純電動(dòng)汽車AMT換擋時(shí)間和沖擊優(yōu)化控制策略

郭學(xué)茂， 吳 斌， 李天琨， 陳存璽， 任 景

(北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

當(dāng)前世界能源形勢(shì)緊張，環(huán)境問題日益突出，電動(dòng)汽車取代內(nèi)燃機(jī)汽車成為發(fā)展趨勢(shì)[1].美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)都十分重視汽車的電動(dòng)化，因此,無論是政策上還是技術(shù)上電動(dòng)汽車都更具優(yōu)勢(shì)[2].為了使電機(jī)的力矩特性更加適合汽車需求，需要配備變速器[3].而追求汽車的舒適性、操縱便捷性，自動(dòng)變速器是發(fā)展的必然趨勢(shì).AMT相較于其他自動(dòng)變速器(CVT、DCT、AT)具有效率高、體積小、重量輕和成本低等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)使用較多[1,4-5].文獻(xiàn)[1]采用PD算法控制多擋換擋電機(jī).文獻(xiàn)[3]提出了整車控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與換擋過程的綜合協(xié)調(diào)匹配控制方法.文獻(xiàn)[5]對(duì)AMT換擋可靠性進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[6]利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器和AMT控制器的協(xié)調(diào)控制.總的來說，目前AMT的研究多集中于整體策略的研究，沒有對(duì)換擋過程的具體優(yōu)化；多利用較為復(fù)雜的PD控制，而非PWM控制技術(shù)；并且集中在貨車和大客車等舒適性要求較低的車輛，而對(duì)于舒適性要求高的小客車而言，降低換擋時(shí)間和沖擊顯得尤為重要.

文中通過對(duì)純電動(dòng)汽車AMT換擋過程進(jìn)行研究，提出換擋電機(jī)與動(dòng)力電機(jī)相互配合的協(xié)同換擋策略和PWM分段控制策略，降低了換擋時(shí)間和沖擊.首先分析了換擋各階段同步器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后從理論上和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)沖擊進(jìn)行分析驗(yàn)證，最后進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種策略可有效降低沖擊并減少換擋時(shí)間.

1 換擋機(jī)構(gòu)與過程

1.1 換擋機(jī)構(gòu)

選用有刷直流電機(jī)作為換擋電機(jī).相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜，且存在失步現(xiàn)象，直流電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速性能好、體積小、能耗低、精度高，適合換擋電機(jī)小功率快反應(yīng)的要求.與無刷直流電機(jī)比較，有刷直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低.

絲杠和撥叉是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu).隨著換擋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠中的滑塊會(huì)做直線運(yùn)動(dòng).滑塊的運(yùn)動(dòng)受到搖臂的阻礙從而產(chǎn)生軸向力，使換擋搖臂繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，由于搖臂的另一端在換擋撥叉軸的凹槽內(nèi)，而撥叉軸只能在固定槽內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng)，因此換擋電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)變?yōu)閾懿孑S的直線運(yùn)動(dòng)，撥叉軸進(jìn)一步帶動(dòng)嚙齒套作直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)變速器的換擋.換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示[7].

通過控制電機(jī)控制撥叉運(yùn)動(dòng)速度與位置間接控制同步器.

圖1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.2 換擋過程

沖擊主要產(chǎn)生于掛擋階段，下面我們對(duì)掛擋過程中同步器(慣性鎖環(huán)式)行為分階段進(jìn)行分析.

(1)預(yù)同步階段

在預(yù)同步階段，掛入高擋與掛入低擋稍有不同，但在原理上基本一致，下面以掛入高擋為例介紹預(yù)同步階段工作過程.當(dāng)接合套在空擋位置時(shí)，滑塊與同步環(huán)存在一定的間隙.同步環(huán)由花鍵轂帶著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)開始換擋時(shí)，接合套開始軸向移動(dòng)，消除了滑塊與同步環(huán)之間的間隙之后，會(huì)推動(dòng)同步環(huán)開始軸向移動(dòng)，同步環(huán)內(nèi)錐面與接合齒圈錐面開始接觸.

