【摘要】为减小换挡过程的冲击感，针对纯电动汽车两挡机械式自动变速器（AMT ）换挡升降扭过程提出一种基于正弦
波曲线的升降扭控制策略，根据设计需求进行变速器控制单元（TCU ）软件系统开发，分别采用模型在环（MIL ）、软件在环（SIL ）、硬件在环（HIL ）和台架测试验证所提出策略的有效性，并进行实车测试，在相同油门踏板开度下对比加速度变化率和俯仰角的变化，分析换挡平顺性。结果表明：曲线控制相比直线控制可以减小升降扭过程的冲击度，从而减小换挡冲击，提高车辆的驾驶平顺性。
主题词：纯电动汽车机械式自动变速器
驾驶平顺性硬件在环实车测试
中图分类号：U467.1
文献标识码：A
DOI:10.19620/jki.1000-3703.20200154
BEV Two-Gear AMT Lifting Torque Control Based on Sinusoidal Wave
Curve
Deng Tao,Deng Biao
（Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074）
【Abstract 】In order to reduce the jerk during shifting,the sinusoidal wave curve based strategy is proposed for BEV two-gear AMT shifting torque control.TCU software system is developed according to design requirements and MIL/SIL/HIL as well as bench tests are conducted to validate the effectiveness of the control strategy.The shifting smoothness is analyzed in real vehicle test by comparing the variation of acceleration rate and pitch angle under the same throttle opening.The results show that the curve control strategy can reduce the jerk during torque change compared with linear
strategy,thus reduce the shifting jerk and improve ride comfort.
Key words:BEV,AMT,Ride comfort,HIL,Real vehicle test
邓涛
邓彪
汽车换挡（重庆交通大学，重庆400074）
*基金项目：国家自然科学基金项目（51305473）；重庆市教委科学技术项目（KJQN201800718）；第五批重庆市高校优秀人才支持计划项目（2017年）。
基于正弦曲线的纯电动汽车两挡AMT 升降扭控制*
汽车技术·Automobile Technology
1前言
机械式自动变速器（Automated Mechanical Trans⁃mission ，AMT ）具有结构简单、传动效率高、燃油消耗量低、性价比高、工作可靠性强等优良性能，在纯电动汽车上具有广阔的应用前景[1]。
车辆的换挡平顺性是AMT 换挡控制系统的核心问题，换挡品质的优劣直接影响驾乘舒适性，甚至系统可靠性。在保证换挡时间的前提下，如何降低换挡冲击度、提高驾驶平顺性至关重要[2]。Yuch 等[3]研究电动汽车无离合器AMT 的可行性并提出了相应的控制方法。
刘正伟等[4]采用基于模型参考的自适应PID 控制算法降低了换挡冲击度。张志森等[5]研究主驱动电机在换挡过程中的控制策略，并进行数据采集与分析，验证了所提出的选换挡过程控制策略的可行性。以上研究都是针对整个换挡过程的控制策略，并没有进行换挡过程细化研究。同时，关于换挡过程中升降扭过程的研究更少，但换挡升降扭过程是决定冲击度大小的关键因素，而冲击度是驾驶平顺性的
重要评价指标。
为了有效降低换挡过程中的冲击度，本文提出基于正弦曲线的升降扭控制策略，针对纯电动汽车两挡AMT 的变速器控制单元（Transmission Control Unit ，
【引用格式】邓涛，邓彪.基于正弦曲线的纯电动汽车两挡AMT 升降扭控制[J].汽车技术,2021(3):39-44.
DENG T,DENG B.BEV Two-Gear AMT Lifting Torque Control Based on Sinusoidal Wave Curve[J].Automobile Technology,2021(3):39-44.
