兩擋AMT無動(dòng)力中斷換擋協(xié)調(diào)控制研究

王明 盛繼新 丁飛 張邦基 文桂林 張農(nóng)

摘? ?要：針對(duì)一種純電動(dòng)汽車用離合器后置式二擋機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT），提出將同步器布置于變速器第二軸的方案，通過離合器和同步器的切換控制實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋.為使換擋過程中變速器輸出扭矩變化平順，綜合考慮沖擊度與滑摩功等換擋性能指標(biāo)，針對(duì)換擋過程的不同階段，采用相應(yīng)的換擋協(xié)調(diào)控制策略：扭矩相時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩保持不變，同時(shí)協(xié)調(diào)控制離合器扭矩;慣性相時(shí)分別采用PID、自適應(yīng)模糊PID控制電機(jī)扭矩使離合器轉(zhuǎn)速差跟蹤目標(biāo)軌跡.基于Matlab/Simulink建立整車縱向動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn).結(jié)果表明：所制定的換擋協(xié)調(diào)控制策略是有效的，相較于慣性相時(shí)采用PID控制離合器轉(zhuǎn)速差，采用自適應(yīng)模糊PID控制能有效改善換擋品質(zhì)，換擋過程中最大沖擊度和滑摩損失都有所減小，變速器輸出扭矩變化平順無動(dòng)力中斷，整車舒適性有較大提高.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;AMT;換擋;無動(dòng)力中斷;自適應(yīng)模糊PID控制;協(xié)調(diào)控制

中圖分類號(hào)：TH132.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Coordinated Control Strategy for

Seamless Gear Shifting of Two-speed AMT

WANG Ming1，SHENG Jixin2，DING Fei1， ZHANG Bangji1？覮，WEN Guilin1，ZHANG Nong1

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，

Hunan University，Changsha 410082，China;

2. SAIC Volkswagen Automotive Co Ltd，Shanghai 201805，China）

Abstract： For an Automated Manual Transmission （AMT） with clutch inversed for the pure electric vehicle， this paper presented a program that the synchronizer of the AMT was located on the second axis. The seamless gear shifting can be obtained by switching the clutch to the synchronizer. In order to make the output torque of gearbox change smoothly， addressing the vehicle jerk and friction work as the shift performance indexes， different coordinated control strategies were adopted for different stages during shifting： the motor torque remained unchanged in the torque phase， and the clutch torque was controlled coordinately; the speed difference of the clutch was controlled following the target trajectory by motor speed controlled by PID and adaptive fuzzy PID method in the inertial phase. The dynamic model of MATLAB / Simulink was established and simulated， which showed the feasibility and effectiveness of the coordinated control strategy for gear shifting. Compared with the traditional PID controller applied in the inertial phase， the adaptive fuzzy PID controller can effectively improve the shift quality， the max jerk during gear shift and the friction work decreased， the output torque of the transmission changed seamlessly without power interruption， and the comfort of the vehicle was significantly improved.

Key words：electric vehicles;Automated Manual Transmission （AMT）; seamless gear shifting;adaptive fuzzy PID control;coordinate control

目前純電動(dòng)汽車多采用電機(jī)加減速器的直驅(qū)模式，雖然這種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)成本低，但是存在以下缺點(diǎn)：電機(jī)本身的特性無法兼顧車輛低速和高速時(shí)的動(dòng)力性能;電機(jī)整體運(yùn)行效率不高，因?yàn)殡姍C(jī)效率曲線隨扭矩和轉(zhuǎn)速變化.研究表明[1]：將兩擋或多擋變速器應(yīng)用于純電動(dòng)汽車能有效提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率進(jìn)而增加純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程.因而，純電動(dòng)汽車用變速器的研究越來越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視.

傳統(tǒng)AMT在換擋過程中始終存在動(dòng)力中斷問題[2]，影響整車舒適性.鐘再敏[3]、Walker等[4]進(jìn)行了汽車AMT無離合器換擋控制研究，能顯著提高換擋舒適性，但未能解決動(dòng)力中斷問題. 葉杰等[5]通過開關(guān)原件（單向離合器）和摩擦式離合器的組合實(shí)現(xiàn)兩擋變速器無動(dòng)力中斷換擋. 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者以DCT為對(duì)象通過離合器切換進(jìn)行無動(dòng)力中斷換擋控制研究，其中離合器的切換控制關(guān)鍵在于精確估計(jì)離合器扭矩[6]和扭矩觀測(cè)器的設(shè)計(jì)[7]. 李軍求等[8]以兩擋行星齒輪變速器為對(duì)象，利用線性二次型最優(yōu)控制策略實(shí)現(xiàn)了換擋過程中離合器的切換控制.田陽(yáng)等[9]基于兩擋行星齒輪式自動(dòng)變速器，通過兩個(gè)制動(dòng)器的切換可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋，并分析了三種不同的扭矩控制策略對(duì)換擋品質(zhì)的影響. 胡建軍等[10]分析了換擋過程不同階段換擋沖擊產(chǎn)生的機(jī)理，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證. Kuroiwa[11]和Galvagno等[12]研究了新型離合器后置扭矩輔助系統(tǒng)，并應(yīng)用于傳統(tǒng)車輛.高炳釗[13]分析了電動(dòng)車用離合器后置變速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無動(dòng)力中斷換擋，制定了換擋控制策略，慣性相階段采用了PID控制離合器轉(zhuǎn)速差，但對(duì)換擋過程中車輛沖擊度變化未做分析.

