专利名称：有级变速车辆换挡控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及车辆换挡控制系统和控制方法，特别涉及一种减少车辆换挡过程中动力输出激变的有级变速车辆换挡控制系统及控制方法。
背景技术：
有级自动变速换挡可分为动力中断和动力不中断换挡。动力不中断换挡又称为离合器到离合器换挡，主要应用于行星齿轮式(AT)和双离合器式(DCT)自动变速箱车辆。动力中断换挡主要应用于机械式(AMT)自动变速箱。动力不中断换挡的主要优势是车辆的换挡平顺性和加速性能。动力不中断换挡简称动力换挡。动力换挡过程常规控制分为力矩同步和速度同步过程。以升挡为例，在换挡时，首先把原先由低挡传递的力矩分配到由高挡位传递，这是力矩同步过程。力矩同步过程结束后，低挡脱离，高挡通过离合器打滑传递力矩到驱动轴。速度同步过程在力矩同步过程结束后启动。在速度同步过程中，控制发动机的速度与变速箱的输入轴速度同步。当速度同步后，结合高挡离合器，调整发动机力矩到驾驶员踏板请求力矩。速度同步过程有时又称为惯性过程。在常规动力换挡控制过程中，由于控制方法的本质缺陷，尽管动力不中断，但会造成变速箱动力输出激变。第一个激变是力矩同步过程，控制系统把低挡的力矩交由高挡传递，尽管变速箱输入轴的力矩变化很小，但由于挡位的骤然变化，变速箱输出轴的力矩将发生激变。第二个激变是由速度同步过程造成的。在速度同步过程时，发动机的速度急剧变化，驾驶员的请求力矩就会激变。这些激变造成对车辆和动力系统的冲击，进而影响车辆的舒适性和换挡平顺性，增加变速箱，驱动轴等动力系统的载荷，降低动力传动系统的寿命。
发明内容
鉴于上述的动力换挡控制过程中变速箱输出力矩激变问题，本发明目的在于提供一种有级变速车辆换挡控制系统及控制方法，以使其减少车辆换挡过程中的动力输出激变。为了实现上述目的，依据本发明提出的一种有级变速车辆换挡控制系统，包括力矩同步控制单元和速度同步控制单元，其中所述力矩同步控制单元包括根据换挡速度及当前挡位传动比计算虚拟挡位传动比的虚拟挡位产生单元，该力矩同步控制单元控制自动变速箱的输出力矩随该虚拟挡位传动比连续平滑变化，所述的速度同步控制单元控制发动机的转速随该虚拟挡位传动比连续平滑变化。其中所述有级变速车辆，包括自动变速箱，该自动变速箱具有至少两个离合器，其中一个为当前挡位离合器，另一个为目标挡位离合器。本发明还可采用以下技术措施进一步实现。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的虚拟挡位传动比是当前挡位传动比+或-换挡速度的时间积分。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的力矩同步控制单元还包括离合器力矩计算单元，该离合器力矩计算单元接收驾驶员请求力矩信号及虚拟挡位传动比，计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的自动变速箱的输出力矩=驾驶员请求力矩X该虚拟挡位传动比。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的力矩同步控制单元还包括换挡速度计算单元，该换挡速度计算单元接收加速踏板位置信号、车速信号和当前变速箱挡位信号计算该换挡速度。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的力矩同步控制单元还包括目标挡位计算单元，该接目标挡位计算单元接收车速信号及加速踏板位置信号计算目标挡位及目标挡位传动比，该目标挡位不同于当前挡位时触发自动变速箱换挡。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的力矩同步控制单元还包括力矩指令转换单元，该力矩指令转换单元将当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩转化成自动变速箱的执行指令。