本发明涉及自动机械变速系统，由一个直流电动机驱动的变速机构完成传动比的改变，并且本发明尤其涉及控制由电动机施加的力的方法，以改善变速质量并降低变速器的磨损。 采用基于响应于各种车辆操作条件或驾驶员的输入以进行传动比改变或变速的电子控制单元的微处理器的自动机械变速系统是本领域公知的。例如，参看转让给本发明地受让人的美国专利US 5，053，962，其公开的内容在这里引用作为参考。一个电动机驱动的变速机构可以用于响应于手动或自动变速起动进行变速操作。例如，参看转让给本发明的受让人的美国专利US 4，873，881，其公开的内容在这里引用作为参考。在US 4，873，881中，由一个或多个直流电动机驱动一个变速指，沿着X-X轴选择一个特定的变速轨并沿着Y-Y轴执行一个滑动离合器与一个齿轮的啮合或分离运动。
在自动机械变速器的换档中有三种可能的运动。这三种运动是（a）拉到空档，（b）滑轨改变和（c）齿轮啮合。在拉到空档期间，变速器的滑动离合器与一个变速齿轮脱开并移到一个空档位置或脱开齿轮的位置。在与齿轮啮合期间，滑动离合器从空档位置移动到与所选齿轮啮合的状态。重要的是齿轮脱开和齿轮啮合都尽可能的平稳以最大限度地提高变速质量以及降低驾驶室的摆动或急撞。当发生无意识的或意外的齿轮啮合或脱开时会发生驾驶室摆动。
在拉到空档操作期间，变速机构给滑动离合器预加载一个预定的力。这个预加载力小于通常由作用在离合器上的扭矩产生的磨擦力并从而离合器与齿轮保持啮合。然而，传动系统中的振动可能导致由传动系统产生的作用于滑动离合器的滑动磨擦力低于预加载力。这可能导致引起驾驶室摆动的齿轮过早脱开。最好齿轮脱开发生在零扭矩变速窗（zero torque shift window）期间，零扭矩变速窗通常发生在车辆的发动机的减速期间。另外，如果在零扭矩窗期间未完成齿轮脱离，传动系统扭矩将反向，引起拨叉接着电动机快速停住。因为电动机具有相当大的惯性，所以这个停住状态可能导致足够大的力作用于变速机构，引起滑动离合器“卡搭作响”地脱开齿轮，产生驾驶室摆动和对机械联动机构的相当大的冲击损坏。
在离合器与齿轮啮合期间，施加的力应当只是稍微大于由传动系统产生的作用于滑动离合器的磨擦力。即使控制器将不试图使滑动离合器与齿轮啮合直至两者的速度几乎同步，也可能发生非同步啮合，这将引起驾驶室摆动和对滑动离合器的损坏，除非控制施加于滑动离合器的力，这个非同步啮合可能被取消。
鉴于上述现有技术状况，本发明的一个目的是改善自动机械变速器的变速质量并降低变速器的磨损。
本发明的另一个目的是通过精确地控制施加于变速机构的电动机的力而降低无意中地或无意识地拉到空档操作的发生率并避免齿轮啮合期间过度的冲击或冲撞。
本发明的另一个目的是通过快速降低变速操作期间由于x-y变速机构的电动机的停机而产生的电枢电流尖峰信号，而改善自动机械变速器的变速质量并降低变速器的磨损。
本发明的另一个目的是通过在与齿轮啮合或脱开期间万一电动机快速停机时快速降低施加于滑动离合器的力而降低作用于自动机构变速器的机械部件上的峰值应力。
本发明的另一个目的是改善自动机械变速器的变速质量并降低变速器的磨损，该目的是这样实现的：通过控制施加于电动机的作为相对于一个目标电流的电动机电枢电流的差值的变化率的函数的电压由电动机驱动变速机构来控制施加于滑动离合器的力。
根据本发明，通过精确控制驱动变速机构的电动机的电枢电流而改善自动机械变速器的变速质量。变速器微控制器监测电动机的电流以确定变速操作期间变速机构是否已遇到的隐患或已经停住，根据一个对由微控制器检测的电流与一个目标电流之间的差值进行比例和微分控制的算法，对微控制器编程以控制施加于电动机的脉冲宽度调制（PWM）电压信号的工作循环。通过调节脉冲宽度调制电动机电压控制信号的工作循环而控制电流，以使电动机的大的电流变化最小，否则在变速期间可能会发生大的电流变化。PWM信号的工作循环随相对于一个目标电流的电枢电流差值的幅度与差值的变化率的和的函数而变化。通过以一个比自然机械响应更快的高速率采样电流，具有高响应速率的电流可以用于在一个相当柔性的机械系统能够达到与一个未受控制的动态冲击关联的最大力之前使电动机扭矩反向。对电动机停机的快速响应以及通过PWM控制快速降低电流，减小了由变速机构施加于滑动离合器的力，从而避免了否则将由电动机施加的实质上更大的力以及由于遇到一个整体制动器而产生的对变速器和电动机的可能的损坏。