TCU ）控制需求进行TCU 软件系统开发，并进行相应的模型在环（Model in the Loop ，MIL ）、软件在环（Software in the Loop ，SIL ）、硬件在环（Hardware in the Loop ，HIL ）和台架测试验证控制策略的有效性，最后通过实车标定验证该策略在降低换挡冲击度中的有效性。
2基于正弦波曲线的升降扭控制策略
纯电动汽车AMT 换挡控制主要包括5个过程：降矩、摘挡、电机调速、挂挡和扭矩恢复[6]，具体控制流程如图1所示。
图1换挡流程示意
2.1降扭阶段
降扭阶段清除驱动电机扭矩，保证换挡机构平缓挂
挡，冲击度j 可由纵向加速度变化率表示[7]：
j =d a d t =d 2
v
d t 2
（1）
式中，a 为车辆的纵向加速度；v 为车速；t 为时间。
降扭阶段驱动电机的动力输出与车轮端存在动力学关系，则冲击度可表示为：
j =
i g i 0ηt δmr ·d T m
d t
（2）
式中，i g 为挡位速比；i 0为主减速比；ηt 为传动效率；δ为旋转质量换算系数；m 为整车质量；r 为车轮半径；T m 为驱动电机扭矩。
降扭阶段产生的冲击度与驱动电机的扭矩变化率成正比关系，因此，应限制驱动电机扭矩变化率。另外，俯仰角变化幅度越大，则产生的换挡冲击度越大，换挡平顺性越差。
目前，AMT 换挡升降扭过程采用直线升降扭控制，不能有效降低换挡冲击度，本文基于正弦波函数形式控制扭矩变化率，在整个降扭过程中通过实时输入当前扭
矩T n 、车速v 和加速度a ，以不同降扭步长T step 进行扭矩清零。降扭过程进行n （n 的初始值为0）次降扭输出目标扭矩T tar ，且每次降低的扭矩为T red ，同时采用二分法控制降扭变化率，达到曲线降扭的目的。2.1.1
正常降扭阶段
在发出换挡命令时，当前扭矩T n 作为降扭初始值，通过当前车速与加速度大小，以最小降扭步长T min_step 开始降扭：
n =0时，有：T tar =T n ,T red =0（3）
n >0时，有：
T step =n ·T min _step
T tar =T n -T step ,T red =T step
（4）
2.1.2
加速降扭阶段
判断降扭过程中扭矩的变化速度，以及车速与加速
度的变化，随时调整降扭变化率：
T max_step (1+T max_step /T min_step )>(T n -T tar )
（5）
式中，T max_step 为最大降扭步长。
式（5）满足时，重新计算T red ：T red =0.5(T n -T tar )（6）
2.1.3
减速降扭阶段
当T step ≥T max_step ，且n >1时，输出扭矩为：T n -1=T n -T max_step
（7）
2.1.4
扭矩正常阶段
当T n ≤T red 时，则进入扭矩正常阶段，按照以下形式
进行降扭：
ìíîT step =n ·T min _step ,T n =T n -1-T step ,n >2
T n -1=T n
-T
min _step ,n ≤2（8）
通过以上算法进行计算，当T n =T tar 时，完成降扭过程，同时，升扭过程也按照此算法进行。
根据每个阶段扭矩升降值的变化得到换挡过程中
扭矩变化规律与换挡过程中车速与加速度的变化关系，
以及不同油门踏板开度k 下升降扭矩步长T step ，如表1所示。在满足换挡需求时，目标扭矩与当前油门踏板开度下扭矩的差值与T step 相乘，得到升降扭过程扭矩的变化梯度，该变化梯度按正弦曲线变化，如图2所示。
表1
不同油门踏板开度对应的T step
TCU 向MCU 发送降扭指令
换挡点判断
开始
否
是
是否
驱动电机扭矩
降至目标值？
摘挡
是否脱离当前
位置？
是
是是
否
否
否
驱动电机扭矩升至目标值？
TCU 向MCU 发送升扭
指令和目标值
挂挡是否完成？
摘挡
调速是否完成？
TCU 向MCU 发送转速调节指令和对应的目标值
结束
否
是
k /%05
1020304050T step /N·m 0.120.180.310.570.810.951.0
k /%6070809095
100
T step /N·m 0.950.810.570.310.180.12
2.2仿真验证
根据以上升降扭控制算法搭建曲线升降扭模块，并
集成在换挡扭矩控制模块中。扭矩控制模块包含升扭模式、降扭模式、正常行车模式、扭矩跟随模式
、静态挂挡模式、扭矩输出为0模式以及不挂挡扭矩正常输出模式，并通过仿真验证算法的可实施性，如图3所示。
图2正弦曲线降扭曲线
图3曲线降扭仿真结果
由图3可知，在控制AMT 换挡时，驱动电机在摘挡前按照正弦曲线降扭形式完成卸扭动作。
根据该算法，以车速和加速度作为输入，以多组T n
和T step 进行仿真，在不同车速与加速度下到最优的T max_step 和T red ，从而获取最优的升降扭曲线。
3TCU 软件开发
为了验证该曲线降扭控制算法在实车上的可行性，将该算法集成至TCU 中。按照“V ”型开发模式进行TCU 软件开发，包括项目输入、系统分析、软件需求分析、软件架构设计、软件详细设计、软件实现、单元测试
（MIL 、SIL ）、集成测试、HIL 测试、台架验证以及实车标定等[8]。主要设计流程如图4所示。3.1
TCU 软件设计分析
TCU 设计必须实现驾驶员意图识别、挡位位置自学习、坡道识别、电机调速、换挡过程协调控制、故障诊断和标定等功能。根据TCU 软件的功能需求，搭建TCU 控制架构如图5所示。3.2
单元测试与集成测试
单元测试可验证控制系统模型各子模块的功能逻辑，集成测试是将各子模块集成后按照既定的控制需求