前述的有级变速车辆换挡控制系统，其中所述的速度同步控制单元包括发动机速度控制请求力矩计算单元，该发动机速度控制请求力矩计算单元接收变速箱输出轴转速和虚拟挡位传动比，计算发动机目标转速，该发动机目标转速=变速箱输出轴转速虚拟挡位传动比；并根据发动机目标转速和发动机实际转速的差别计算发动机速度控制请求力矩。为了实现上述目的，本发明还提出的一种有级变速车辆换挡控制方法，包括力矩同步控制步骤和速度同步控制步骤，其中所述力矩同步控制步骤包括根据换挡速度及当前挡位传动比计算虚拟挡位传动比的虚拟挡位产尘步骤，该力矩同步控制步骤控制自动变速箱的输出力矩随该虚拟挡位传动比连续平滑变化，所述的速度同步控制步骤控制发动机的转速随该虚拟挡位传动比连续平滑变化。本发明还可采用以下技术措施进一步实现。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的虚拟挡位传动比是当前挡位传动比+或-换挡速度的时间积分。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的力矩同步控制步骤还包括离合器力矩计算步骤，根据驾驶员请求力矩信号及虚拟挡位传动比，计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的自动变速箱的输出力矩=驾驶员请求力矩X该虚拟挡位传动比。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的力矩同步控制步骤还包括换挡速度计算步骤，该换挡速度计算步骤根据加速踏板位置信号、车速信号和当前变速箱挡位信号计算该换挡速度。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的力矩同步控制步骤还包括目标挡位计算步骤，该接目标挡位计算步骤根据车速信号及加速踏板位置信号计算目标挡位及目标挡位传动比，该目标挡位不同于当前挡位时触发自动变速箱换挡。前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的力矩同步控制步骤还包括力矩指令转换步骤，该力矩指令转换步骤将当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩转化成自动变速箱的执行指令。
前述的有级变速车辆换挡控制方法，其中所述的速度同步控制步骤包括发动机速度控制请求力矩计算步骤，该发动机速度控制请求力矩计算步骤根据变速箱输出轴转速和虚拟挡位传动比，计算发动机目标转速，该发动机目标转速=变速箱输出轴转速虚拟挡位传动比；并根据发动机目标转速和发动机实际转速的差别计算发动机速度控制请求力矩。综上所述，本发明有级变速车辆换挡控制系统及控制方法，在换挡过程中不再分力矩同步和速度同步过程，模拟无级变速的控制，在换挡过程中通过控制高低挡离合器，实现虚拟无级变速，把挡位平顺的从低挡换到高挡(或从高挡换到低挡)，从而实现输出力矩和发动机速度在换挡过程中同步和连续变化。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明的有级变速车辆换挡控制系统及控制方法，能够减少车辆换挡过程中的动力输出激变，提高车辆的舒适性和换挡平顺性，增加动力传动系统的寿命。
图1是车辆结构示意图。图2是车辆控制系统的示意图。图3是本发明有级变速车辆换挡控制系统的方框示意图。图4是本发明有级变速车辆换挡控制方法的流程示意图。图5是换挡速度示意图。图6换挡过程中的无级变速过程示意图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的有级变速车辆换挡控制系统及控制方法其具体实施方式