(2)同步鎖止階段

在軸向力的作用下，接合套將同步環(huán)緊緊地壓在接合齒圈上，二者摩擦錐面間產(chǎn)生的摩擦力矩也越來越大.直到同步環(huán)與接合齒圈的轉(zhuǎn)速差為零.由于鎖止面上鎖止角存在，鎖止面上會(huì)產(chǎn)生切向的分力，這個(gè)分力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)撥環(huán)力矩.

(3)撥環(huán)階段

當(dāng)同步鎖止階段結(jié)束后，同步環(huán)與接合齒圈的轉(zhuǎn)速差為零，二者摩擦錐面間沒有了相對(duì)滑動(dòng)，所產(chǎn)生的摩擦力矩就會(huì)逐漸降低并小于撥環(huán)力矩.撥環(huán)力矩就會(huì)使同步環(huán)相對(duì)于接合套轉(zhuǎn)過一定角度.接合套就會(huì)繼續(xù)向接合齒圈軸向移動(dòng).

(4)嚙合階段

在撥環(huán)階段結(jié)束后，接合套會(huì)在軸向力的作用下繼續(xù)軸向運(yùn)動(dòng)并通過同步環(huán).在通過同步環(huán)之后，接合套就會(huì)與接合齒圈進(jìn)行嚙合.

2 換擋沖擊分析

2.1 理論分析

由第一部分換擋過程分析知掛擋時(shí)的沖擊主要產(chǎn)生于同步鎖止和撥環(huán)階段.沖量是力的時(shí)間累積效應(yīng)的量度，用沖量來表示沖擊會(huì)比單純用作用力來衡量更加合適，沖量計(jì)算公式如下：

Ft=mv2-mv1=m(v2-v1)=mΔv.

(1)

同步器質(zhì)量不變，因此，掛擋時(shí)速度降Δv越小沖擊越小.

2.2 Adams仿真驗(yàn)證

分析慣性鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)并用Solidworks建立三維模型，然后導(dǎo)入Adams軟件.在Adams環(huán)境中設(shè)置常用單位、同步器的各個(gè)構(gòu)件的屬性與換擋力函數(shù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真.Adams的同步器仿真模型如圖2所示.

圖2 Adams的同步器仿真模型

2.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 Adams仿真結(jié)果

上圖是一個(gè)降擋的仿真結(jié)果，描述了部件隨時(shí)間的狀態(tài)變化.點(diǎn)劃線表示接合套位移，實(shí)線表示接合齒圈角速度，虛線表示花鍵轂角速度.左側(cè)主坐標(biāo)軸是角速度，右側(cè)副坐標(biāo)軸是位移.接合齒圈速度會(huì)有一個(gè)突變(圖中實(shí)線突變處)這就是換擋沖擊.這個(gè)沖擊可大可小，跟掛擋時(shí)齒輪接合時(shí)機(jī)有關(guān).可以通過降低接合時(shí)刻的接合套速度減小沖擊.

3 雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制與分段PWM結(jié)合

3.1 雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制

由于沒有離合器，因此動(dòng)力中斷依賴于驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式轉(zhuǎn)換.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的3種工作模式：自由模式；調(diào)速模式；力矩模式.換擋電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化控制時(shí)，換擋電機(jī)控制器(TCU)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(MCU)在整車控制器(VCU)的協(xié)調(diào)控制下完成換擋[6].正常行駛工況下，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在力矩模式下，此時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與加速踏板成正比；在換擋期間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)首先降矩轉(zhuǎn)換為自由模式，接著換擋電機(jī)可以輕易地摘擋，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入調(diào)速模式，達(dá)到合適的轉(zhuǎn)速差時(shí)掛擋，緊接著驅(qū)動(dòng)電機(jī)升矩進(jìn)入力矩模式汽車正常行駛.換擋過程與電機(jī)模式關(guān)系如表1所示.

表1 換擋過程與電機(jī)模式關(guān)系

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩由傳動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)由CAN總線發(fā)出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作模式由傳動(dòng)控制系統(tǒng)控制.控制流程圖如圖4所示.