运行，并确保各子模块功能正常运行[9]。建立测试环境，输入测试用例，设定模块的参数值，将实际输出值与期望值进行对比，生成相应的测试报告，检验覆盖度。换挡控制模块的MIL 测试结果如表2所示。
图4设计流程示意
图5TCU 架构
表2MIL 测试结果
%
SIL 测试采用与MIL 相同的测试用例，测试结果表
明，代码与控制模型功能一致。
3.3
HIL 测试
通过MATLAB/Simulink/NI VeriStand 、TCU 控制器以及Test Base 联合搭建HIL [10]测试平台，如图6所示。
图6HIL 测试环境
020
406080100
油门踏板开度/%
1.0
0.90.80.70.60.50.40.30.20.1
T s t e p /N ·m
升扭曲线降扭曲线
385386387388389390
391
时间/s
750
600450300150
0-150
扭矩/N ·m
扭矩曲线降扭阶段
1009080706050油门踏板开度/%
油门踏板开度95%，387.09s
280.176N·m ，
387.09s
388.18N·m ，388.11s
81%，388.59s
模块功能定义设计模块程序
设计验证程序
IO 定义
编写CAN 通讯
编写dbc 文本控制程序
系统架构设计
项目输入
系统设计结构需求分析
硬件需求分析软件需求分析
软件开发
模块设计软件架构设计
MIL （SIL ）测试
单元测试
软件集成集成测试接口测试功能集成
故障测试
HIL 测试台架、实车测试
接口测试功能集成性能测试
车辆综合控制
TCU 控制输入
CAN 输入
硬件输入
车速计算
车重计算
驾驶员意图识别
故障判断故障处理
挡位自学习扭矩、转速控制
换挡过程控制
换挡电机控制
挡位输出控制
最佳挡位计算换挡位置计算
输出CAN 输出
硬件输出
电机
驱动
测试模块挡位控制挡位计算挡位控制子模块
判定覆盖度100100100
条件覆盖度100100100
修正判定条件覆盖度100
100100
执行覆
盖度100100
测试
机柜
上位机
换挡执行机构TCU
示波器
根据TCU 功能需求编写测试用例，根据整车状态、不同挡位以及当前挡位位置等对换挡电机控制策略、换挡拨叉位置、换挡故障诊断、换挡模式等进行闭环测试，并且根据期望输出挡位G h 与实际输出挡位G t 值，以及相应的故障代码C e 验证各控制模块的可行性，结果如表3所
示。其中，C e =4表示传感器故障，C e =7~11分别表示VCU 掉线、MCU 掉线、过压故障、低压故障和换挡超时故障。
表3
HIL 测试结果
将曲线升降扭控制策略加载至整个TCU 控制平台进行HIL 仿真，验证曲线升降扭控制策略的功能性，如图7所示。在换挡时，电机扭矩按照曲线降扭形式进行卸扭，且换挡时间为500~700ms ，满足需求，说明该控制策略可以有效地应用在整个TCU 控制系统中。3.4
台架测试
搭建TCU 测试台架，如图8所示，将测试通过的TCU 控制程序下载到TCU 中，并对换挡电机、电机调速、挡位位置、换挡力和换挡各行程等进行标定，验证两
挡AMT 选换挡机构位置及换挡功能[11]。
（a ）HIL 仿真测试
（b ）换挡时间
图7
曲线升降扭HIL 仿真验证
图8台架测试
在台架测试过程中，首先通过INCA 标定软件进行手动换挡控制，调整脉冲宽度，驱动换挡电机换挡，观测此时换挡电机状态，并进行换挡电机调速标定，根据控制逻辑，标定各挡换挡拨叉位置。换挡速度决定了AMT 换挡机构对换挡力需求。相同工况下，换挡力越大，电机功率越大，对应耗能大，从而换挡电机和换挡机构增大，导致车辆的耗能增大，因此换挡力较小为好。对应的换挡行程即换挡拨叉运动行程，换挡电机测试结果如图9所示。
图9
换挡电机测试结果
4实车标定
4.1搭建实车测试平台
将上述通过测试的TCU 程序加载到控制器，搭载
实车测试平台，如图10所示。在相同的油门踏板开度下，对比原有的直线升降扭控制和本文提出的基于正弦曲线的升降扭控制策略，分析俯仰角的变化幅度，验证本文提出的控制策略的可行性和有效性。
测试状态非高压下
挡位控制
下电状态挡位控制高压挡位控制
换挡拨叉
位置
故障诊断
测试条件空挡挂D 挡空挡挂R 挡
车速<3km/h ，
关闭钥匙信号车速≥3km/h ，关闭钥匙信号
上高压，不进行制动，挂D 挡上高压，制动，挂D 挡，
车速≥3km/h 上高压，制动，挂D 挡，车速<3km/h 上高压挂D 挡，踩油门踏板，车速＞45km/h TCU 挡位为2，车速<20km/h 空挡位置1挡位置2挡位置高压状态，VCU 掉线
高压状态，MCU 掉线
电压>32V 电压<8V
高压状态，移除位置传感器高压状态，移除换挡电机期望结果G h =0G
h =0G h =0G h =1
G h =0G h =0G
h =1从1挡挂入
2挡
从2挡挂入1挡
0.510C e =7C e =8C e =9
C e =10C e =4C e =11实际结果G t =0G t =0G t =0G t =1
G t =0
G t =0
G t =1
G t =2G t =1
0.5
0.995
0.00045
C e =7C e =8C e =9
C e =10C e =4C e =11376
378
380
382384
386
388
时间/s
100806040200
曲线降扭
100
80
604020
0车速/m ·s -1
油门踏板开度
扭矩车速挡位
油门踏板开度/%
1000600200
-200-600
-1000扭矩/N ·m
2
10挡位10
12
1416
18
时间/s
1.2