、步骤、结构、特征及其功效详细说明。有级变速车辆的换挡过程由变速箱控制器(TCU)实现。变速箱控制器根据车速和加速踏板决定目标挡位，根据踏板，车速和目前挡位确定换挡速度，并控制离合器的分离和结合以及发动机力矩实现换挡过程中的无级变速。如图1所示，是车辆结构示意图。所述车辆100包括发动机10、动力传动系统20、 发动机控制模块(ECU) 30、变速箱控制模块(TCU) 40、驱动轮51、从动轮53、车辆传感器60。 发动机10用于提供车辆行驶所需动力，发动机10可以是汽油发动机或柴油发动机。动力传动系统20用于将发动机10提供的动力传递到驱动轮51，动力传动系统20依机械传动顺序包括，自动变速箱21、差速器23及驱动轴25 ；自动变速箱21可以是行星齿轮式(AT)或双离合器式(DCT)自动变速箱。发动机控制模块30接收车辆传感器60的信号以控制发动机10。变速箱控制模块40接收车辆传感器60的信号以控制自动变速箱21。如图2所示，是车辆控制系统的示意图。车辆控制系统包括发动机控制模块30和变速箱控制模块40，发动机控制模块30用于控制发动机10，变速箱控制模块40用于控制自动变速箱21。在车辆换挡过程中，变速箱控制模块40是主控制器，发动机控制模块30是副控制器，接收变速箱控制模块40的控制。变速箱控制模块40包括电源模块45、功能控制模块41、信号处理模块43以及驱动模块47。电源模块45为变速箱控制模块40提供整流和稳定的不同级别电压的电源。控制功能模块41根据接收到的车辆传感器信号60，控制自动变速箱离合器的结合与分离(即控制换挡过程)，以及控制发动机的力矩请求；所述车辆传感器信号包括但不限于，PRNDL(排挡杆位置)信号、自动变速箱输入轴转速信号、自动变速箱输出轴转速(也可是车速)信号、自动变速箱挡位信号、自动变速箱离合器压力信号、自动变速箱电磁阀电流信号、自动变速箱温度信号。信号处理模块43对功能控制模块 41所要接收的车辆传感器信号进行滤波整形等处理。驱动模块47，对功能控制模块41的请求进行放大和稳定，最后对驱动离合器的电磁阀等的提供驱动。如图3所示，是本发明有级变速车辆换挡控制系统的方框示意图。本发明较佳实施例的有级变速车辆换挡控制系统，包括力矩同步控制单元和速度同步控制单元。所述的力矩同步控制单元设置于功能控制模块41中，其包括目标挡位计算单元 411、换挡速度计算单元412、虚拟挡位及归一化虚拟挡位产生单元413、离合器力矩计算单元414及力矩指令转换单元415。该目标挡位计算单元411接收车速信号及加速踏板位置信号计算目标挡位及目标挡位传动比r2。如果目标挡位不同于当前挡位(当前的挡位传动比rl)，变速箱控制模块40将触发换挡并启动换挡过程控制。该换挡速度计算单元412接收加速踏板位置信号、车速信号和当前变速箱挡位信号决定换挡的速度dr (即从当前挡位传动比rl变化到目标挡位传动比r2的变化速率)。 图5示意了换挡速度的确定方法。确定换挡速度的原则在车辆高速时换挡，可以加快换挡速度，车辆高速时换挡冲击相对较小；大油门加快换挡速度，因为驾驶员期望加速运行；低挡时减小换挡速度，低挡时，挡位间的传动比差别比较大。该虚拟挡位及归一化虚拟挡位产生单元413根据换挡速度dr及当前挡位传动比 rl产生虚拟挡位传动比r*及归一化的虚拟挡位传动比R*。该虚拟挡位传动比r* =当前挡位传动比rl+或-换挡速度dr的时间积分，其中升挡为_，降挡为+。这一换挡过程中挡位控制直到虚拟挡位传动比r*和目标挡位传动比r2 —致结束。该归一化的虚拟挡位传动比R*是把虚拟挡位传动比r*映射到1到0的数学变换。即把当前挡位传动比rl映射为 1，目标挡位传动比r2映射为0，虚拟挡位传动比r*映射为0和1之间的数。虚拟挡位传动比r*和归一化的虚拟挡位传动比R*示意在图6的下部。虚拟挡位传动比归一化的目的是不需要对不同的当前挡位和目标挡位进行区分，简化运算。