基于正弦曲線的純電動(dòng)汽車兩擋AMT升降扭控制＊

鄧濤 鄧彪

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

主題詞：純電動(dòng)汽車 機(jī)械式自動(dòng)變速器 駕駛平順性 硬件在環(huán) 實(shí)車測(cè)試

1 前言

機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、燃油消耗量低、性價(jià)比高、工作可靠性強(qiáng)等優(yōu)良性能，在純電動(dòng)汽車上具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

車輛的換擋平順性是AMT換擋控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題，換擋品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響駕乘舒適性，甚至系統(tǒng)可靠性。在保證換擋時(shí)間的前提下，如何降低換擋沖擊度、提高駕駛平順性至關(guān)重要[2]。Yuch 等[3]研究電動(dòng)汽車無(wú)離合器AMT 的可行性并提出了相應(yīng)的控制方法。劉正偉等[4]采用基于模型參考的自適應(yīng)PID控制算法降低了換擋沖擊度。張志森等[5]研究主驅(qū)動(dòng)電機(jī)在換擋過(guò)程中的控制策略，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，驗(yàn)證了所提出的選換擋過(guò)程控制策略的可行性。以上研究都是針對(duì)整個(gè)換擋過(guò)程的控制策略，并沒(méi)有進(jìn)行換擋過(guò)程細(xì)化研究。同時(shí)，關(guān)于換擋過(guò)程中升降扭過(guò)程的研究更少，但換擋升降扭過(guò)程是決定沖擊度大小的關(guān)鍵因素，而沖擊度是駕駛平順性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

為了有效降低換擋過(guò)程中的沖擊度，本文提出基于正弦曲線的升降扭控制策略，針對(duì)純電動(dòng)汽車兩擋AMT 的變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）控制需求進(jìn)行TCU 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行相應(yīng)的模型在環(huán)（Model in the Loop，MIL）、軟件在環(huán)（Software in the Loop，SIL）、硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）和臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證控制策略的有效性，最后通過(guò)實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證該策略在降低換擋沖擊度中的有效性。

2 基于正弦波曲線的升降扭控制策略

純電動(dòng)汽車AMT 換擋控制主要包括5 個(gè)過(guò)程：降矩、摘擋、電機(jī)調(diào)速、掛擋和扭矩恢復(fù)[6]，具體控制流程如圖1所示。

圖1 換擋流程示意

2.1 降扭階段

降扭階段清除驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，保證換擋機(jī)構(gòu)平緩掛擋，沖擊度j可由縱向加速度變化率表示[7]：

式中，a為車輛的縱向加速度；v為車速；t為時(shí)間。

降扭階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出與車輪端存在動(dòng)力學(xué)關(guān)系，則沖擊度可表示為：

式中，ig為擋位速比；i0為主減速比；ηt為傳動(dòng)效率；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為整車質(zhì)量；r為車輪半徑；Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩。

降扭階段產(chǎn)生的沖擊度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩變化率成正比關(guān)系，因此，應(yīng)限制驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩變化率。另外，俯仰角變化幅度越大，則產(chǎn)生的換擋沖擊度越大，換擋平順性越差。

目前，AMT換擋升降扭過(guò)程采用直線升降扭控制，不能有效降低換擋沖擊度，本文基于正弦波函數(shù)形式控制扭矩變化率，在整個(gè)降扭過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)輸入當(dāng)前扭矩Tn、車速v和加速度a，以不同降扭步長(zhǎng)Tstep進(jìn)行扭矩清零。降扭過(guò)程進(jìn)行n（n的初始值為0）次降扭輸出目標(biāo)扭矩Ttar，且每次降低的扭矩為T(mén)red，同時(shí)采用二分法控制降扭變化率，達(dá)到曲線降扭的目的。

2.1.1 正常降扭階段

在發(fā)出換擋命令時(shí)，當(dāng)前扭矩Tn作為降扭初始值，通過(guò)當(dāng)前車速與加速度大小，以最小降扭步長(zhǎng)Tmin_step開(kāi)始降扭：

n=0時(shí)，有：

n＞0時(shí)，有：

2.1.2 加速降扭階段

判斷降扭過(guò)程中扭矩的變化速度，以及車速與加速度的變化，隨時(shí)調(diào)整降扭變化率：

式中，Tmax_step為最大降扭步長(zhǎng)。

式（5）滿足時(shí)，重新計(jì)算Tred：

2.1.3 減速降扭階段

當(dāng)Tstep≥Tmax_step，且n＞1時(shí)，輸出扭矩為：

2.1.4 扭矩正常階段

當(dāng)Tn≤Tred時(shí)，則進(jìn)入扭矩正常階段，按照以下形式進(jìn)行降扭：

通過(guò)以上算法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)Tn=Ttar時(shí)，完成降扭過(guò)程，同時(shí)，升扭過(guò)程也按照此算法進(jìn)行。

