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电子控制的机械式自动变速器(AMT)
80年代中期,日本五十铃ASKA轿车上采用了一种电子控制的五档全同器的机械式自动变速
器,型号为NAV1—5。
该变速器是由普通手动变速器改装而成,是手动机械变速器自动化装置的典型代表,系统简图如图1所示。
图1NAVl—5机械式自动变速器系统简图
变速器的主体为离合器十机械变速箱十电液操纵换档机构而成。
电液操纵换档机构的核心是电子控制单元(ECU),它的输入部分为信号拾取传感器,包括车速传感器、发动机转速传感器、变速器输入轴传感器、油门开度传感器、档位传感器等。
执行机构,包括发动机节气门执行器、离合器和换档执行器(电磁阀—油缸)。
汽车运行时,ECU把驾车者根据对环境的反应,使用选档杆位置和加速踏板位置信号及发动机和车速信号进行综合处理后,在需要变速时,ECU便发出变速的命令,控制油路中的电磁阀开闭,使选档执行器和换档执行器动作,使变速器换入需要的档位。
据介绍该变速器具有较高的燃油经济性。
系统的换档程序是根据最有经验的驾驶员使用手动变速器的实际操作而编制的。
它具有一般自动变速器易于操作等优点。
2.2电子控制液力机械自动变速器(HMT)
目前SVW帕萨特轿车采用的自动变速器AG4,SGM别克轿车配置的4T65E自动变速器都是HMT的代表。
该类变速器系统的典型构成如图2所示。
图中系统由机械传动变速机构(POWERTRAINDEVICE)、液压控制系统(PRESSURECONTROLDEVICE)、电子控制单元(ELECTRONICCONTROLDEVICE—ECU)等硬件组成。
图2电子控制液力机械自动变速器系统组成简图
液力变矩器(TORQUECONVERTER)是构成液力自动变速器不可缺少的核心组成部分。
它的特点是在车速低时变矩器能输出大的转矩、车速高时能利用耦合器的高效率。
目前液力自动变速器采用的都是这种综合式的液力变矩器。
液力变矩器中设置闭锁离合器(LCCKUPCLUTCH),以提高传动效率,是目前流行结构。
行星齿轮装置(PLANETARYGEARUNIT)是由行星机构及其必要的操纵元件组成的。
这里所说的操纵元件是指行星排机构中用以换档的多片摩擦式离合器(CLUTCH-ES)、制动器(BRAKES)和换档自由轮机构。
通过ECU控制离合器、制动器的闭锁和释放的不同组合达到改变传动比的目的。
ECU是自动变速器系统的头脑,它根据车速信号、节气门开度信号、发动机速度信号、油温信号等外部条件、实际工况,确定变速器换档时刻,使液压控制系统的电磁阀动作,控制操纵行星齿轮的离合器和制动器的液压压力,从而使变速器实现变速。
通过结合元件(离合器、制动器、自由轮)不同的组合,可获得多种传动比。
多数专家认为HMT在性能上优于AMT,自动变矩、容易驾驶、起步及换档平稳、阻隔发动机振动、降低噪声,比较好地解决了变速器与发动机的最佳匹配问题,是自动变速器应用、发展的主流,是主宰未来世界轿车自动变速器市场最有活力的传动装置。
2.3电子控制无级变速自动变速器(CVT)
CVT速比可以连续变化(全程无级变速)。
车用CVT目前在市场上见到的有两种结构,一种是已批量使用的金属带式CVT,另一种是日产在99年推向市场的圆盘轴式(TOROIDAL)CVT。
一个代表性的金属带CVT的构成如图3a所示。
CVT主体包括主动锥轮(PrimaryPulley)、从动锥轮(SecondaryPulley)、钢带(Belt)、变矩器(TouqueConverter)等。
