DCT整车起步控制策略及试验

黄 伟，孙伦业，陈加超，徐瑞雪，尹良杰

(1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)



DCT整车起步控制策略及试验

黄 伟1，孙伦业2，陈加超1，徐瑞雪1，尹良杰1

(1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

为了进一步优化起步控制，分析了湿式双离合器自动变速器的特点，建立了起步过程的动力学建模，以面向对象的思想划分了DCT起步的四个阶段并基于此制定了单离合器起步的控制策略，以江淮汽车自主研发的DCT为目标进行了策略的标定和试验工作，通过优化不同油门开度下的标定参数所得到的结果表明，本文提出的控制策略能很好的满足湿式DCT汽车的起步性能要求。

DCT；面向对象；起步控制；标定

双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)是近年兴起的一种自动变速器，其兼顾了手动变速器的高传动效率和液力变矩器自动变速器的换挡舒适，且具有换挡速度更快的优点[1-2]。起步控制是完成车辆从静止到运动状态切换的关键，涉及到离合器Kiss point点识别、离合器压力控制及发动机扭矩控制。文献[3]研究了两个离合器同时滑摩，其优点是在一定程度上减小了两个离合器滑摩程度不同，且缩短了起步时间，提高了平顺性；缺点则是逻辑设计和标定难度较大，如果两个离合器的控制时序设计的不够精细的话，会导致离合器的双锁死问题。文献[4]通过DSP数据采集设备研究了斯柯达的起步过程，但是仅限于离合器的控制原则的试验验证。文献[5]建立了起步过程的模糊控制器模型并仿真，但没有对该控制策略进行实车验证与标定。文献[6]基于补偿模糊神经网络提出了基于油门变化率的起步控制策略，但是其没有考虑该种算法在嵌入式控制系统中的计算负荷和通用性问题。

本文的研究基于单个离合器的控制，划分了起步的四个关键阶段，并分别进行控制。

1 起步过程动力学模型

车辆动力传动系统是一个连续、复杂的多质量、多自由度系统，在建立其模型前需要对其进行简化。为此，做如下4点假设：①系统是由无惯性的弹性环节和无弹性的惯性环节组成；②忽略轴的横向振动；③忽略轴承和轴承座的弹性以及齿轮啮合弹性；④忽略系统的间隙和阻尼；根据以上假设，将系统简化为一个离散化的当量系统。离合器主动轴之前的参数或变量向主动轴转化，即向发动机转化；离合器从动轴之后的参数或变量向从动轴转化，即向车辆进行转化。基于上述假设，建立湿式双离合器自动变速器系统的换档动力学模型简图，如图 1所示。

图1 DCT换挡动力学模型简图

图1中各符号的意义为

Te为发动机输出扭矩，Nm；Tc1为离合器传递的扭矩，Nm；Tc2为离合器官传递的扭矩，Nm；Tout为输出到车辆的扭矩，Nm；Ts为滑摩控制扭矩，Nm；T11、T21为离合器1和2的主动盘扭矩，Nm；T12、T22为离合器1和2的反作用扭，Nm；Tw为折算到车轮轮轴上的扭矩，Nm；ωe发动机角速度，rad/s；ωc1为离合器1的角速度，rad/s；ωc2为离合器2的角速度，rad/s；ωout为输出轴的角速度，rad/s；Ie为发动机和离合器主动部分的转动惯量，kg·m2；Ic1为离合器1从动部分的转动惯量，kg·m2；Ic2为离合器2从动部分的转动惯量，kg·m2；Iw为车轮的转动惯量，kg·m2；i1为包含1挡、主减速器的总传动比；io为主减速比。