该离合器力矩计算单元414接收驾驶员请求力矩信号Td及虚拟挡位传动比R*，计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩。所述驾驶员请求力矩Td是驾驶员请求力矩计算步骤Pl中根据加速踏板位置信号和发动机实际转速信号决定和计算，该驾驶员请求力矩Td的计算是公知技术。所述当前挡位的离合器在换挡过程中的传递力矩Tcl =驾驶员请求力矩TdX归一化虚拟挡位传动比R* ；目标挡位的离合器在换挡过程中的传递力矩Tc2 =驾驶员请求力矩TdX (1-归一化虚拟挡位传动比R*)。在换挡前，归一化虚拟挡位传动比R* = 1，驾驶员请求力矩Td由当前挡位的离合器传递；换挡后，虚拟挡位R* = 0，驾驶员请求力矩Td由目标挡位的离合器传递。该力矩指令转换单元415将离合器力矩计算单元414计算的当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩转化成变速执行机构的执行指令(例如离合器电磁阀电流指令)。
该功能控制模块41将执行指令传递给驱动模块47，并有驱动模块47最后控制当前挡位离合器的分离及目标挡位离合器的结合。经由上述的力矩同步控制单元，自动变速箱的输出力矩To =当前挡位离合器力矩TclX当前挡位传动比rl+目标挡位离合器力矩Tc2X目标挡位传动比r2 =驾驶员请求力矩TdX虚拟挡位传动比r*。因此，自动变速箱的输出力矩To在换挡过程中随虚拟挡位传动比r*连续平滑变化。当前挡位离合器力矩Tcl和目标挡位离合器力矩Tc2示意在图6的中部。图6同时示意了在换挡开始前把离合器推到结合点和换挡后把离合器推到锁止点的过程。所述的速度同步控制单元，与力矩同步控制单元根据虚拟档位r*控制输出力矩的同时，根据虚拟档位r*控制发动机的转速根据虚拟挡位传动比r*控制发动机的转速。 该速度同步控制单元，主要包括发动机速度控制请求力矩计算单元416，其接收变速箱输出轴转速信号和虚拟挡位传动比r*信号，计算发动机目标转速，该发动机目标转速=变速箱输出轴转速X虚拟挡位传动比r* ；并根据发动机目标转速和发动机实际转速的差别计算发动机速度控制请求力矩。发动机的速度控制包括前馈项和反馈项；前馈项是驾驶员请求力矩Td ；反馈项是发动机速度控制请求力矩。换挡时，发动机控制模块30的力矩仲裁单元 303选择反馈项(即发动机速度控制请求力矩)为控制发动机速度的发动机请求力矩，不换挡时，发动机控制模块30的力矩仲裁单元303选择前馈项(即驾驶员请求力矩Td)为控制发动机速度的发动机请求力矩。发动机控制模块30根据该发动机请求力矩最后控制发动机的转速。综上所述，本发明的有级变速车辆换挡控制系统根据虚拟档位把力矩同步和速度同步同时进行，缩短了换挡时间。本发明的变速箱力矩和发动机速度随虚拟挡位传动比r* 连续且平稳变化，提高了换挡平顺性；进而可以增加动力传动系统的寿命。如图4所示，是本发明有级变速车辆换挡控制方法的示意图。本发明较佳实施例的有级变速车辆换挡控制方法，包括力矩同步控制过程和与力矩同步控制过程同时的速度同步控制过程。力矩同步控制过程控制自动变速箱的输出力矩To在换挡过程中随虚拟挡位传动比r*连续平滑变化；速度同步控制过程控制发动机速度在换挡过程中随虚拟档位 r*连续平滑变化。力矩同步控制过程，包括以下步骤步骤SlA 计算目标挡位根据加速踏板位置信号和车速信号计算目标挡位(目标挡位传动比rf)。如果目标挡位不同于当前挡位(当前的挡位传动比rl)，将触发换挡并启动换挡过程控制。步骤SlB 计算换挡速度启动换挡过程控制时，根据加速踏板位置信号、车速信号和当前变速箱挡位信号决定换挡的速度dr (换挡的速度dr是从当前挡位传动比rl变化到目标挡位传动比r2的变化速率)。图5示意了换挡速度的确定方法。确定换挡速度的原则在车辆高速时换挡， 可以加快换挡速度，车辆高速时换挡冲击相对较小；大油门加快换挡速度，因为驾驶员期望加速运行；低挡时减小换挡速度，低挡时，挡位间的传动比差别比较大。步骤S2 计算虚拟挡位传动比及归一化虚拟挡位传动比根据换挡速度dr和当前挡位计算换挡过程中虚拟档位，虚拟挡位传动比r* =当前挡位传动比rl-换挡速度dr的时间积分。此处是以升挡为例，如果降挡上述表达要变成相加而不是相减。这一换挡过程中挡位控制直到虚拟挡位传动比r*和目标挡位传动比r2