该变速器的无级变速机构主要由金属V型带、主动锥轮和从动锥轮构成。
通过改变主动锥轮和从动锥轮V型槽宽使钢带转动半径发生变化从而改变输出转速。
电子控制器(ElectronicController)接受主动侧和从动侧速度传感器、发动机速度信号,经过处理、运算、判断、控制主动锥轮、从动锥轮液压控制和驱动回路实现移动,改变槽宽,改变速比。
图3a金属带CVT构成图
图3b圆盘轴式CVT结构实体图
图3b和图3c分别示出圆盘轴式CVT立体结构实体图和变速机构工作原理图。
此CVT是日本JTT公司开发,应用于高动力发动机(350Nm以上)大车辆。
填补了钢带CVT应用的盲区。
这种新式变速机构的心脏是输入盘(inputdisc)、输出盘(outputdisc)①动力滚轴(powerroller)。
动力滚轴的轴向变化,轴和盘间的接触点变动,改变滚轴在盘上的半径,从而达到速比的变化。
这里值得说明的是,滚轴和圆盘接触和传递动力是通过特殊牵引油实现的,这种理想的变速器在电子控制器控制下可连续而精确地改变速比,传递理想的动力,可以完全满足驾车者的意愿。
这些品质是传统有级自动变速器不能达到的。
图3c圆盘轴式CVT变速机构原理图
3自动变速器电子控制系统分析
3.1控制系统的基本构成
现代自动变速器电子控制系统实质上是一种专用的微机控制系统,由硬件和软件两大部分组成。
本文第二部分介绍的三种自动变速器系统实例是应用微电脑作为电控单元的典型代表。
它们的硬件、软件可能看起来不一样,但它们的硬件基本结构大同小异,工作原理和工作过程基本相同。
也就是说,无论哪种自动变速器的电子控制系统都具有一般以微机为核心的实时控制系统的特征。
因为汽车的使用环境变化大、环境恶劣,控制系统适应性和可靠性有更高的要求。
自动变速器的ECU系统主要由三个部分组成:
(1)测量物理量(温度、速度、转角、位移等)并将其转换为电信号的传感器以及控制开关;
(2)接受传感器发出的电信号并用预先设定好的程序对这些信号进行处理、计算,然后将其结果转化为输出所需要的电信号的电子控制单元(ECU);
(3)将电子控制单元输出的电信号再转变成物理量输出给执行器(电磁阀—油缸、磁离合器、多种电机等)。
图4为自动变速器电子控制系统简图。
图4自动变速器电子控制系统简图
3.2自动变速器电子控制系统常用的传感器
传感器是一种能测量各种形态物理量并把它们变成电量的仪器,它相当于人的一种感觉器官。
作为控制汽车自动变速的必要物理量有发动机的转速、发动机冷却水的温度、节气门位置、车速、变速器油温等,所以要用到速度传感器、温度传感器、位移传感器和开关等。
物理量转变的电信号一般为模拟量、开关量和脉冲量三类。
传感器的结构、工作原理许多资料有详尽介绍,恕不赘述。
3.3自动变速器常用的执行器
执行器就是将从ECU输出的电信号变换为机械运动而作功的装置。
在整个控制系统中,它所起的作用就象人的手足作用一样。
对自动变速器来说,即使ECU能够输出理想的控制计算结果,但如果没有能将这些信号忠实地变换为机械运动的执行器,这样的控制系统是不可能存在的。
由于执行器的最终输出形式是要将电信号转变为力或位移等物理量,因此要求执行器应与变速器的机械系统总成部件的构造相一致,并能在汽车运行的严酷条件下长期工作。
用于自动变速器的执行器最主要的是开关电磁阀和线性电磁阀(比例阀)。
开关电磁阀用于控制油路方向,使油缸移动,从而使换档机构中的离合器、制动器发生作用。
线性电磁阀根据线圈中流过的电流大小来控制换档离合器、制动器油缸油压大小,产生不同的压力,使换档圆滑平顺。
通过线圈中电流的大小由通电脉冲的占空比来调节。