根據(jù)每個(gè)階段扭矩升降值的變化得到換擋過(guò)程中扭矩變化規(guī)律與換擋過(guò)程中車速與加速度的變化關(guān)系，以及不同油門(mén)踏板開(kāi)度k下升降扭矩步長(zhǎng)Tstep，如表1所示。在滿足換擋需求時(shí)，目標(biāo)扭矩與當(dāng)前油門(mén)踏板開(kāi)度下扭矩的差值與Tstep相乘，得到升降扭過(guò)程扭矩的變化梯度，該變化梯度按正弦曲線變化，如圖2所示。

表1 不同油門(mén)踏板開(kāi)度對(duì)應(yīng)的Tstep

2.2 仿真驗(yàn)證

根據(jù)以上升降扭控制算法搭建曲線升降扭模塊，并集成在換擋扭矩控制模塊中。扭矩控制模塊包含升扭模式、降扭模式、正常行車模式、扭矩跟隨模式、靜態(tài)掛擋模式、扭矩輸出為0模式以及不掛擋扭矩正常輸出模式，并通過(guò)仿真驗(yàn)證算法的可實(shí)施性，如圖3所示。

圖2 正弦曲線降扭曲線

圖3 曲線降扭仿真結(jié)果

由圖3 可知，在控制AMT 換擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在摘擋前按照正弦曲線降扭形式完成卸扭動(dòng)作。

根據(jù)該算法，以車速和加速度作為輸入，以多組Tn和Tstep進(jìn)行仿真，在不同車速與加速度下找到最優(yōu)的Tmax_step和Tred，從而獲取最優(yōu)的升降扭曲線。

3 TCU軟件開(kāi)發(fā)

為了驗(yàn)證該曲線降扭控制算法在實(shí)車上的可行性，將該算法集成至TCU 中。按照“V”型開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行TCU 軟件開(kāi)發(fā)，包括項(xiàng)目輸入、系統(tǒng)分析、軟件需求分析、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、單元測(cè)試（MIL、SIL）、集成測(cè)試、HIL 測(cè)試、臺(tái)架驗(yàn)證以及實(shí)車標(biāo)定等[8]。主要設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.1 TCU軟件設(shè)計(jì)分析

TCU設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖識(shí)別、擋位位置自學(xué)習(xí)、坡道識(shí)別、電機(jī)調(diào)速、換擋過(guò)程協(xié)調(diào)控制、故障診斷和標(biāo)定等功能。根據(jù)TCU 軟件的功能需求，搭建TCU控制架構(gòu)如圖5所示。

3.2 單元測(cè)試與集成測(cè)試

單元測(cè)試可驗(yàn)證控制系統(tǒng)模型各子模塊的功能邏輯，集成測(cè)試是將各子模塊集成后按照既定的控制需求運(yùn)行，并確保各子模塊功能正常運(yùn)行[9]。建立測(cè)試環(huán)境，輸入測(cè)試用例，設(shè)定模塊的參數(shù)值，將實(shí)際輸出值與期望值進(jìn)行對(duì)比，生成相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告，檢驗(yàn)覆蓋度。換擋控制模塊的MIL測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖4 設(shè)計(jì)流程示意

圖5 TCU架構(gòu)

表2 MIL測(cè)試結(jié)果 %

SIL 測(cè)試采用與MIL 相同的測(cè)試用例，測(cè)試結(jié)果表明，代碼與控制模型功能一致。

3.3 HIL測(cè)試

通過(guò)MATLAB/Simulink/NI VeriStand、TCU 控制器以及Test Base聯(lián)合搭建HIL[10]測(cè)試平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 HIL測(cè)試環(huán)境

根據(jù)TCU功能需求編寫(xiě)測(cè)試用例，根據(jù)整車狀態(tài)、不同擋位以及當(dāng)前擋位位置等對(duì)換擋電機(jī)控制策略、換擋撥叉位置、換擋故障診斷、換擋模式等進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，并且根據(jù)期望輸出擋位Gh與實(shí)際輸出擋位Gt值，以及相應(yīng)的故障代碼Ce驗(yàn)證各控制模塊的可行性，結(jié)果如表3所示。其中，Ce=4表示傳感器故障，Ce=7～11分別表示VCU掉線、MCU掉線、過(guò)壓故障、低壓故障和換擋超時(shí)故障。

