增程式電動校車兩擋變速箱換擋過程電機協(xié)調(diào)控制仿真

劉曉宇，張 強，朱正龍，汪玉蘭

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

增程式電動校車兩擋變速箱換擋過程電機協(xié)調(diào)控制仿真

劉曉宇，張 強，朱正龍，汪玉蘭

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

介紹了裝有組合式液壓離合器/制動器的增程式電動客車換擋過程電機協(xié)調(diào)控制邏輯。在AMEsim平臺上建立了動力總成模型，在MATLAB/Simulink和MATLAB/Stateflow平臺上建立了控制模型，通過AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真，以換擋沖擊度和離合器滑磨功最優(yōu)為目標，在換擋離合器和制動器都不結(jié)合時，對電機輸出轉(zhuǎn)矩進行PI調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，所建立的仿真模型能夠?qū)υ龀淌诫妱涌蛙嚨膿Q擋過程協(xié)調(diào)控制進行模擬，所采用的協(xié)調(diào)控制邏輯能有效減小換擋沖擊度和滑磨功，提高了換擋品質(zhì)。

電動校車；換擋過程；協(xié)調(diào)控制；換擋品質(zhì)

由于機械式自動變速器（AMT）具有體積小、成本低、傳動效率高、繼承性好等優(yōu)點，目前被電動汽車普遍采用[1,2]。然而AMT變速箱普遍存在調(diào)擋、掛擋困難以及換擋控制重復(fù)標定等一系列問題，采用行星傳動兩擋自動變速箱并配備組合式濕式離合器/制動器換擋，可以有效解決AMT變速箱的上述問題，實現(xiàn)柔性換擋，高擋時獲得很高的傳動效率，具有良好的應(yīng)用前景。

各國汽車工業(yè)始終把車輛的動力性、經(jīng)濟性和舒適性作為自己追求的目標。隨著汽車技術(shù)和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對車輛的舒適性提出了更高要求。換擋品質(zhì)是影響車輛舒適性的重要因素，提高換擋品質(zhì)不僅需要對自動變速器的換擋執(zhí)行機構(gòu)采取精確控制，而且還需要對電機進行有效的協(xié)調(diào)控制[3,4]。本文對裝有組合式濕式離合器/制動器的兩擋變速器的換擋過程電機協(xié)調(diào)控制策略進行了仿真研究。

1 換擋品質(zhì)評價方法

1.1 換擋品質(zhì)主觀評價

換擋品質(zhì)主觀評價是由人的主觀感受來直接體現(xiàn)，通常是依靠駕駛員或乘客對換擋過程汽車舒適性來打分，利用統(tǒng)計分析的方法對汽車換擋品質(zhì)作綜合評價[5]。主觀評價是駕駛員或乘客對換擋品質(zhì)好壞的直接感受，是換擋品質(zhì)評價的一種重要方法，然而，由于主觀感受因人而異，因此主觀評價具有很大的主觀性和隨機性。

1.2 換擋品質(zhì)客觀評價

針對換擋品質(zhì)主觀評價的不足，出現(xiàn)了客觀評價。目前，客觀評價指標有沖擊度、換擋時間和滑摩功。

沖擊度是換擋平順性的直接體現(xiàn)，其大小等于車輛縱向加速度的變化率，是換擋品質(zhì)的重要評價指標。德國推薦的最大沖擊度為我國推薦的最大沖擊度為

由式（1）可以看出，沖擊度是由變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩存在波動造成的，其大小與輸出軸轉(zhuǎn)矩的變化率成正比。

使用沖擊度作為換擋品質(zhì)評價指標，不僅可以避免道路條件和駕駛員等非換擋因素的影響，更能真實反映換擋時變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩的擾動情況，這與駕駛員和乘客的主觀感受一致。換擋時應(yīng)盡量使沖擊度較小，以確保汽車平穩(wěn)換擋，提高汽車的乘坐舒適性。

（3）滑摩功WC

滑摩功WC與離合器的使用壽命有關(guān)，其表達式為[7]：

式中，ton為換擋開始時間，s；toff為換擋結(jié)束時間，s；TC為離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩為離合器主動片的角速度為離合器從動片的角速度，rad/s。

在離合器結(jié)合階段，換擋前后產(chǎn)生的離合器主、從動部分的轉(zhuǎn)速差是靠離合器的滑摩來消除的，而滑摩產(chǎn)生的熱能會使摩擦片溫度升高，加劇摩擦片的磨損。為提高離合器的使用壽命，應(yīng)盡量減小滑摩功WC。