3.4电子控制单元(ECU)
ECU是自动变速器电子控制系统中的控制中心,其作用是根据ECU内存储的程序对变速器传感器输入的各种工况信息进行运算、处理、判断,然后输出指令,控制有关的执行器动作,达到快速、准确、自动控制变速器工作的目的。
ECU的硬件基本构成如图5所示,主要由输入电路、微机和输出电路三个部分组成,其中微机是ECU的核心部件。
3.4.1输入电路和A/D转换器
输入传感器的种类不同,其输出信号具有不同的波形。
如前所述,自动变速器传感器输出信号一般为三种类型:
a、模拟信号,如节气门位置和温度传感器的输出信号;
b、ON/OFF二进制数字信号,如各种开关输出的信号;
c、连续脉冲数字信号,如转速传感器的输出信号等。
信号的类型不同,输入ECU后的处理方法也不一样。
图5自动变速器ECU基本构成
模拟信号的处理。
模拟信号是随时间缓慢变化的电压(电流)或者直流信号见图6(a)。
微机只能处理数字信号,而不能直接处理模拟信号,因此模拟信号必须通过输入信号处理电路和A/D模数转换。
输入电路完成模拟量的量程转换(包括衰减或放大)、I/V(电流/电压)转换和信号滤波等功能。
在多路模拟量输入的情况下,还要有选择的输入通道的多路模拟开关、采样保持等,再将相应端口的输入信号送到A/D转换器的输入端。
变速器控制系统所用的模拟信号要求高分辨率和高测量精度,因此采用精度至少10bit的A/D转换器,采样周期不大于4ms。
数字信号的输入处理。
虽然微机可以处理数字信号,但并非所有的数字信号均可直接输入图5自动变速器ECU基本构成微机处理。
微机在+5V电源下工作,而输入到ECU的脉冲信号类型有许多种,如图6(b)~(e)所示。
(b)电压超过+5V的数字脉冲信号,需要进行电压转换;
(c)电压极性发生变化的交变信号,需要整形;
(d)信号中带有因按钮、开关等机械式触点的抖动、噪声产生无用脉冲信号,需要滤波;
(e)含有较大的无用突变信号(如浪涌电压)需要抑制、吸收。
所以数字信号(开关信号)输入电路应完成滤波、防抖、电压变换和隔离噪声等功能。
3.4.2微机
微机是自动变速器电子控制系统的核心。
它的任务是根据控制功能的需要,把各种传感器和开关等送来的经过输入电路处理的信号,用内存的程序和数据进行运算处理,并把处理的结果送往输出回路,控制换档等操作。
现代自动变速器的ECU用的微机常采用单片机,对单片机的要求与普通电子设备相比较,自动变速系统所用的单片机要求较高,特别是对运算速度、输入输出变化的响应、模数转换速度以及中断功能都要求很高。
90年代初采用的单片机主流是8位机,如Mo—torola的M68HCll、MC68HC05;
Intel的8051、8052;
Siemens的80515、80517。
近年来,16位、32位机,如Motorola的MC68HCl6、MC68332也有应用。
德国大众ACM自动变速器控制单元的单片机采用的是MotorolaM68HCll的8位机,有8—12KBROM、256~512BRAM、512BE2PROM,有8路A/D转换器,有时钟、复位、出错监视子系统。
在扩展方式下工作时,可访问64K存储空间。
图6数字信号处理电路
单片机主要有中央处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入输出(I/O)和总线等四个部分组成,如图7所示。
各部分功能和工作过程见单片机手册,在此不作赘述。
图7单片机的构成
3.4.3输出电路
输出电路是微机与执行器之间联系的桥梁。