本文以一档起步为例，根据不同的阶段，列出如下动力学方程：

1) 起步准备阶段

Tout=Tc1=0

ωc1=0

2) 转速快速提升和预同步闭环调节阶段

3) 同步后的滑摩控制阶段

2 起步控制策略

起步控制反映的是驾驶员希望车辆从静止到运动这一过程的快慢程度，即通过操作中小油门，驾驶员希望比较平稳柔和的起步感觉，而通过操作大油门甚至全油门，驾驶员希望得到响应迅速，带有运动感的起步感觉[7]。基于此，借鉴软件工程领域的面向对象的设计思想，把起步划分为四个阶段，分阶段控制发动机转速与变速箱输入轴转速，进而控制影响其的发动机扭矩、离合器油压、滑摩率等参数，从而保证起步过程平稳且响应迅速。图2所示为一个典型的1挡起步操作的控制过程。

图2 起步过程示意图

1) 起步准备阶段：离合器1控制油压预充的半联动点，以节约起步的准备时间，同时为整车的起步做准备。

2) 发动机转速快速提升阶段：根据驾驶员踩下油门踏板的开度大小和变化斜率，系统通过查表得出目标发动机转速和转速上升的斜率，根据此目标转速和当前实际发动机转速，得到期望的离合器压力，当发动机输出正扭矩，同时TCU减小离合器的油压，其产生的共同作用就是使得发动机的转速快速提升，满足驾驶员快速起步的需求。

3) 转速预同步闭环调节阶段：当发动机转速提升到与期望转速的差值小于150 r·min-1之内时，进入转速同步前的闭环PID控制阶段，以该转速差为输入量，通过标定试验对P、I、D项的参数进行优化，目标是使转速同步过程平顺，无冲击，为进入滑摩控制做准备。在此阶段，由于实际发动机转速与期望转速的差值已经很小(150 r·min-1以内)，所以离合器的压力此时已经基本上恢复到传递发动机扭矩所需的水平。

4) 转速同步后的滑摩控制阶段：该阶段的控制基于离合器的主动盘和从动盘角速度的滑差，滑摩控制的目标是保持转速差在一个合理的范围内，既保证DCT的高传动效率，又保证良好的舒适性，通过滑摩过滤来自传动系统的随机激励，以达到良好的驾驶舒适性，在本文的模型中，滑摩率设定为0.9%。此阶段离合器压力主要基于所传递的发动机扭矩，外加滑摩控制的调节扭矩，可以认为此时处于“刚性”连接的状态。

图3 起步控制逻辑框图

图3所示为起步过程的控制逻辑框图，基于此框图，建立Simulink/Stateflow仿真模型验证策略的效果(见表1)。

表1 各Map图的含义汇总

其中，起步控制策略的关键点在于：对第一阶段，离合器预充油至当前变速箱油温对应的半联动点压力以下约5kPa，不可以过充或压力充不到目标值，前者会导致意外的冲击，后者则会导致起步响应滞后；第二阶段，其控制原则是根据油门开度和变化率确定对应于不同的发动机扭矩，离合器扭矩的变化幅度，离合器扭矩又对应着离合器的实际工作压力；第三阶段，关键是设定合适的转速差阈值，阈值太小留给PID控制器进行调节的时间就很短，可能会导致超调，而如果阈值偏大，则过早的进行调节，也会影响转速同步的稳定性，在确定了阈值后，使输入轴转速和发动机转速同步的PID控制器调节参数就需要进行精调了；第四阶段，设定合适的滑摩率和滑摩调节参数，保证较高的传动效率和过滤一部分来自传动系的扰动的能力，即取得一个合理的平衡。

3 试验结果与评价

基于前述的动力学方程和控制策略，以搭载江淮汽车自主研发的DFT630湿式双离合器自动变速箱的某车型为研究载体，在Matlab/Simulink/Stateflow[8]和TargetLink仿真及代码生产工具链上完成了扭矩控制、离合器压力控制、档位控制、驾驶员起步踏板开度、转速同步及滑摩控制等模块的软件开发，将控制软件下载到TCU中，通过标定的优化，得到了三种典型油门(10%、50%、100%)开度下的起步工况数据，以冲击度和滑摩功[9]为评判依据，评价本文设计的起步控制策略的控制效果。

3.1 评价指标

冲击度和滑摩功是DCT控制品质评价的两个关键维度。冲击度是车辆纵向加速度对时间的导数，这种运算把道路不平引起的弹跳和颠簸等加速度干扰排除在外，能够客观地反映驾驶员对来自于变速箱的冲击的感觉。其计算公式为