本文基于離合器后置式自動(dòng)變速系統(tǒng)，制定了換擋協(xié)調(diào)控制策略;扭矩相時(shí)協(xié)調(diào)控制電機(jī)扭矩和離合器扭矩;慣性相時(shí)，分別采用PID、自適應(yīng)模糊PID進(jìn)行電機(jī)扭矩控制使離合器轉(zhuǎn)速差按照最優(yōu)軌跡變化;最后對(duì)整個(gè)換擋過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模并仿真驗(yàn)證.

1? ?動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型

本文在文獻(xiàn)[13]中所提出的離合器后置式AMT的基礎(chǔ)上提出將同步器布置在變速器二軸.圖1為帶有離合器后置式AMT的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，動(dòng)力系統(tǒng)主要由電機(jī)、兩擋變速器以及一個(gè)后置離合器組成. 文獻(xiàn)[13]中AMT的同步器位于圖中所示的一軸上（方案一），本文構(gòu)型中同步器位于變速器二軸上（方案二），方案二能降低換擋時(shí)同步器兩側(cè)轉(zhuǎn)速差，進(jìn)而縮短換擋時(shí)間，減少同步器的磨損，分析過程如下.

方案一中同步器位于一軸，升擋和降擋時(shí)同步器兩側(cè)轉(zhuǎn)速差分別為：

Δω1up = ω0（1 - i2 /i1）? ? ? ? ? ? ? （1）

Δω1down = ω0（1 - i1 /i2）? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Δω1up、Δω1down分別為升擋和降擋時(shí)同步器兩側(cè)轉(zhuǎn)速差;ω0為輸入軸轉(zhuǎn)速;i1和i2分別為變速器一擋傳動(dòng)比和二擋傳動(dòng)比.

方案二升擋和降擋時(shí)同步器兩側(cè)轉(zhuǎn)速差相同，為：

Δω2 = ω0（1/i1 - 1 /i2）? ? ? ? ? ? ? （3）

參照車型變速器一擋和二擋傳動(dòng)比均大于1，由式（4）～（5）可知：本文將同步器布置在第二軸，可減少換擋過程中同步器兩側(cè)的轉(zhuǎn)速差，從而降低同步器同步過程中的滑摩損失和沖擊.

變速器換擋工作過程分為升擋和降擋.當(dāng)變速器控制器（TCU）接到升擋命令時(shí)，離合器逐漸接合，待同步器傳遞扭矩降為零時(shí)，同步器迅速分離. 當(dāng)同步器完全分離時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩經(jīng)一軸和離合器傳至二擋齒輪，隨后鎖止離合器，動(dòng)力平順傳遞至二軸，升擋過程結(jié)束. 降擋過程：在電機(jī)調(diào)速過程中，離合器逐漸分離，待離合器轉(zhuǎn)速差達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，同步器迅速結(jié)合，在同步器同步前，一軸始終通過二擋齒輪傳遞扭矩. 當(dāng)同步器結(jié)合后，動(dòng)力迅速經(jīng)同步器傳遞，此時(shí)離合器完全處于滑摩狀態(tài)，控制電機(jī)和離合器扭矩使離合器逐漸分離，待離合器完全分離時(shí)降擋過程結(jié)束.

2? ?動(dòng)力學(xué)建模

為了驗(yàn)證本文所提出構(gòu)型的動(dòng)力學(xué)性能和換擋控制策略，建立如圖2所示的動(dòng)力學(xué)模型，假定變速器中的齒輪和軸都為剛體，僅考慮電機(jī)輸出軸

和變速器輸出軸的彈性變形.定義：J1、J2、Jm分別為變速器一軸、二軸、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J1b、J2a、J3為1擋被動(dòng)齒輪、2擋主動(dòng)齒輪和離合器被驅(qū)動(dòng)盤、主減被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jv為包含整車質(zhì)量、車輪、半軸等在內(nèi)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量. K1、C1分別為電機(jī)輸出軸的剛度和阻尼;K2、C2分別為變速器輸出軸的等效剛度和等效阻尼.V分別為電機(jī)、一軸、二軸、變速器輸出軸的角加速度. Tm為電機(jī)扭矩;Tc、Ts分別為離合器、同步器傳遞扭矩;TL為變速器輸出軸阻力矩.