2 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的自動變速器采用行星齒輪式變速器，使用組合式液壓離合器/制動器換擋方式來進行換擋。如圖1所示，電機-兩擋行星變速驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、單行星排和組合式液壓離合器/制動器及其換擋操控液壓系統(tǒng)組成。

圖1 變速器結(jié)構(gòu)

驅(qū)動電機與行星排太陽輪相連，通過組合式離合器/制動器控制實現(xiàn)齒圈制動和行星排整體回轉(zhuǎn)。組合式離合器/制動器控制共用一個油缸和壓力控制閥，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)離合器、制動器聯(lián)動控制。其中制動器結(jié)合過程控制，通過壓力控制閥增大油壓力，作用在活塞上，活塞克服彈簧力移動，使離合器分離，隨著油壓進一步增加，制動器摩擦片結(jié)合，并保持一定壓力實現(xiàn)低擋運行；離合器結(jié)合過程控制，通過降低油壓，活塞在彈簧恢復(fù)力作用下移動，制動器分離，油壓進一步降低，離合器摩擦片結(jié)合，由壓縮彈簧恢復(fù)力實現(xiàn)高擋運行。單行星排整體回轉(zhuǎn)具有較高的傳動效率，同時也減少了變速器高擋運行時液力操控系統(tǒng)的功率損失。

3 換擋過程電機轉(zhuǎn)矩PI控制

變速器傳統(tǒng)換擋過程為了保持車輛行駛動力不中斷，前一擋位的離合器還沒有完全分離時，后一擋位的離合器就開始結(jié)合，這種換擋方式如果控制不好，很容易出現(xiàn)“掛雙擋”現(xiàn)象，而且換擋前后造成的轉(zhuǎn)速差靠離合器的滑磨來消除，使離合器的滑磨功很大。本文所研究的變速器在換擋過程中存在離合器和制動器都不結(jié)合的情況，避免了“掛雙擋”現(xiàn)象，此時對電機轉(zhuǎn)矩進行PI調(diào)節(jié)，以使離合器/制動器主、從動部分轉(zhuǎn)速同步，減小離合器/制動器的滑磨功。

圖2電機轉(zhuǎn)矩PI控制原理

4 模型建立

變速器是一個包括控制、機械、液壓的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是變速器中的濕式離合器很難在MATLAB等相關(guān)軟件中建立精確的模型，而AMESim軟件具有強大的液壓系統(tǒng)和動力傳動系統(tǒng)建模功能，MATLAB/Simulink能夠很好地建立控制策略模型。因此，本文采用AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合建模仿真。

4.1 基于AMESim的變速器模型

圖3為AMESim軟件建立兩擋變速器的模型，該模型主要分為機械/液壓部分和控制部分，其中控制模型是在MATLAB/Simulink中建立的。

離合器液壓模型主要是通過電磁定比減壓閥來控制油壓，改變電磁定比減壓閥的電流信號，即可改變相應(yīng)的油壓曲線。動力輸入及控制模塊是 AMESim與MTALAB/Simulink之間的轉(zhuǎn)換接口，AMESim與MATLAB/Simulink兩個軟件就是通過此模

圖3 AMESim變速器模型

塊連接起來。整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

4.2 基于MATLAB/Simulink的換擋控制策略模型

圖4為變速器在MATLAB/Simulink中的控制策略模型，該模型主要包括換擋控制策略模塊和SFunction模塊。其中S-Function模塊是由AMESim中的機械/液壓部分生成，換擋控制策略模型是在MATLAB/Stateflow中實現(xiàn)的。

圖4 MATLAB/Simulink控制策略模型

圖5為換擋過程控制策略模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括電機模型，其模型為簡單的查表方式。MATLAB/ Stateflow模塊用于換擋過程控制，在換擋過程中擋位切換和換擋過程控制都能在 MATLAB/Stateflow中順利實現(xiàn)。

圖5 控制策略模型

MATLAB/Stateflow中具體的換擋流程如圖6所示。

圖6 換擋過程策略

5 仿真分析

本文針對裝有組合式離合器/制動器變速器的增程式電動校車換擋過程進行仿真研究。升擋采用70%油門開度下原地起步加速升擋，降擋采用70%油門開度下在20%坡度上行駛的減速降擋，并在相同條件下分別使用了有PI調(diào)節(jié)換擋和無PI調(diào)節(jié)換擋兩種換擋策略。圖7~9分別為換擋過程中電機轉(zhuǎn)矩、變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速和換擋沖擊度的仿真結(jié)果。