一致结束。同时产生归一化的虚拟挡位传动比R*。归一化的虚拟挡位传动比R*是把虚拟挡位传动比r*映射到1到0的数学变换。即把当前挡位传动比rl映射为1，目标挡位传动比 r2映射为0，虚拟挡位传动比r*映射为0和1之间的数。虚拟挡位传动比r*和归一化的虚拟挡位传动比R*示意在图6的下部。虚拟挡位传动比归一化的目的是不需要对不同的当前挡位和目标挡位进行区分，简化运算。步骤S3 计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩根据驾驶员请求力矩Td和归一化的虚拟挡位传动比R*计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩。所述驾驶员请求力矩Td是根据加速踏板位置信号和发动机转速信号决定和计算。当前挡位的离合器在换挡过程中的传递力矩Tcl =驾驶员请求力矩TdX归一化虚拟挡位传动比(R*)。目标挡位的离合器在换挡过程中的传递力矩Tc2 =驾驶员请求力矩TdX [1-归一化虚拟挡位传动比R*]。在换挡前，归一化虚拟挡位传动比R* = 1，所以驾驶员请求力矩Td由当前挡位的离合器传递。换挡后，虚拟挡位R* = 0，所以驾驶员请求力矩Td由目标挡位的离合器传递。步骤S4:力矩指令转化把步骤S4中计算的当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩转化成变速执行机构的执行指令(例如离合器电磁阀电流指令)。步骤S5 执行指令传递将执行指令传递给驱动模块47，并有驱动模块47最后控制当前挡位离合器的分离及目标挡位离合器的结合。经由上述的力矩同步控制过程，自动变速箱的输出力矩To =当前挡位离合器力矩Tcix当前挡位传动比rl+目标挡位离合器力矩Tc2X目标挡位传动比r2 =驾驶员请求力矩TdX虚拟挡位传动比r*。因此，自动变速箱的输出力矩To在换挡过程中随虚拟挡位传动比r*连续平滑变化。当前挡位离合器力矩Tcl和目标挡位离合器力矩Tc2示意在图6的中部。图6同时示意了在换挡开始前把离合器推到结合点和换挡后把离合器推到锁止点的过程。所述的速度同步控制过程，是根据虚拟档位(r*)控制发动机的转速根据虚拟挡位传动比(r*)控制发动机的转速。速度同步控制过程，主要包括发动机速度控制请求力矩计算步骤P2，其根据变速箱输出轴转速信号和虚拟挡位传动比r*信号，计算发动机目标转速，该发动机目标转速=变速箱输出轴转速X虚拟挡位传动比r* ；并根据发动机目标转速和发动机实际转速的差别计算发动机速度控制请求力矩。发动机的速度控制包括前馈项和反馈项；前馈项是驾驶员请求力矩Td ；反馈项是发动机速度控制请求力矩。换挡时，力矩仲裁步骤P3中选择反馈项(即发动机速度控制请求力矩)为控制发动机速度的发动机请求力矩，不换挡时，力矩仲裁步骤P3选择前馈项(即驾驶员请求力矩Td)为控制发动机速度的发动机请求力矩。发动机控制模块30根据该发动机请求力矩最后控制发动机的转速。
综上所述，本发明的有级变速车辆换挡控制方法根据虚拟档位把力矩同步和速度同步同时进行，缩短了换挡时间。本发明的变速箱力矩和发动机速度随虚拟挡位传动比r* 连续且平稳变化，提高了换挡平顺性；进而可以增加动力传动系统的寿命。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。