因为自动变速器控制系统中的执行器是采用车用蓄电池+12V作为电源工作的,而以+5V电源工作的微机输出的是电压很低、电流很小的数字信号,用这种信号一般是不能直接驱动执行器工作的。
输出电路通常可选择采用大功率晶体管、可控硅、中间继电器等功率器件构成。
3.4.4控制程序
电子控制系统是借助于程序控制整个系统进行工作的。
这里所说的控制程序是指控制自动换档的软件,它是电子控制自动变速器的灵魂,是电子控制自动变速器系统设计的关键。
各种自动变速器控制程序可能千差万别,但基本功能要求和基本任务是一致的。
一般来说,控制程序主要包括自动换档控制程序和换档品质控制程序、倒档控制程序、自诊断程序等。
(a)换档控制程序的设计思路
换档程序的设计,目前应用最多的还是下述的方法。
首先,设计换档规律曲线(变速线图),然后将曲线量化,并建立运算算法,数据和程序存入微机存储器E2PROM中。
通过台架试验和车试调试、修正设计的程序。
图8示出最常用的两参数变速线图的实例。
纵轴为车速y,横轴为发动机图
图8换档变速线图
中节气门开度XT。
图中曲线已由折线替代。
在Y—XT坐标系中,每条直线段用截距和斜率来描述。
如图所示,2—3档升档曲线,它是由两线段组成。
对它量化后输入的数据是
。
换档点运算算法:
(1)
(2)
程序执行期间,首先读入节气门开度
,根据程序和算法确定对应的每一条曲线的车速Y,并将这些计算值与采样时刻的车速实际值进行比较。
此例中,如果方程
(1)成立,实际车速大雨2—3档曲线的计算值,则执行升档控制;
如果方程
(2)成立,实际车速小于2—1档曲线的计算值,则执行降档控制。
(b)换档品质控制的主要措施
换档品质指的是变速器速比变化时而引起本身及整车扰动的程序。
最大的问题是换档冲击。
对其施加控制使换档传动系的冲击得以缓和。
换档时的冲击源于变速机构的各运动部件转矩的变化和惯性力的影响。
为缓和之,就要进行减少转矩变化控制,降低整个传动系的震动。
一般从以下方面着手:
发动机转矩控制。
换档时延迟发动机点火时刻,使发动机的输出转矩在此期间降低,换档离合器连接平顺。
换档结束,发动机点火时刻恢复正常。
图9示出了不中断动力传递换档的情形。
在换档信号发出后,同时传给发动机ECU,当输入轴的转速低于△N1(r/min)时,发动机ECU发出点火延迟信号,并减缓离合器结合时的结合压力,抑制急剧的转矩变化出现。
在输入轴的转速与目标转速之差达到△N2(r/min)以内时,点火延迟角慢慢地向标准值恢复。
图中虚线表示没有进行点火延迟角控制时的转矩变化。
显然,此时转矩突跳严重得多。
图9换档时发动机转矩控制
图10闭环扭矩控制系统方框图
输出轴扭矩控制。
闭环扭矩控制如图10所示,电子控制系统输出占空比可调的高频脉冲信号,此信号由扭矩指令或设定值和实际扭矩值(变速器输出轴扭矩传感器反馈信号)之差(误差)来确定。
改变离合器液压压力,从而控制离合器、行星
图11换档时离合器的油压控制
图12换档时的闭锁控制
装置传递的扭矩,减小冲击。
离合器油压控制。
发动机的转矩控制可降低离合器结合时传递的转矩,抑制变速时的转矩变化。
与此同时,离合器的油压控制是调节离合器结合时油缸的油压,控制结合力,减少转矩的变化。
驱动换档离合器的油缸油压是根据比例电磁阀(产生的油压与流经其电磁阀线圈的电流成正比)调节油压进行控制的。
流经比例电磁阀上的电流是脉冲电流,其占空比通过ECUPWM控制来调节。
如图11所示,发出换档信号后,离合器开始结合,由于输出侧负荷的影响,输入轴的转速就开始下降。
