AMT換擋電機(jī)精確跟蹤控制

申業(yè) 吳光強(qiáng)，2 羅先銀

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）

AMT換擋電機(jī)精確跟蹤控制

申業(yè)1吳光強(qiáng)1，2羅先銀1

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）

介紹了AMT換擋執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，并對AMT換擋機(jī)構(gòu)與電機(jī)進(jìn)行分析與建模；基于變結(jié)構(gòu)滑?？刂圃?，構(gòu)造了換擋機(jī)構(gòu)電機(jī)的非線性系統(tǒng)滑?？刂破鳎贡豢仉姍C(jī)具有高精度的跟蹤品質(zhì)和較強(qiáng)的抗干擾能力。通過對2擋升3擋理想運(yùn)動曲線跟蹤控制仿真表明，滑?？刂票葌鹘y(tǒng)PID控制跟蹤精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，其不僅提高了掛擋過程換擋品質(zhì)，而且又能保證同步器壽命。

1 前言

當(dāng)前市場上常見的自動變速器主要有3種：AT、CVT和AMT[1]。AMT是在原有機(jī)械式變速器和干式離合器的基礎(chǔ)上加裝微機(jī)控制的自動操縱機(jī)構(gòu)。由于原有的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)基本不變，因此AMT具有傳統(tǒng)手動變速器傳動效率高、成本低、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，同時也具有操縱方便的自動變速功能，且經(jīng)濟(jì)、方便、安全、舒適[2]。

掛擋過程作為AMT換擋過程中一個重要環(huán)節(jié)，其控制策略對同步器的使用壽命和換擋時間有較大影響，同時也影響AMT換擋舒適性。因此，AMT掛擋過程的精確控制對提高AMT系統(tǒng)可靠性起著重要作用。Walker[3]對同步器與換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模，但是沒有考慮對執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動撥叉的行程進(jìn)行精確控制；王洪亮[4]提出了換擋過程的控制策略，然而對于同步器結(jié)合的不同階段，沒有給出具體的控制方法；任玉平[5]采用模糊控制的方法，建立模糊控制規(guī)則，但對換擋電機(jī)沒有確定精確跟蹤控制目標(biāo)的方案。

2 換擋執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型

2.1 換擋執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

換擋執(zhí)行系統(tǒng)是換擋控制系統(tǒng)（圖1）的一部分，其采用機(jī)電一體化驅(qū)動控制機(jī)構(gòu)，主要集成有角位移傳感器的換擋電機(jī)、換擋減速機(jī)構(gòu)等。換擋電機(jī)采用額定電壓12 V的永磁直流有刷電機(jī)，并通過自動變速器控制器（TCU）的電機(jī)脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速控制。角位移信號由裝載到電機(jī)輸出軸的角位移傳感器采集并送到TCU形成閉環(huán)系統(tǒng)。蝸輪蝸桿和齒輪2級減速機(jī)構(gòu)可以將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成換擋過程所需的運(yùn)動，同時實(shí)現(xiàn)較大減速比，以獲得適當(dāng)?shù)乃俣群妥銐虻膿Q擋力，帶動換擋撥叉。

2.2 換擋過程分析

換擋過程第1階段如圖2a所示，撥叉向左推動結(jié)合套，結(jié)合套通過止動銷帶動同步環(huán)往左移動，消除滑塊、結(jié)合套、同步環(huán)及齒圈之間的間隙，使同步環(huán)與齒圈緊密接觸。

換擋過程第2階段如圖2b所示，撥叉繼續(xù)向左推結(jié)合套，壓緊同步環(huán)與齒圈，通過同步環(huán)與齒圈之間的摩擦力矩來減少兩者之間的轉(zhuǎn)速差，直至兩者轉(zhuǎn)速相同為止。

換擋過程第3階段如圖2c、圖2d所示，同步環(huán)與齒圈已經(jīng)同步，同步環(huán)的鎖止作用消失，只需將結(jié)合套繼續(xù)左移，實(shí)現(xiàn)與齒圈的接合[6]。

實(shí)際換擋時在同步環(huán)與結(jié)合齒圈之間會產(chǎn)生摩擦力矩，使同步環(huán)轉(zhuǎn)一個角度并與花鍵轂底槽接觸，此過程中如果換擋動作速度過快，會出現(xiàn)結(jié)合套的輪齒直接與同步環(huán)輪齒嚙合的現(xiàn)象而造成打齒。假設(shè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度有一個最大上限值，在達(dá)到該最大速度值之前，為了得到最短的換擋時間，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先加速運(yùn)動，再減速緩沖，從而實(shí)現(xiàn)在最短的換擋時間內(nèi)完成換擋動作且不會產(chǎn)生同步?jīng)_擊，由此得到理想角位移曲線（圖3）。