在结合附图阅读了下面的详细描述之后，将更完整地理解本发明：
图1是得益于本发明的力受控变速方法的自动机械变速系统的框图;
图2是基于控制施加于自动机械变速器的变速机构的力的系统的微控制器的框图;
图3是图2的电流控制电路的示意图;
图4是描述本发明的力控制变速方法的流程图;
图5是在试图拉到空档操作期间随时间的变换指位置、拨叉力、传动系统扭矩和电动机电流的曲线图;
图6是在拉到空档操作以及接着发生齿轮啮合期间电动机电流和变换指位置的曲线图。
现在参看附图并且首先参看图1，显示了一个自动机械变速器10。变速器是常规设计的，例如具有一个与一多比率辅段串联连接的多比率主变速段的部分自动范围类型的复合变速器。变速器10包括一个输入轴12，它由一个原动机（例如一个柴油发动机）E经过一个通常啮合的但可选择地脱开的摩擦主离合器C驱动。主离合器C有一个连接于发动机曲轴的驱动部分和一个固定于变速器输入轴12的驱动部分。一个手动操作节流装置（未显示）控制发动机的燃油，一个离合器踏板或类似物（未显示）手动控制主离合器。经过变速器10以当前所选齿轮的传动比相对于变速器输入轴12而降低的速度啮合而驱动变速器输出轴14。
变速器10的齿轮的变换最好是基于微处理器在微控制器（ECU）16的控制下进行，微控制器接收所示的多个传感器的输入，包括一个输入轴传感器18和一个输出轴传感器20。ECU16接收输入并提供控制信号至一个x-y变速机构22以执行变速。变速机构在上述转让给本发明的受让人的在这里引用作为参考的美国专利US 4，873，881中进行了描述。ECU16也经过数据传输线26接收输入并提供控制信号至一个变速面板及显示单元（一般地指示为24）。单元24给驾驶者提供状态信息并且当面板处于保持位置H时也包括用于手动变速的上和下按钮。一个驾驶者显示模件28可以用于显示当前齿轮并且可以包括箭头显示是否变速是换高速档还是换低速档。关于变速器10以及控制这样一个变速器的系统的进一步的细节可以从上述美国专利US 5，109，721和US 5，050，079以及其中参考和讨论的专利中获得，这些专利文献中公开的内容在这里引用作为参考。
现在参看图2，x-y变速机构22包括一个变换指29，它适宜于选择地接触拨头30、32和34的内壁。拨头30、32和34分别安装在变速轨36、38和40上，变速轨通常用于机械换档变速器中。每一条变速轨携带一个拨叉42、44和46，这三个拨叉分别固定在变速轨上用于随其作轴向运动。众所周知，每一个拨叉都与一个刚性滑动离合器机构关联，该刚性滑动离合器机构选择地啮合和脱开齿轮至一轴。变换指29通过适当的机构（未显示）连接至永磁电动机50和52，它们分别适宜于在x-x和y-y方向移动变换指，如上述专利中所解释的。可选择地，单个电动机和适当的离合器以及驱动机构可以用于选择地沿着x-x和y-y轴移动变换指，如上述专利中所解释的。
来自ECU16的可变工作周期脉冲宽度调制（PWM）信号施加于电流控制逻辑线路54和56，而控制电动机50和52的转动速度和方向。分别在图指示的58和60处测量电动机电枢电流，并由一个模/数转换器62转换成数字值并输入ECU16。对ECU16进行编程通过调节PWM信号的工作循环而控制送至电动机50和52的电流，这将在下文更完整地描述。变换指29沿x-x和y-y轴的位置分别由电位计62和64检测，分别在66和68处滤波，转换成数字值并输入ECU16。电位计62和64最好在变换指移动的整个范围内提供0-5伏的输出。将电位计的输出转换成具有0-1023比特的数字值的二进制数值。
微控制器16通过控制逻辑线路54和56控制电动机转动的方向，并且通过PWM信号的工作周期的变化控制电动机的输出扭矩和速度，现在参看图3更详细地显示了电流控制逻辑方框56。电动机52经过一个直流电压源连接，这个直流电压源例如是连接在端70与地之间的标记为B+的车载电池。通过触发固态开关72、74、76和78中的合适的开关并通过一个施加于其相应的栅电极82、84、86和88的控制信号，控制流经电动机52的电流的方向并从而控制电动机的转向。通过接通开关72和74并关断开关76和78，以一个方向（例如顺时针方向）驱动电动机。当开关72和74判断并且开关76和78接通时，以逆时针方向驱动电动机。