ECI/将转矩变化小的理想的离合器结合动作状态,作为输入轴的转速变化状态(目标转速)存贮在微机内存中,并根据输入轴转速与目标转速的差值,将作用在电磁阀线圈上脉冲电压占空比控制在0~100%范围内。
这样一边监视输入轴的转速,一边利用比例阀的开口,将离合器油缸油压控制在最佳值上,直到离合器结合完毕。
这样就减少换档时的转矩变化引起的换档冲击。
换档时的闭锁控制。
在闭锁离合器作用期间进行换档时,变矩器中液流驱动产生的转矩变化不能被吸收,因此转矩的变化就作为冲击传递到车身上。
为减轻这种冲击,在换档时采取暂时脱开闭锁离合器的办法。
如图12所示,当换档信号发出后,锁止电磁阀延迟一段时间断开,脱开离合器,换档结束后,再重新闭锁离合器,使发动机转速圆滑地变化。
这里的关键
是离合器脱开时刻的控制,脱开过早,则如图中单点划线所示的那样,发动机转速会上升;
相反,脱开过迟,就如同图中双点划线所示的那样,输出轴的转矩会产生较大的变化。
图13主程序流程图
为了进一步提高AT的效率,变矩器在变速的全范围内都可以闭锁。
但在不同的车速和节气门开度下闭锁程度不一样。
节气门开度较小,车速较低,滑差较大(低压下打滑控制);
节气门开度较小,车速较高以上区域,滑差较小(高压下打滑控制);
节气门开度较大,车速高,全闭锁。
在微机控制闭锁离合器系统中,如上所述,取得了良好效果,但是,液压压力和离合器摩擦系数个体间不一致性,随时间变动性,仍然影响性能的发挥。
因此采用先进的控制策略,如闭环反馈控制使得离合器打滑速度(滑差)与目标打滑率实现匹配。
(d)主控制程序流程
自动变速器控制系统的智能表现在计算机软件。
软件结构通常以模块化设计,所有数值定义在表格中,使得软件适合各种型号的变速器。
系统模块一般有三类功能程序:
主程序/顺序处理程序——这些程序是形成对监控器和控制程序本身所必要的主处理程序,执行大多数在线处理功能。
子程序——这些程序是执行实用功能,可从主程序中的一处或多处调用,执行完毕返回主程序。
中断程序——这些程序总是由某个中断源控制,在变速器控制中通常有以下中断源:
A/D转换、实时时钟、PWM发生、发动机转速。
这些中断程序总是要返回控制到中断点。
这样划分主要使得汇编和处理容易。
作为一个例子,一个间化的主程序流程图示于图13。
该程序管理和协调整个变速器的操作,它包含执行控制、计算和逻辑功能的顺序控制,专用子程序和中断程序。
主程序的两个主要变量是“当前速比”和“期望速比”。
“当前速比”,顾名思义就是现在实际的速比;
“期望速比”是换档点计算程序计算的结果。
计算机在点火发动车辆时被复位,所有控制阀关断,当前速比按空档设置。
选档杆位置被读入并判断其有效性。
这有一个失效保险的例子,系统将置变速器在一个安全缺省模式,使车辆运行在第三档或倒档方式。
如果换档杆位有效,程序检测其是否在“空档”位。
主程序确认换档是否选入“倒档”位,如果是,倒档控制子程序被调用,并将“当前速比”修改到倒档速比。
换档杆位置在前进档某一档位,换档点计算子程序被调用并执行之,确认“期望速比”。
如果“期望速比”小于“当前速比”,降档子程序被调用,“当前速比”修改到期望速比值。
反之,则调用升档子程序。
主程序运行是一个连续的循环,循环时间随调用的子程序的功能而改变。
4自动变速器电子控制系统的发展趋势
自动变速器的控制方式经历了几次变革。
1939年GM第一台液压自动变速器问世,直到70年代均采用全液压控制方式。
全液压控制系统包括多只液压控制阀以及液压管路。
它通过机械的手段,将车速和节气门开度这两个参数转变为液压控制信号,各个控制阀根据这些液压控制信号的大小,按照设定的换档规律,控制换档执行机构的动作,实现自动换档。