表3 HIL測(cè)試結(jié)果

將曲線升降扭控制策略加載至整個(gè)TCU 控制平臺(tái)進(jìn)行HIL 仿真，驗(yàn)證曲線升降扭控制策略的功能性，如圖7所示。在換擋時(shí)，電機(jī)扭矩按照曲線降扭形式進(jìn)行卸扭，且換擋時(shí)間為500～700 ms，滿足需求，說(shuō)明該控制策略可以有效地應(yīng)用在整個(gè)TCU控制系統(tǒng)中。

3.4 臺(tái)架測(cè)試

搭建TCU 測(cè)試臺(tái)架，如圖8 所示，將測(cè)試通過(guò)的TCU 控制程序下載到TCU 中，并對(duì)換擋電機(jī)、電機(jī)調(diào)速、擋位位置、換擋力和換擋各行程等進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證兩擋AMT選換擋機(jī)構(gòu)位置及換擋功能[11]。

圖7 曲線升降扭HIL仿真驗(yàn)證

圖8 臺(tái)架測(cè)試

在臺(tái)架測(cè)試過(guò)程中，首先通過(guò)INCA 標(biāo)定軟件進(jìn)行手動(dòng)換擋控制，調(diào)整脈沖寬度，驅(qū)動(dòng)換擋電機(jī)換擋，觀測(cè)此時(shí)換擋電機(jī)狀態(tài)，并進(jìn)行換擋電機(jī)調(diào)速標(biāo)定，根據(jù)控制邏輯，標(biāo)定各擋換擋撥叉位置。換擋速度決定了AMT 換擋機(jī)構(gòu)對(duì)換擋力需求。相同工況下，換擋力越大，電機(jī)功率越大，對(duì)應(yīng)耗能大，從而換擋電機(jī)和換擋機(jī)構(gòu)增大，導(dǎo)致車輛的耗能增大，因此換擋力較小為好。對(duì)應(yīng)的換擋行程即換擋撥叉運(yùn)動(dòng)行程，換擋電機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 換擋電機(jī)測(cè)試結(jié)果

4 實(shí)車標(biāo)定

4.1 搭建實(shí)車測(cè)試平臺(tái)

將上述通過(guò)測(cè)試的TCU 程序加載到控制器，搭載實(shí)車測(cè)試平臺(tái)，如圖10 所示。在相同的油門(mén)踏板開(kāi)度下，對(duì)比原有的直線升降扭控制和本文提出的基于正弦曲線的升降扭控制策略，分析俯仰角的變化幅度，驗(yàn)證本文提出的控制策略的可行性和有效性。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.2 路試數(shù)據(jù)分析

相同路況下測(cè)試多組不同油門(mén)踏板開(kāi)度下?lián)Q擋過(guò)程中直線升降扭和正弦曲線升降扭（下文統(tǒng)稱曲線升降扭）對(duì)應(yīng)的俯仰角變化程度。利用加速度傳感器和行車記錄儀記錄換擋時(shí)加速度a、加速度變化率a′以及俯仰角θ的變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同油門(mén)踏板開(kāi)度下俯仰角變化

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，得到直線降扭控制與曲線降扭控制對(duì)應(yīng)的換擋時(shí)間t、俯仰角θ和加速度變化率a′如表4所示。由表4可知，在相同油門(mén)踏板開(kāi)度下，加速度變化率幾乎一致，曲線升降扭控制下的汽車俯仰角的變化范圍小于直線降扭控制，且兩種控制策略下對(duì)應(yīng)的換擋時(shí)間均為500～700 ms，說(shuō)明在保證換擋時(shí)間的前提下，本文提出的曲線升降扭控制可以有效降低換擋沖擊，提升換擋平順性。

表4 數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于正弦波的曲線升降扭控制策略，根據(jù)控制需求搭建TCU 控制系統(tǒng)，建立仿真模型，并進(jìn)行相應(yīng)的MIL/SIL/HIL 測(cè)試，驗(yàn)證了TCU 控制模型的有效性和該換擋控制策略的可行性。通過(guò)臺(tái)架標(biāo)定實(shí)現(xiàn)了TCU 的相應(yīng)功能。結(jié)果表明，在相同油門(mén)踏板開(kāi)度下，直線升降扭控制與基于正弦曲線升降扭控制的加速度變化率一致，且對(duì)應(yīng)的換擋時(shí)間相同，但基于正弦曲線升降扭控制可以有效減弱俯仰角變化，減小換擋沖擊度，提高換擋平順性。