1.00.80.60.40.20 1.00.80.60.40.20换挡拔叉位置
换挡拔叉位置PWM 占空比
P W M 占空比
t -t =564ms 2挡降1挡时间t -t =615ms 1挡升2挡时间
t t t t 高压配电柜飞轮组冷却系统
低压电源
上位机
TCU 控制器
换挡执行机构电机控制器驱动电机
INCA 标定工具
87
.5087.7588.0088.2588.5088.7589.0089.2589.5089.7590.0090.25
时间/s
1.501.200.900.600.300
450040003500300025002000150010005000
转速/r ·m i n -1
P W M 占空比
1.0
0.50
换挡拔叉位置
28024020016012080400
扭矩/N ·m
2
1挡位
换挡拔叉位置
转速扭矩
PWM 占空比挡位
图10现场测试
4.2路试数据分析
相同路况下测试多组不同油门踏板开度下换挡过程中直线升降扭和正弦曲线升降扭（下文统称曲线升降扭）对应的俯仰角变化程度。利用加速度传感器和行车记录仪记录换挡时加速度a 、加速度变化率a′以及俯仰角θ的变化，结果如图11所示。
（a ）k =30%，直线降扭
（b ）k =30%，曲线降扭
（c ）k =50%，直线降扭
（d ）k =50%，曲线降扭
（e ）k =70%，直线降扭
（f ）k =70%，曲线降扭
（g ）k =90%，直线降扭
（h ）k =90%，曲线降扭
（i ）k =100%，直线降扭
（j ）k =100%，曲线降扭
图11
不同油门踏板开度下俯仰角变化
446
447
448449
450
时间/s
0.30.20.10
-
0.10.2 2.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
50
403020100-10-20-30-40
a ′/m m ·s -3
2801.5
2803.0
2804.52806.0
时间/s
0.200.150.100.050-0.05-0.10-0.15 1.51.00.50-0.5-1.0-1.5
θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
5
31-1-3
a ′/m m ·s -3
加速度传感器
TCU
行车记录仪
INCA/PCAN
3311.5
3313.0
3314.5
3316.0
时间/s
0.150.100.050-0.05-0.10-0.15 2.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
5
31-1-3
a ′/m m ·s -3
200
201
202
203
时间/s
0.250.150.05
-
0.05-0.15
1.5
0.5
-0.5
-1.5θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
50
403020100-10-20-30-40
a ′/m m ·s
-3
1090
1091
10921093
1094
1095
时间/s
0.50.30.1
-0.1-0.33210-1-2θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
50
403020100-10-20-30-40
a ′/m m ·s -3
1063.5
1064.51065.5
1066.5
时间/s
0.20
0.150.100.050-0.05
-0.10 1.51.00.50-0.5-1.0θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
40
3020100-10-20-30
a ′/m m ·s -3
3480
3481
3482
3483时间/s
0.250.150.05
-0.05-0.15-0.20 1.50.5
-0.5-1.5
-2.5θ/(°)
a /m m ·s -2加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
40200
-20-40a ′/m m ·s -3
3092.5
3094.03095.5
3097.0
时间/s
0.175
0.1500.1250.1000.0750.0500.025
0-0.025-0.050
1.00.50-0.5-1.5θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
40200-20-40
a ′/m m ·s -3
1448
1449
14501451
时间/s
0.250.150.05
-0.05-0.15 2.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5θ/(°)
a /m m ·s -2加速度a
俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
40200-20-40
a ′/m m ·s
-3
1544
1545
1546
1547
时间/s
0.14
0.100.060.02
-0.02-0.06 2.0
1.51.00.50-0.5-1.0-1.5θ/(°)
a /m m ·s -2
加速度a 俯仰角θ
加速度变化率a ′
对比区间
40
3020100-10-20-30a ′/m m ·s -3
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