圖4 兩擋AMT換擋策略

3.2 分段PWM

PWM技術(shù)是以固定的頻率開關(guān)恒壓源，相比較于PID, PWM具有響應(yīng)快、效率高、調(diào)速范圍寬、使用元件少、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合于換擋這種持續(xù)時(shí)間短，速度精度要求相對(duì)較低的情況，因此采用改變PWM的方式來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度.

分三段PWM有利于控制電機(jī)速度的變化.換擋電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化控制策略與分段PWM的換擋電機(jī)控制方式結(jié)合理論上是可以降低沖擊的.緊接著建立Simulink/Stateflow控制模型對(duì)PWM進(jìn)行標(biāo)定并試驗(yàn)驗(yàn)證.

4 臺(tái)架試驗(yàn)與標(biāo)定

4.1 臺(tái)架結(jié)構(gòu)

臺(tái)架主要由變速箱、控制電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制單元以及電池組和飛輪構(gòu)成，如圖5所示.

圖5 AMT臺(tái)架示意圖

4.2 建立Simulink/Stateflow控制模型

傳感器，控制器(TCU, MCU)連同dSPACE和計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成一個(gè)開環(huán)系統(tǒng).根據(jù)換擋邏輯和控制策略建立Simulink/Stateflow控制模型并編譯刷寫到CPU中，利用Meca進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定.

4.3 PWM分段標(biāo)定

依據(jù)前面的沖擊分析，要盡量降低齒輪接合時(shí)的速度以減小沖擊，同時(shí)要減小換擋時(shí)間.于是想出不同時(shí)刻用不同的PWM值，而不是從始至終用一個(gè)值.優(yōu)化前掛擋PWM恒為0.8，優(yōu)化后PWM分為3段，分別為1、0.5、1.

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上面的試驗(yàn)條件得到優(yōu)化前后換擋過程如圖6所示.

圖6 優(yōu)化前后換擋過程

峰值速度出現(xiàn)的位置是接合套接觸接合齒圈時(shí)的速度，此時(shí),速度越大,沖擊越大，對(duì)同步器的損傷越大.

從圖中取沖擊前后兩個(gè)速度極值點(diǎn)進(jìn)行沖量分析，設(shè)同步器質(zhì)量為m0.

(1)優(yōu)化前(0.631，253.5),(0.645，39.0)

Ft1=mΔv=m0(253.5-39.0)=214.5m0.

(2)

優(yōu)化后(0.618，172.8),(0.624，12.8)

Ft2=mΔv=m0(172.8-12.8)=160.0m0.

(3)

降輻

(4)

(2)優(yōu)化前換擋時(shí)間

Δt1=0.700-0.316=0.384(s).

(5)

優(yōu)化后

Δt2=0.668-0.381=0.287(s).

(6)

降幅

(7)

通過臺(tái)架試驗(yàn)證明利用協(xié)同控制和分段PWM的控制可以有效降低換擋時(shí)間的換擋沖擊.中間一段減小了PWM,一定程度上增加了換擋時(shí)間，總時(shí)間卻減少了.事實(shí)上，同步器齒形結(jié)構(gòu)決定了齒輪結(jié)合時(shí)有順齒和逆齒兩種情況，順齒可直接掛擋，幾乎沒有沖擊，但遇上逆齒，會(huì)造成接合套反彈，大大降低了換擋效率.所以，恒PWM換擋在一定概率上時(shí)間很短，不過綜合沖擊、時(shí)間和同步器壽命來考慮，PWM分段控制為最優(yōu)策略，結(jié)合電機(jī)工作模式的切換，有效提高了換擋效率.分為三段而不是兩段或四段是由于沖擊在換擋過程中部出現(xiàn)，三段正合適，少了會(huì)使時(shí)間增加，再多徒增控制的復(fù)雜性，降低換擋效率.

5 結(jié) 論

1)PWM分段控制與雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略結(jié)合可以有效降低換擋時(shí)間和沖擊，延長(zhǎng)同步器使用壽命.

2)這種方法具有普遍性，由于同步器材料和齒形的差異，結(jié)合仿真速度變化圖略微標(biāo)定修改PWM值即可達(dá)到不錯(cuò)的效果.