该系统控制精度低,难以进行精确的换档点控制;
不能适应发动机工况、外界阻力和行驶情况的变化;
无法实现驾驶愿望多种换档模式;
无法实现精确的换档品质控制。
因此,目前已很少采用这种控制方法。
但因制造成本较低,据资料介绍,自动变速器专门生产厂JTT目前早期开发的AT仍在生产但液压控制仅占总量的10%左右。
1967年法国雷诺RTl6TA轿车开创了电子控制自动变速器时代。
采用分立元件模拟电路和数字电路的ECU,是硬件系统。
如果要增加或修改控制功能,就必须对控制逻辑电路动“手术”。
电路复杂、成本高、维修难、控制效果差。
80年代以后微电脑技术、传感器技术和新的控制理论的突飞猛进的发展,自动变速器用微电脑控制与日俱增,使得档数增加、闭锁离合器功能增强、换档品质改善成为可能,从而满足了市场对经济性、动力性和舒适性的需求。
第一,综合控制技术得到相当普遍地使用。
当前的汽车电子控制对象可分类四大类,即动力牵引系统控制、车辆行驶姿态控制、车身(车辆内部)控制和信息传递。
80年代它们各自用微电脑独立控制,每一个控制系统与另外一个控制系统很少联系起来。
据报道,国外有的轿车上可以装有14—30个微电脑。
显然,造成硬件重复设置,资源不能共享。
综合控制技术自然就提到了人们的面前,目前将发动机电子控制单元、传动系统电子控制单元和ABS控制单元等之间互相通讯,已在日本、美国和欧洲生产的汽车中使用。
图14示出了这种系统的结构框图。
SGMBUICK轿车发动机与自动变速器已采用集中控制的方案,这个控制单元称为动力总成控制模块(PCM)。
SVW帕萨特配置德国VW四档AT,采用了先进的CAN—BUS技术,实现了变速器控制器与发动控制器及其他控制器互相通讯,做到全车信息共享,优化自动变速过程的控制。
汽车电子控制装置从独立控制的电子部件向整车综合控制发展的趋势比较明朗。
图14动力系统综合控制框图
第二,自动变速器控制智能化。
智能化就是要使变速系统微电脑具有一定的人的脑力活动中所表现出来的能力,具有感知观察能力、记忆能力、逻辑思维能力和语言表达能力。
智能化首先表现在适应能力,就是控制系统能够随着行车条件或车辆本身参数的变化自动修正换档点的能力。
例如交通的拥挤情况、上坡下坡、弯道行驶、发动机出力、摩擦件摩擦系数变化等都影响到最佳换档时刻使换档品质恶化。
系统应具有获得这些信息、分析信息、处理信息的能力,从而调整换档点,控制换档过渡过程,保证换档品质。
智能化的第二方面表现是系统具有学习能力。
系统能够测试驾车者的习惯和意愿,修改、记忆自动换档点,按照驾车者的愿望自动换档。
智能化的技术支撑是新的控制理论和方法,它是编制和优化控制软件的理论基础,是汽车电子技术中的难点和重点。
自适应、自学习、模糊控制和神经网络计算机技术等数学模型在AT电子控制系统中已经被采用。
如图15所示,它是一个智能控制器的框图。
该智能系统,根据发动机速度(Ne)、车速VsP、节气门开度TVO、电喷脉宽TP等车辆信息,由模糊推理判断交通情况、路面状况、司机习惯和意愿,从而修改控制策略,对换档点和闭锁离合器执行控制。
图15智能控制框图
目前各种杂志报刊报道经常把自动变速器称为“智能型自动变速器”,它们都是采用了神经网络技术或模糊逻辑控制技术。
例如,在三菱新四档自动变速器中,将各种输入信息和驾车者的选档通过神经网络建立联系,利用神经网络的学习功能,使得自动换档更符合驾车者愿望。
Nissan已对模糊自动变速申请了专利,据称,该变
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