2.3 換擋執(zhí)行器建模

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用永磁直流有刷電機(jī)，其基本原理如圖4所示。

根據(jù)基爾霍夫定律與牛頓第二定律，建立換擋執(zhí)行器電機(jī)的電壓平衡方程和運(yùn)動基本方程：

式中，Jm為折算到電動機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Dm為電機(jī)阻尼，N·s/rad；Tl為折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Uma為電動機(jī)電樞電壓；Tma為電機(jī)輸出力矩；θ為電動機(jī)角位移；Ima為電樞電流；Rma為電樞回路總電阻；Lma為電樞回路總電感；kme為反電動勢系數(shù)，V·s/rad；kmt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，N·m/A。

對于換擋執(zhí)行器有:

式中，F(xiàn)l為換擋阻力；r為齒輪齒條中齒輪半徑；ig為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿傳動比；iw為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)齒輪傳動比；ηg為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿效率；ηw為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)齒輪效率。

公式（1）和公式（2）聯(lián)立可得：

化簡后可得：

其中：

由式（4）可以得出該系統(tǒng)具有非線性，記：

其中，v=DUma為輸入量，o（θ¨）替代式（4）等號右邊除第1項(xiàng)以外的其他項(xiàng)，包含不確定換擋阻力Fl。該阻力主要為換擋開始時解除定位銷（圖5）的阻力Fpin、同步器作用力Fsyn和其他系統(tǒng)阻力。

Fpin的大小是由定位銷彈簧剛度和與其對應(yīng)的定位坑的尺寸決定的。

其中，

最終可得：

式中，x為結(jié)合套軸向行程；x0為結(jié)合套起始位置；x1為結(jié)合套脫開定位銷的位置；x2為換擋完成位置；Fspr為彈簧力；Ff為初始階段摩擦力；f為摩擦系數(shù)；Ff0為其他摩擦力；xspr為彈簧壓縮行程；kspr為彈簧剛度；Rpin為定位銷淺坑的半徑；rpin為定位銷頭部的半徑。

由于該過程歷時很短，假設(shè)結(jié)合套勻速運(yùn)動，那么結(jié)合套受到的阻力Fpin與時間的關(guān)系如圖6所示。

Fsyn是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在同步器摩擦錐面上軸向力的反作用力，可通過同步器參數(shù)以及同步時間計(jì)算得到[7]：

式中，rsyn為同步器摩擦錐面平均半徑；fsyn為同步器工作錐面間的摩擦系數(shù)；αsyn為同步器摩擦錐面半錐角；ωe為發(fā)動機(jī)角速度；tsyn為同步時間；ig（n）、ig（n+1）為n和n+1擋傳動比；Jsyn-in為離合器從動盤、第1軸與第2軸常嚙合齒輪連接在一起轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量。

因?yàn)檐囕v工況變化多樣，解除定位銷的阻力Fpin作用時間相對較短，大小較Fsyn要小，所以定義的估計(jì)為：

3 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

對于選換擋機(jī)構(gòu)，不同車速和不同擋位所需的換擋力不同，因此造成建模的不精確性，這對非線性控制系統(tǒng)有很大的不利作用?；？刂剖歉鶕?jù)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面的程度來變更控制器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按照滑模面規(guī)定的規(guī)律來運(yùn)行的一種控制方法。這種控制方法具有較高的魯棒性和較強(qiáng)的抗干擾能力。對于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)：

滑動條件：

即轉(zhuǎn)化跟蹤θ≡θd的問題為系統(tǒng)軌線必須停留在曲面S（t）上[8]。

為了滿足滑動條件，需加上一個不連續(xù)項(xiàng)，即：

這種方法得到的跟蹤控制規(guī)律在通過曲面時是不連續(xù)的，在實(shí)際控制中會得到控制抖振。為了消除該抖振，需要把控制輸入修正到連續(xù)化的邊界層中[8]，即：

其中，

由此可得滑?？刂埔?guī)律：

4 仿真結(jié)果分析

在換擋過程中，從2擋升到3擋作用時間較其他情況時間長、工況不確定。因此，對換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同工況下對圖3中的理想運(yùn)動曲線進(jìn)行跟蹤，并與單閉環(huán)PID控制器進(jìn)行比較，觀察控制器仿真特性，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在阻力比較小的情況下，應(yīng)用PID控制器與應(yīng)用滑?？刂破鞯碾姍C(jī)跟蹤誤差不是很大，但在0.3 s時PID出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，這在換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)中是應(yīng)該避免的。為了模擬真實(shí)情況，把2擋升3擋時同步器的阻力變?yōu)樵瓉淼?倍，得到結(jié)果如圖8所示。