权利要求
1.一种有级变速车辆换挡控制系统，包括力矩同步控制单元和速度同步控制单元，其特征在于其中所述力矩同步控制单元包括根据换挡速度及当前挡位传动比计算虚拟挡位传动比的虚拟挡位产生单元，该力矩同步控制单元控制自动变速箱的输出力矩随该虚拟挡位传动比连续平滑变化，所述的速度同步控制单元控制发动机的转速随该虚拟挡位传动比连续平滑变化。
2.如权利要求1所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的虚拟挡位传动比是当前挡位传动比+或-换挡速度的时间积分。
3.如权利要求1所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的力矩同步控制单元还包括离合器力矩计算单元，该离合器力矩计算单元接收驾驶员请求力矩信号及虚拟挡位传动比，计算当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的自动变速箱的输出力矩=驾驶员请求力矩X该虚拟挡位传动比。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的力矩同步控制单元还包括换挡速度计算单元，该换挡速度计算单元接收加速踏板位置信号、车速信号和当前变速箱挡位信号计算该换挡速度。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的力矩同步控制单元还包括目标挡位计算单元，该接目标挡位计算单元接收车速信号及加速踏板位置信号计算目标挡位及目标挡位传动比，该目标挡位不同于当前挡位时触发自动变速箱换挡。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的力矩同步控制单元还包括力矩指令转换单元，该力矩指令转换单元将当前挡位离合器、目标挡位离合器所要传递的力矩转化成自动变速箱的执行指令。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的有级变速车辆换挡控制系统，其特征在于其中所述的速度同步控制单元包括发动机速度控制请求力矩计算单元，该发动机速度控制请求力矩计算单元接收变速箱输出轴转速和虚拟挡位传动比，计算发动机目标转速，该发动机目标转速=变速箱输出轴转速虚拟挡位传动比；并根据发动机目标转速和发动机实际转速的差别计算发动机速度控制请求力矩。
9.一种有级变速车辆换挡控制方法，包括力矩同步控制步骤和速度同步控制步骤，其特征在于其中所述力矩同步控制步骤包括根据换挡速度及当前挡位传动比计算虚拟挡位传动比的虚拟挡位产生步骤，该力矩同步控制步骤控制自动变速箱的输出力矩随该虚拟挡位传动比连续平滑变化，所述的速度同步控制步骤控制发动机的转速随该虚拟挡位传动比连续平滑变化。
10.如权利要求9所述的有级变速车辆换挡控制方法，其特征在于其中所述的虚拟挡位传动比是当前挡位传动比+或-换挡速度的时间积分。
全文摘要
本发明是有关一种有级变速车辆换挡控制系统及控制方法。该有级变速车辆换挡控制系统包括力矩同步控制单元和速度同步控制单元，其中所述力矩同步控制单元包括根据换挡速度及当前挡位传动比计算虚拟挡位传动比的虚拟挡位产生单元，该力矩同步控制单元控制自动变速箱的输出力矩随该虚拟挡位传动比连续平滑变化，所述的速度同步控制单元控制发动机的转速随该虚拟挡位传动比连续平滑变化。该有级变速车辆换挡控制方法，包括力矩同步控制步骤和速度同步控制步骤。本发明能够减少车辆换挡过程中的动力输出激变。
文档编号F16H61/04GK102466033SQ201110254120
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月31日 优先权日2010年11月8日
发明者申水文, 胡建华, 蒋奕 申请人:申水文, 胡建华, 蒋奕