式中：Tm = f（αp，ωm），ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，αp為加速踏板開度，電機(jī)扭矩可以通過圖3所示電機(jī)MAP圖用查表方法獲取.

換擋過程中，離合器和同步器的扭矩協(xié)調(diào)控制通過離合器壓力控制實(shí)現(xiàn)，同步器起到開關(guān)作用，因此本文主要關(guān)注慣性相階段的速度同步過程，忽略同步過程中同步器的動(dòng)態(tài)特性，采用了如式（8）所示簡(jiǎn)化的同步器模型.

其中，F(xiàn)s = F0? ?Engaging0? ? Neutral

Fs為同步器摩擦錐面上的軸向力（換擋撥叉軸向力）;μD為工作錐面間的摩擦系數(shù);Rc為摩擦錐面平均半徑;β為摩擦錐面半錐角;F0為使同步器結(jié)合施加的軸向力[14].

當(dāng)離合器處于滑摩狀態(tài)時(shí)，即當(dāng)時(shí)? ?（離合器主、從動(dòng)盤速分別為），其傳遞扭矩為：

Tc = μc NRP? ?（9）

式中：R為摩擦片式離合器摩擦片的有效半徑;N為離合器的摩擦片數(shù);μc為離合器動(dòng)摩擦因數(shù);P為離合器壓盤壓力.

變速器輸出扭矩和為：

式中：M為整車質(zhì)量;g為重力加速度;α為路面坡度;ρ為空氣密度;Cd為空氣阻力系數(shù);f為地面滾動(dòng)摩擦系數(shù);rd為輪胎半徑.

本文主要以沖擊度和滑摩功兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)換擋品質(zhì).其中，

車輛沖擊度為：

式中，a（t）為車輛縱向加速度.

換擋過程中產(chǎn)生的離合器滑摩功為：

式中：t0，t2分別為換擋開始和結(jié)束時(shí)刻.

3? ?換擋控制策略

為了保證變速器輸出扭矩平順變化，提高換擋品質(zhì)，需精確控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、同步器和離合器傳遞扭矩，制定如圖4所示換擋控制策略.

當(dāng)處于升擋扭矩相時(shí)，保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩不變，同時(shí)控制離合器和同步器傳遞扭矩，使離合器逐漸結(jié)合;在升擋慣性相時(shí)，此時(shí)同步器已完全分離，采用自適應(yīng)模糊PID控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)使離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差跟隨參考軌跡.降擋過程與升擋過程相反，先進(jìn)入慣性相再進(jìn)入扭矩相.根據(jù)控制策略制定的控制流程如圖5所示.

3.1? ?扭矩相控制

當(dāng)處于升擋扭矩相時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩保持不變（即Tm = 常數(shù)），如圖4所示，同時(shí)由于換擋時(shí)間較短，認(rèn)為車輛的阻力矩保持不變. 此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)獨(dú)立變量，只要確定了Ts值，即可求出控制量離合器扭矩Tc.

控制目標(biāo)是：在給定的扭矩相時(shí)間內(nèi)，使Ts線性下降到0，則：

式中：t0為換擋開始時(shí)刻;t1為扭矩相結(jié)束時(shí)刻;T s，t0為t0時(shí)刻Ts值. 以上參數(shù)均為已知參數(shù).

降擋過程中離合器扭矩控制律推導(dǎo)過程可參照升擋過程.

3.2? ?慣性相控制

在同步器鎖止和離合器分離過程中會(huì)產(chǎn)生變速器輸出扭矩突變.換擋前后變速器傳動(dòng)比發(fā)生變化，換擋前后電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生突變. 為了避免換擋過程中變速器輸出扭矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生劇烈變化，離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差應(yīng)滿足以下要求[13]：1）t2 - t1不超過要求的換擋時(shí)間（t1、t2分別為升擋慣性相開始和結(jié)束時(shí)刻）;2）在t1、t2時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率為零;3）整個(gè)轉(zhuǎn)速差變化應(yīng)保持平順，調(diào)速過程中離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差參考軌跡曲線如圖6所示.