由圖7可以看出，無PI調(diào)節(jié)換擋電機恢復(fù)轉(zhuǎn)矩的時間向后推移，這是由于無PI調(diào)節(jié)換擋前后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差需要離合器/制動器的滑磨來消除。

圖7 電機轉(zhuǎn)矩

由圖8可以看出，有PI調(diào)節(jié)換擋在整個換擋過程中變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩變化平穩(wěn)；無PI調(diào)節(jié)換擋由于在換擋過程中使用離合器/制動器滑磨來消除換擋前后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差，變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動，特別是在降擋過程中，變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩更是由負值突變?yōu)檎怠?/p>

圖8 變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩

由圖9可以看出，有PI調(diào)節(jié)換擋的沖擊度峰值絕對值為16m/s3，無PI調(diào)節(jié)換擋的沖擊度峰值絕對值為107m/s3。由此可知，有PI調(diào)節(jié)換擋沖擊度峰值絕對值小于無PI調(diào)節(jié)換擋沖擊度峰值絕對值，且達到我國推薦的17.64m/s3，較好地提高了車輛的平順性。

圖9 換擋沖擊度

由仿真計算得到：有PI調(diào)節(jié)換擋升擋過程滑磨功為238J，降擋過程滑磨功為176J；無PI調(diào)節(jié)換擋升擋過程滑磨功為 2.52kJ，降擋過程滑磨功為2.14kJ。由此可知，有PI調(diào)節(jié)換擋的滑磨功遠小于無PI調(diào)節(jié)換擋的滑磨功，這大大提高了離合器和制動器的使用壽命。

5 結(jié)論

（1）對組合式液壓離合器/制動器的增程式電動客車換擋過程電機協(xié)調(diào)控制策略進行了研究。在AMESim和MATLAB/Simulink平臺上建立了系統(tǒng)仿真模型，對換擋協(xié)調(diào)控制過程進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，所建立的仿真模型能夠?qū)Q擋動態(tài)過程及協(xié)調(diào)控制進行模擬，采用的換擋協(xié)調(diào)控制策略能使換擋過程順利完成。

（2）從仿真結(jié)果來看，換擋過程中在離合器和制動器都不結(jié)合時，相對于無PI調(diào)節(jié)換擋，有PI調(diào)節(jié)換擋在此時進行了電機協(xié)調(diào)控制，對離合器/制動器主、從動部分進行轉(zhuǎn)速同步，減小了變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩波動和離合器/制動器滑磨功，提高了車輛的換擋品質(zhì)。

[1]秦大同,周保華,胡明輝,等.兩擋電動汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2011,34(1):1-6.

[2]曹亞斌,梁海順.電控自動變速器換擋規(guī)律[J].交通運輸過程學(xué)報,2009,9(3):56-59.

[3]黃英,趙長祿,張付軍,等.車輛動力傳動一體化控制對換擋過程影響的試驗研究[J].汽車工程,2004,26(6):710-713.

[4]萬國強,黃英,張付軍,等.自動變速器升擋過程慣性相發(fā)動機協(xié)調(diào)控制[J].機械工程學(xué)報,2012,48(16):91-96.

[5]張濤.基于電液比例閥的大功率AT換檔品質(zhì)控制[D].北京:北京理工大學(xué),2012.

[6]張國勝.電控機械式自動變速器AMT換擋規(guī)律的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.

[7]張玲玲.純電動汽車AMT換擋過程控制策略研究[D].北京:北京理工大學(xué),2011.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

Simulation of Two-speed Gearbox Shifting Control for the Extended-electric School Bus

LIU Xiao-yu,ZHANG Qiang,ZHU Zheng-long,Wang Yu-lan
(College of Engineering and Technology,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China)

This paper presents a coordinated motor control logic of shift in a range-extended electric bus equipped with a combined hydraulic clutch and brake.The powertrain model is built in AMESim and the control model is built in MATLAB/Simulink and MATLAB/ Stateflow.In the united simulation using AMESim and MATLAB,the optimum of shift-impact and the clutch clip power is set to be the target,when the shift clutch and the brake are not attached,the motor output torque is regulated through a PI regulator.The simulation results show that the model simulates the shift process of the range-extended electric bus well and the shifting control strategy can effectively reduce shift impact and friction work,and improve shift quality.

electric vehicles;shifting process;coordination control;shift quality

U469.72

A

1009-3583（2017）-0100-04

2016-10-16

劉曉宇，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院助教，碩士。研究方向：電動汽車傳動系統(tǒng)。