在換擋機(jī)構(gòu)所受到的阻力變?yōu)樵瓉?倍的情況下，滑?？刂频南到y(tǒng)跟蹤誤差變化不大，精度仍能保證。但是PID控制下的系統(tǒng)跟蹤最大誤差增大了80%，是總行程的7.2%，同時超調(diào)現(xiàn)象繼續(xù)變大。與真實(shí)情況相比，圖7和圖8都沒有考慮撥叉換擋開始時、退出自鎖機(jī)構(gòu)時機(jī)構(gòu)中的定位銷與定位銷淺坑形成的阻力Fpin。考慮該阻力后，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在較大擾動的情況下，滑?？刂葡碌碾姍C(jī)跟蹤誤差變化不大，仍能保持很好的跟蹤特性。

從圖7～圖9中可以明顯看出，在3種工況下，滑?？刂票萈ID控制響應(yīng)更快速，跟蹤性能更好。PID控制中為了達(dá)到快速響應(yīng)，出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，這在換擋控制中是應(yīng)該避免的。然而，在應(yīng)用了滑?？刂破髦蠡緵]有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)載增大的情況下，PID控制響應(yīng)變慢，響應(yīng)時間變長，跟蹤誤差變大了80%；而滑?？刂葡孪到y(tǒng)仍然能保持很好的跟蹤特性，跟蹤誤差變化不大。圖8在負(fù)載模擬中考慮了撥叉帶動結(jié)合套開始運(yùn)動，退出定位銷機(jī)構(gòu)時，機(jī)構(gòu)中的鎖止鋼球與定位銷淺坑形成的阻力。在該擾動情況下，可以看出滑?？刂频母櫿`差明顯比PID控制下的誤差要小，具有很強(qiáng)的魯棒性。

總體比較，滑?？刂票萈ID控制的跟蹤精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，適用于AMT難以測量換擋阻力且對精度要求很高的換擋執(zhí)行器中。

5 結(jié)束語

分析了AMT換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，建立AMT換擋執(zhí)行器的電機(jī)模型和動力學(xué)模型。根據(jù)滑模控制方法論，設(shè)計(jì)了滑?？刂破?。仿真結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)PID控制具有更高的跟蹤精度、更快的響應(yīng)速度、更好的魯棒性。

1LiaoChenglin，Zhang Junzhi，Lu Qingchun.Coordinated powertraincontrolmethodforshiftingprocessofautomated mechanical transmission in the hybrid electric vehicle. JixieGongchengXuebao，ChineseJournalofMechanical Engineering，2005（12）：37～41.

2孔慧芳.電控機(jī)械式自動變速器中傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)研究：[學(xué)位論文].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

3Walker，Nong Zhang.Engagement and control of synchroniser mechanismsindualclutchtransmissions.Mechanical Systems and Signal Processing，2012（1）:320～332.

4王洪亮，劉海鷗，關(guān)超華，等.重型車輛AMT換擋過程控制方法研究.汽車工程，2009，31（6）:540～544.

5任玉平，葛安林.全電式AMT選換擋系統(tǒng)模糊控制方法.汽車技術(shù)，2004，（8）:11～14.

6何忠波，梁憲福，韓正軍，等.AMT換擋過程動力學(xué)建模及換擋品質(zhì)影響因素分析.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（6）:45～49.

7關(guān)文迭.汽車構(gòu)造.北京：清華大學(xué)出版社，2004，238～240.

8Jean-JeacquesE.Soltine，Applied nonlinedcontrol.Massachusetts，Prentice Hall，1991.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年6月20日。

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《汽車技術(shù)》雜志編輯部

Precise Tracking Control of AMT Electric Shift Actuator

Shen Ye1，Wu Guangqiang1，2，Luo Xianyin1
（1.Tongji University;2.Institute of Industrial Science，the University of Tokyo）

Structure and operating principle of AMT shifting actuator are described in the paper.After analysis and modeling of the shifting actuator in the AMT，a non-linear system sliding mode controller of the gearshift motor is constructed based on the control principle of variable structure sliding mode，which enables the controlled motor to have high precision tracking quality and strong anti-jamming capability.The stimulation of the ideal motion curve tracking control of upshifting from gear 2 to gear 3 shows that the sliding mode control has higher precision，faster response speed and better anti-jamming capability compared with PID control tracking，it not only improves the shifting quality，but also prolongs the service life of the synchronizers.

AMT,Shifting actuator,Motor,Sliding mode control

AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)滑?？刂?/p>

U463.212

：A

：1000-3703(2014)01-0024-05