在電機(jī)調(diào)速的同時(shí)加大離合器的結(jié)合壓力，既可使離合器轉(zhuǎn)速同步時(shí)間縮短又可有效避免離合器因?yàn)殡姍C(jī)扭矩波動(dòng)導(dǎo)致離合器在滑摩和結(jié)合狀態(tài)之間來回切換.采用自適應(yīng)模糊PID控制電機(jī)調(diào)速，使離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差跟隨參考軌跡，其控制原理圖如圖7所示，其中dw為離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速差.

模糊自適應(yīng)PID控制能綜合規(guī)則預(yù)設(shè)定的先驗(yàn)數(shù)據(jù)在線整定PID各個(gè)參數(shù)，能充分發(fā)揮PID優(yōu)良的控制性能，具有較強(qiáng)抗干擾能力，從而取得較好的控制效果.

設(shè)定自適應(yīng)模糊PID控制中輸入量與輸出量的關(guān)系為：

式中：Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);ΔKp、 ΔKi、ΔKd是模糊控制的三個(gè)自適應(yīng)修正值.

模糊控制輸入量e和ec采用相同模糊成員函數(shù)，如圖8所示，輸出量 ΔKp、 ΔKi、ΔKd是采用如圖9所示成員函數(shù)，相應(yīng)的控制規(guī)則如表1、表2和表3所示，模糊語(yǔ)言變量為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，對(duì)應(yīng)的模糊子集為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，控制采用Mamdani推理法.

4? ?仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1? ?模型參數(shù)及仿真工況設(shè)定

為驗(yàn)證換擋控制策略的有效性，基于Matlab/ Simulink建立車輛傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)如表4所示.

為了保證整車仿真過程中車輛實(shí)現(xiàn)先升擋后降擋，設(shè)定如下仿真工況：以30%的加速踏板開度起步，變速器升擋完成后，逐漸將加速踏板開度在5 s時(shí)間內(nèi)線性下降至10%開度，然后以10%加速踏板開度繼續(xù)行駛，路面坡度為2.5%.

4.2? ?仿真試驗(yàn)結(jié)果

本文PID控制參數(shù)設(shè)定為：Kp = 210、Ki = 15、Kd = 10.升擋仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖11所示，PID-Ts、PID-Tc、PID-Tm、PID-To分別為采用PID控制的換擋過程中同步器、離合器、電機(jī)扭矩和變速器輸出扭矩.PID-ω1、PID-ω2、PID-ωm分別為采用PID控制的換擋過程的變速器一軸、變速器二軸、電機(jī)的轉(zhuǎn)速;帶有Fuzzy-PID 前綴的變量為采用自適應(yīng)模糊PID控制的仿真結(jié)果.PID-jerk、Fuzzy-PID-jerk分別為采用PID控制、自適應(yīng)模糊PID控制的換擋過程中的沖擊度.

10.00 s時(shí)升擋開始，換擋過程進(jìn)入扭矩相，電機(jī)扭矩保持不變，離合器逐漸接合，離合器傳遞扭矩逐漸增加，而同步器傳遞扭矩逐步減小，10.35 s時(shí)，Ts = 0，迅速摘下同步器，扭矩相結(jié)束并進(jìn)入慣性相.在慣性相時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)二擋對(duì)應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使離合器轉(zhuǎn)速差跟隨參考軌跡，同時(shí)離合器的結(jié)合壓力逐漸增大，Tc相應(yīng)增大，直到10.58 s時(shí)刻調(diào)速過程完成，在此期間離合器一直處于滑摩狀態(tài)直到10.69 s離合器完全結(jié)合，慣性相完成.整個(gè)升擋過程持續(xù)0.69 s，最大沖擊度發(fā)生在同步器分離時(shí)刻，但均小于5 m/s3. 整個(gè)升擋過程中變速器輸出扭矩均變化平順無突變，采用PID和自適應(yīng)模糊PID兩者控制結(jié)果基本保持一致，如圖11所示.

降擋過程仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，在25.58 s時(shí)，開始降擋并進(jìn)入慣性相，通過電機(jī)調(diào)速，使離合器轉(zhuǎn)速差跟隨參考軌跡，在25.81 s電機(jī)調(diào)速完成，同步器結(jié)合，慣性相結(jié)束并進(jìn)入扭矩相階段，離合器逐漸分離直至26.19 s時(shí)離合器完全脫開，此時(shí)扭矩相結(jié)束.整個(gè)升擋過程持續(xù)時(shí)間為0.61 s，最大沖擊度發(fā)生在掛擋的一瞬間，但均未超過5 m/s3. 降擋過程變速器輸出扭矩變化情況如圖13所示，相比較PID控制結(jié)果，采用自適應(yīng)模糊PID控制時(shí)變速器輸出扭矩（Fuzzy-PID-To）波動(dòng)更小，換擋時(shí)間縮短.