而滑摩功则定义为离合器主从动盘间滑动摩擦力矩所做功的大小，其客观反映了由于摩擦导致的能量损耗，显然，滑摩功应该尽可能的小，以避免不必要的摩擦损失。其计算公式为

3.2 试验结果

在某试验样车上对起步控制相关标定参数进行优化，得到了三种典型的油门开度(分别为10%、50%、100%)下发动机转速与变速箱输入轴转速、离合器期望压力与实际压力、冲击度、滑摩功的结果，结合驾驶员主观驾驶评价，在各典型油门下起步响应及时、平顺，基本没有令驾驶员感到不适的冲击、顿挫或加速迟滞，图4～图6分别为测试结果和计算结果。

t/s1. 发动机转速；2. 输入1轴转速；3. 输入1轴转速

t/s1. 期望离合器压力；2. 实际离合器压力

t/s

t/s图4 10%油门起步(转速、离合器压力、冲击度、滑摩功)

t/s1. 发动机转速；2. 输入1轴转速；3. 输入1轴转速

t/s1. 期望离合器压力；2. 实际离合器压力

t/s

t/s图5 50%油门起步(转速、离合器压力、冲击度、滑摩功)

t/s1. 发动机转速；2. 输入1轴转速；3. 输入1轴转速

t/s1. 期望离合器压力；2. 实际离合器压力

t/s

t/s图6 100%油门起步(转速、离合器压力、冲击度、滑摩功)

在起步过程中二轴转速有一个掉坑然后又恢复的过程，这是由于变速箱的倒挡和一挡布置在一根轴上，所以一轴刚开始旋转时二轴会同步旋转，等到满足预挂二挡的条件时，从倒挡切换到二挡，于是就出现了图中的现象。图4中转速同步成功后，1轴转速略大于发动机转速，这是由于此时滑摩控制器在进行调节，主观感受不到发动机被拖曳的感觉；而图4中的离合器压力曲线在4s后才真正进入起步控制，0～4s内都是处于蠕动状态，这从1轴的转速曲线可以看出。

4 结束语

起步控制是湿式DCT控制过程中的重点和难点，须兼顾起步的响应速度和舒适性。其影响因素包括发动机输出扭矩、离合器的半联动点对应的离合器压力值、充油响应速度和精度、滑摩控制精度等很多方面。本文采取单一离合器起步的控制方式，分析起步的四个阶段中发动机转速和输入轴转速的关系及为了达到此种目标所需要的各阶段的扭矩控制和离合器压力控制的策略，通过对发动机控制器和变速箱控制器的联合标定，确定了比较理想的控制参数组合。试验结果表明，控制策略是可行的，起步控制效果良好，符合驾驶员对车辆起步的快速性和平顺性要求。而影响起步过程的其他因素如离合器半联动点与变速箱油温的关系及充油响应精度等，还有待下一步工作的研究分析。

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(责任编辑：李 丽，范 君)

Strategy and Verification of Launch Control Logic in DCT Vehicle

HUANG Wei1, SUN Lun-ye2, CHEN Jia-chao1, XU Rui-xue1, YIN Liang-jie1

(1.Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO.,LTD, Hefei Anhui 230022, China; 2. School of Mechanical Engineering，Anhui Technical University, Huainan Anhui 232001, China)

In order to further optimize the initial control, based on the analysis of wet dual clutch transmission’s working principle, this paper set up the dynamic equations during launch phase, divided the launch into four steps and raised the strategy adopting the object oriented programming principle. After that the calibration and test verification of the model were finished in the test vehicle of Jianghuai Automotive Company. With the optimization of the parameters in different gas pedals, the vehicle can get good launch performance and quality working with the strategy and model raised in the paper.

dural clutch transmission; object oriented; launch; calibration

2015-11-13

黄伟(1982-)，男，安徽定远人，工程师，硕士，研究方向：动力总成控制策略开发与验证。

U463.21

A

1672-1098(2016)05-0035-05