【Ｗ，变速器有五个前进挡和一个倒挡。 试验过程中进行了柴油机的启动试验．车辆起 步试验、自动换挡试验和加速性试验。启动试验检 验该动力传动控制系统在实车上的启动性能，包括 超调量、怠速稳态精度和排烟情况。图７为一次启 动过程。从图中可以看到，启动超调很小，稳定性 较好；另外，启动过程中的排烟情况较好。 起步试验主要梭验起步逻辑和起步平稳性，自 具有较好的加速性能。 通过试验可以看出，装备动力传动控制系统的 车辆在启动．怠速、起步．自动换挡和加速等方面均 具有较好的性能。 ７结论和建议 动力传动控制系统是一种集柴油机控制和ＡＭＴ （下转第１０４页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
汽 ．车ｌｌ程 ２ＯＯ２年（第２４卷】第２期 偏转，可以用于纠正车 滑移率 另外，在低附着试验中发现，内后轮制动 辆在动态行驶中出现的 过度转向。制动力作用 时车辆产生了甩尾，特别是滑移率为０．５时甩尾特 别严重。这足由于后轮侧滑时车辆容易出现不稳定 情况，所以对内后轮制动也不宜采用较大的滑移 率。 于其它两个车轮时的效 果不如内后轮制动和外 前轮制动明显，这与前 面的理论分析相吻合。 图ｌ０给出了在高 附着路面和低附着路面 图９ 离附着条件下的差动 上的差动制动效果。图 通过以上的分析可以得到以Ｆ的结论＝ （１）利用差动制动可以改变轮胎附着极限Ｆ汽 车的横摆力矩，从而改变车辆的运动姿态，可用于 汽车稳定性控制。 （２）在接近极限转弯时，作用于外前轮的制动力 对纠正过度转向撮有效，作用于内后轮的制动力对 纠正不足转向撮有效。 制动仿真试驶 中可以看出，在高附着 路面上当滑移率控制值从０．２升至０．５时内后轮制 动和外前轮制动的车辆运行轨迹有明显的变化，说 明在车轮滑移率从０．２到０．５的过程中，车辆还能产 生一定的横摆力矩用于改变其运动姿态。而在低附 着路匾上车辆运行轨迹的变化不明显。原因有两方 （３）在利用差动制动进行稳定性控制的车辆 上，低附着与高附着路面相比，在低附着路面上差 动制动产生的附加横摆力矩容易饱和，滑移率利用 范围较小 面，一方面由于路面摩擦系数低使得在低附着路面 上所能产生的车辆横摆力矩较ｆｂ；另一方Ⅲｉ，在低 （４）在车辆稳定性控制中不宜使内后轮产生过 大的制动滑移率，以免产生甩尾等不稳定工况，使 车辆难以控制。 参考文献 ｌ Ｙｃ＊ｈｉｙｕｋｉ Ｙａｓｕｉ，ＫｅｎｊＩ Ｔｏｚｕ，ｅｌ ａ１ １ｍｐｒｏ￣ａａｅａｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｔｒａｒａｉｅｎｔ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｍａｒ￣ｕｖｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒａｋｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＳＡＥ ｐａｐｅｒ ９６０４８５ ２ Ｋｅｎ Ｋｏｉｂｕｃｈｉ，ＭａｓａｋＪ Ｙａｍａａｍａｏｔｏ，ｔ ａｌａ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｌｉｍｉｔ Ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ ｂｙ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒａｋｅ ＳＡＥ ｐａｐｅｒ ９６Ｏ４８７ 附着路面上产生的横摆力矩随滑移率的增加很快饱 和（图７和图８中可以看出），在滑移率较大时很难 再通过控制车轮纵向滑移率的方式产生足够的车辆 横摆力矩。所以，在利用差动制动方式进行车辆稳 定性控制时，在低附着路面上不宜采用较大的制动 前轮髑动 ｎ５时外前轮制动 ＝３ 韩孔辉．汽车操宝５Ｌ动力学吉林：吉林科学技术出版杜，１９９ｌ ４ Ｇｕｏ Ｋｏｎｇｈｕｉ ａｎｄ Ｒｅｎ Ｌｅｉ Ａ ｕｍｆｉｅｄ Ｓｅｍｉ Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｔｉｒｅ Ｍｏｄｅｌ ｗｌｌｈ｝ｌ １９９９－０１—０７ ５ Ｇｕｏ Ｋｏｎｇｈｍ，Ｒｅｎ ，Ｈｏｕ ＹｏｎｇｐｉｎｇＡ Ｎｏｎ－ｓｔｅａｄｙ Ｔｉｅ ｒＡｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ Ｌｅｓｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ＳＡＥ ｐａｐｅｒ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｙｎｍｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏ１．ＡＶＥＣ’９８， 图１０ 两种不同路面上的差动制动仿真试验的对比 ｏｇｏｙａＪａｐＮａｎ，９８３６８５Ｉ （上接第】３３页） 控制为一体的集中控制系统。它综合了二者的优 点，如果控制得当，能够最大限度地提高车辆动力 传动系统的综合性能。通过初步的实车试验表明， 泛的研究，这对提高整车的动力性能、经济性能、排 放性能以及操纵性能等具有重要意义。 参考文献 ｌ Ｔｏｋｕｔａ ｌｎｏｕｅ，ｔ ａｌｃ Ｆｕｔｕｒｅ ｅ．ｇｉ￣ｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ＳＡＥ ｐ ｒ ９０１ｌ 该系统已经具备了实车使用的基本功能，系统工作 稳定、性能良好。 过去由于的原因，柴油机控制和自动变速 控制分别由不同单位来研究，在动力传动控制系统 的研究方面局限性很大。在本文研制的动力传动控 ２ 丁华荣．车辆自动换挡．北京：北京理工大学出版社，１９９２ ３ Ｍａｕｄｚｉｏ Ａｂａｔｅ，ｅｔ ａｌ Ｕｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏ１．ＳＡＥ ｐａｐｅｒ ９０Ｏ５９４ ｌｎ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ｉｄｌｅ ｓ．ｐｅ￣ 制系统的基础上，可以对整个系统各个层面进行广 ４葛安林．车辆自动变速理论与设计．北京：机械工业出版杜．１９９３
