车辆自动变速控制系统

车辆自动变速控制系统

相关的车辆自动变速的文献很多，但参照文献具体能做出实例的很少，所以本文以MATLAB 中自带的自动变速例子sldemo_autotrans.mdl 为例说明自动变速的一种简单控制方法，在SIMULINK 环境下建立车辆的动力传动系统，SIMULINK 为动态系统和动态过程的建模提供了强大的环境支持，STA TEFLOW 嵌入到其环境中提升了SIM 在逻辑控制方面的性能，在这个例子中可以看到Stateflow 在自动变速档位选择方面上的强大功能，这种功能实现了同传动系统的自然结合，表达起来也更为直观。

典型的自动变速传动系统图如下所示：

SIMULINK 图如下所示：

模型包括：发动机，液力变矩器，四档变速箱，车身模型和传动控制单元(TCU)。其中发动机，四档变速箱，车身模型用非线性微分方程建立，液力变矩器为SIMULINK 中的标准模块。TCU 的换挡策略不适宜用等式表达，在这里用STATEFLOW 建立换挡策略是非常合适的，对系统的状态进行检测并作出相应的动作。

发动机模型：

发动机输入为油门踏板开度。发动机与液力变距器的泵论相连，泵论与传动系统相连。 i e ei T T N I -=•

其中：N e 为发动机转速；

I ei 为发动机和泵轮转动惯量；

T e 和T i 为发动机和泵轮转矩。

发动机模型中包含了一个二维查表，根据发动机转速和油门踏板开度确定发动机输出转矩。发动机模型如下图所示：

液力变矩器模型：

液力变矩器为封装模型，内部包含两个二维查表。变矩器的输入为发动机的转速和涡轮转速（传动系统输入转速）输出为泵论转矩和涡轮转矩（传动系统输入转矩）。 22K N T e i = i TQ in T R T =

其中：)(2e

i N N f K = K 由查表得到； )(

3e in TQ N N f R = R TQ 为扭矩比，由查表得到； N in 为涡轮转速；

T in 为我轮转矩。

液力变矩器模型如下所示：

传动系统模型：

传动系统模型即四档变速箱机械系统模型，通过对档位的查表得到相应的传动比。 )(4gear f R TR =

in TR out T R T =

out TR in N R N =

Tin ，Tout 为传动系统输入和输出转矩

Nin ，Nout 为传动系统输入和输出转速

Gear 为档位数；

RTR 为变速箱传动比 Gear 与RTR 的查表关系为：

Gear

RTR 1

2.393 2

1.450 3

1.000 4 0.6777

传动系统模型如下所示：

车身模型：

车身模型的输入为变速箱输出转矩和制动力矩输出为变速箱输出转速和车速。终传动，车辆惯量和动态变化负载构成了车辆动态系统模型。

load out fd w v T T R N I -=•

其中：I v 为车辆惯量；

N w 为车轮转速；

R fd 为终传动比；

)(5w load N f T =

T load 为负载转矩 对N w 一维查表得到。

负载转矩包括路面负载力矩和制动负载力矩。路面负载为空气阻力损失和摩擦阻力之和。 ))(sgn(220brake load load load T mph R R mph T ++=

其中：R load0，R load2为摩擦和空气阻力系数；

T brake 为负载力矩；

Mph 为车速。

车身模型如下图所示：

传动控制单元（TCU）模块：

传动控制单元根据油门踏板开度和输入车速输出档位数。TCU作为整个模型中最关键的部件，最终体现了自动换挡的控制策略。整个控制过程依据于如下的换挡图：

对于给定油门和给定档位的情况下，升档和降档发生的速度阀值是唯一的。

对应于换挡图的TCU由两部分组成：TresholdCalculation模块和ShiftLogic模块

TresholdCalculation模块为ShiftLogic模块的函数触发子系统，根据油门开度和档位数查表输出升档和降档的参考速度值up_th和down_th，函数触发的作用为避免代数环并与

STA TEFLOW离散环境相适应。

ShiftLogic模块为传动系统进行档位选择，两个虚线的AND模块用于跟踪档位状态和档位选择过程。流程图如下所示：

Gear_state和selection_state为虚线表示的AND模块，可以同时发生。Gear_state中有四种状态，每种状态对应输出一个档位，转换的条件为触发事件UP和DOWN。selection_state 决定UP和DOWN发生的条件，当Gear_state处在某个档位不变时，selection_state处于steady_state状态，如果检测出车速speedup_th时，selection_state立即由steady_state状态转换为downshifting或者upshifting状态，这时实际的换挡动作并未发生，换挡动作是否发生还依赖于时间TWAIT ticks，如果车速保持speedup_th时间超过TW AIT ticks，那么换挡动作发生，事件DOWN或UP触发，Gear_state 状态变化输出相应的档位数，在这里TW AIT ticks的作用是避免瞬时车速的变化导致的频繁换挡。

例如如果车辆处于二档，油门开度为25%，那么在Stateflow中，Gear_state中的second 状态激活，selection_state中的steady_state也处于激活状态。之后，TCU检测出车速超过了30mph，需要升档，在这一时刻模型进入upshifting状态，如果车速超过30mph维持时间超过TW AIT ticks（0.08s），模型满足转换条件，重新回到steady_state状态，同时UP时间被触发，Gear_state由second状态转变到third状态，也就是从二档换到三档，至此换挡结束。

模型输出结果：

在油门踏板开度和发动机转速变化比较剧烈的情况下，由于液力变矩器以及TCU的存在进行合理的换挡车速变化非常平缓。