不论转向如何，电动机52的扭矩以及施加于变换指29的力直接正比于电动机电枢电流。对于一个给定的电动机速度，通过调节施加于电动机的电压可以控制力。在变速器的变速期间一个特殊的关键的情形是相应于电动机停机的零速。如果电动机停机，因为由传动系统振动产生的作用于电动机的高反向扭矩，由电动机吸收的电流将增加并导致由电动机施加的更大的力。这个力的增加可能导致变速质量变差并增加变速器的磨损。因此，希望降低施加于电动机的电压以降低电流，从而减小力，通过缩短在一个固定时间间隔期间开关接通的时间，实现电压降低或施加的电池电压的衰减。于是，通过控制适当的开关对（例如72，74）的接通时间，ECU施加一个可变的工作周期脉冲宽度调制电压信号至电动机52。
一个电阻78与电动机52串联连接，用于监测电动机的电枢电流。流经电阻78的电流由ECU检测，ECU通过模/数转换器周期地检测电阻两端的电压。如图4的流程图所示，ECU在步骤100用一个PWM控制信号激励电动机52并在步骤102周期地测量电动机电枢电流。在步骤104将检测的电流与一个期望或目标电流进行比较，并且如果不等于期望或目标电流则在步骤106计算一个新的PWM信号的工作周期。新的工作周期等于旧的工作周期加上测量的电流与期望或目标电流之间的差值乘以一个比例增益因子再加上当前电流差值与先前电流差值之间的差值乘以一个微分增益因子。这可由下述方程表示：工作周期（新）＝工作周期（旧）+电流差值×KPCY+（当前电流差值-光前电流差值）×KDCY
其中
KPCY是一个比例增益因子
KDCY是一个微分增益因子
现在参看图5，在拉到空档操作期间产生的轨线显示了本发明的电流控制方法怎样防止在预期的传动系统振动期间未受控的力施加于变速机构。轨线A表示了由电位计64以随时间的数字计数方式提供的变换指29的位置。轨线B表示了施加于拨叉44的力（随时间以磅的方式）。轨线C表示了车辆传动系统扭矩（以随时间lb-ft/10的方式）。轨线D表示了电动机电枢电流（以随时间安培×10的方式）。表示目标电流的6安培电动机电流产生大约50磅的预加载力施加于拨叉44。在104处传动系统扭矩下降至几乎为零并且在106处电动机开始响应于传动系数扭矩的下降而转动。在轨线的大约1.96秒，微控制器执行一个程序以快速将变速器换到空档。程序的起动包括检测指示电动机转动的一个或多个触发事件，正如在转让给本发明的受让人的申请日为1992年11月30日的顺序号为985，190的美国待批申请中所解释的，其公开的内容在这里引用作为参考。这个程序施加全部电压于电动机。电动机电流相应地升高并且在108处所示达到短暂的峰值，然后随着电动机转向空档电流降回6安培并且作用于拨叉44的力降至零。然而，在零扭矩窗之后，大约经过1.92秒至大约1.99秒，传动系统扭矩反向。在这一时刻实际上是车轮在驱动发动机，而不是发动机驱动车轮。结果，电动机转动变慢并且最后在110处停住。与电流增高并产生大约300磅的压力相反地，在112处的电枢电流峰值在图3的电流控制方法的控制下在116处快速返回到6安培。因此，在116处的拨叉力峰值在118处快速返回50英尺磅。随着电流下降，拨叉力降低使电动机从停止位置开始运转，从而避免了电动机和变速器的磨损，否则在非零传动系统扭矩情况下继续齿轮脱开操作将会发生电动机和变速器的磨损。
现在参看图6，描述了从一个齿轮脱开关与另一个齿轮啮合的变速操作。只显示了变换指位置曲线A（每等分100比特）和电动机电枢电流曲线D（每等分5安培）。在拉到空档操作之前，在130处一个PWM电压施加于电动机并且控制其保持6安培的预加载电动机电枢电流。在变换指29在132处开始移动的时刻与变换指在134处碰到一个整体制动器并占据机械间隙且在变速中起作用的时刻之间存在大约100毫秒期间，施加于这个预加载力。当变换指停住时，在136处非常短暂的电动机电流峰值在图3的电流控制方法的控制下降至并稳定在6安培。如结合图4所示的ECU执行将变速器拉到空档位置的程序，引起在大约700毫秒与900毫秒之间发生电流变化。根据验证变速器处于空档位置并已选择了希望的齿轮，一旦两个连接的轴基本上以相同速度转动变速器就准备进行齿轮啮合操作。当基本上同步的速度持续大约900毫秒时，建立一个10安培的目标电动机电枢电流用于控制目的并且电动机开始使离合器与所选齿轮啮合。在138处由于齿轮啮合电动机停住，并且在140处出现短暂的电流峰值，但在图3的电流控制方法的控制下在142处快速回至零。
尽管已详细描述了实现本发明的最好方式，但是熟知本发明所属领域的技术人员将意识到由随后的权利要求限定的实施本发明的各种替换设计和实施例。