電動(dòng)汽車兩擋AMT擋位自適應(yīng)策略研究

陳尚松，唐正

株洲齒輪有限責(zé)任公司 湖南株洲 412000

電動(dòng)汽車在使用過程中不排放有害氣體，符合國家的節(jié)能環(huán)保要求，是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電控機(jī)械自動(dòng)變速器（AMT）是由普通的手動(dòng)變速器加裝一套換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制單元組建而成，電子控制單元通過采集車輛的節(jié)氣門、制動(dòng)等信號(hào)判斷駕駛?cè)说囊鈭D，從而達(dá)到自動(dòng)換擋的目的[1-4]。因此，換擋是否成功與換擋的舒適性如何，與擋位的位置是否精確密切相關(guān)。

在AMT系統(tǒng)中，從電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端到擋位撥叉執(zhí)行動(dòng)作有一系列的傳動(dòng)鏈，在傳動(dòng)過程中隨著誤差的疊加，執(zhí)行端的誤差越來越大，而且隨著使用的時(shí)間越來越長，各部件的間隙也越來越大，從而導(dǎo)致?lián)Q擋失敗，危及到安全駕駛[5]。本文研究了一套擋位自適應(yīng)控制系統(tǒng)，能夠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)得到各個(gè)擋位的精確位置，從而增加了系統(tǒng)的魯棒性，提升行車安全。

兩擋AMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

兩擋AMT與傳統(tǒng)車AMT相比，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)擋位，所以取消了選擋電動(dòng)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接集成在箱體里面，減少了整個(gè)箱體的質(zhì)量和體積。

圖1所示為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的示意圖。換擋機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力來自直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)采取脈寬調(diào)制的方式來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。與直流電動(dòng)機(jī)相連的為滾珠絲杠，絲杠上的螺母與絲杠通過滾珠相連，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高而扭矩比較小，因此設(shè)計(jì)一個(gè)換擋搖臂，通過適當(dāng)增加其長度從而匹配換擋力的大小。圖1中隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠上的螺母帶動(dòng)換擋撥叉左右擺動(dòng)一定的角度，到達(dá)換擋的位置。

圖1 換擋機(jī)構(gòu)示意

擋位位置的獲取可以采取兩種方式，一種是將位置傳感器集成在電動(dòng)機(jī)中，測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來獲取擋位的位置；另外一種是將角度傳感器與換擋搖臂集成在一起，角度傳感器根據(jù)搖臂旋轉(zhuǎn)角度不同獲得擋位位置。

經(jīng)過作者多年的實(shí)踐驗(yàn)證得出：第一種方式采用相對(duì)位置的方式獲取擋位位置，雖然能夠節(jié)省變速器的空間，降低成本，但在國內(nèi)當(dāng)前的工藝水平條件下很難得到準(zhǔn)確的位置；第二種方法能夠獲取擋位的絕對(duì)位置，假設(shè)角度傳感器精度高，獲得的角度可靠，并且安裝方式也很合理，那么得出的撥叉位置可信度就很高。

變速器控制單元接收位置傳感器以及電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)來判斷目前擋位的位置。圖2所示為擋位學(xué)習(xí)參考點(diǎn)示意圖，變速器控制單元通過設(shè)置相應(yīng)的控制算法得到各參考點(diǎn)的值，在控制單元掉電時(shí)存入EEROM，在車輛重新上電時(shí)讀取里面的數(shù)據(jù)就可以得到目標(biāo)換入擋位的位置。

圖2 擋位學(xué)習(xí)參考點(diǎn)示意

換擋失敗或脫擋原因研究

要研究換擋失敗的原因，必須要分析換擋的控制方法。一般來說，控制方式可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制即不管換擋撥叉需要達(dá)到什么位置，電動(dòng)機(jī)一直按照某種方式旋轉(zhuǎn)，只有達(dá)到一定的條件才能停下來；閉環(huán)控制方式首先給電動(dòng)機(jī)一個(gè)目標(biāo)值，這期間由PID控制器根據(jù)與目標(biāo)值的相距大小來確定電動(dòng)機(jī)占空比大小，最終穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)值。

不管采取哪種控制方式，目標(biāo)都是準(zhǔn)確無誤地掛進(jìn)擋位，并且能夠使換擋機(jī)構(gòu)部件達(dá)到最大的工作效率。由于閉環(huán)控制電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)的范圍大而且容易控制，故換擋過程中常用此種方法。

由于車輛行駛中需要盡可能地縮短換擋時(shí)間以便減少動(dòng)力中斷的時(shí)間，要求電動(dòng)機(jī)響應(yīng)要迅速，換擋的位置要精確，電動(dòng)機(jī)電流要小于額定電流，因此采取了雙閉環(huán)的控制方法，即電流環(huán)和位置環(huán)。位置環(huán)作為主環(huán)調(diào)節(jié)占空比的大小，電流環(huán)作為副環(huán)使電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)控制，即為準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制[6]，而設(shè)定的目標(biāo)電流保護(hù)了直流電動(dòng)機(jī)，延長了電動(dòng)機(jī)使用壽命。圖3所示為換擋閉環(huán)控制原理示意圖。

圖3 換擋閉環(huán)控制原理

如圖3所示，換擋要準(zhǔn)確就必須要保證擋位的位置精確，否則會(huì)造成換擋沒到位或行駛過程中脫擋。如圖4所示，行駛過程中，P1位置在使用一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生位置漂移至P11位置，控制程序如果還是按照設(shè)定的P1位置換擋，必定會(huì)發(fā)生換擋失敗或者脫擋。

圖4 擋位位置漂移

由此可知，大部分的換擋失敗除去本身設(shè)計(jì)缺陷和部件本身的質(zhì)量問題外，根本原因在于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工以及裝配誤差，以及長期使用后擋位位置的漂移，因此，在AMT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須要規(guī)避此類問題的出現(xiàn)。筆者認(rèn)為，采取軟件自適應(yīng)的方法無需改動(dòng)任何零件，只需制作一套自學(xué)習(xí)的算法就可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

擋位自學(xué)習(xí)控制策略包含兩部分，一部分在變速器下線時(shí)執(zhí)行，以便排除變速器在制造裝配過程擋位位置的不一致現(xiàn)象。另一部分，對(duì)于使用后擋位位置的漂移，可以采取動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)的方法，即在車輛行駛過程中，只要自學(xué)習(xí)的條件滿足，就能學(xué)習(xí)各個(gè)擋位的位置，而不影響車輛的行駛。

AMT自學(xué)習(xí)控制策略的制定

1.下線擋位位置自學(xué)習(xí)策略

如圖2所示，下線擋位位置主要學(xué)習(xí)D1、D2、D3和P1、P2的值，D1、D2、D3與電動(dòng)機(jī)占空比PWM、電動(dòng)機(jī)電流Cur、緩沖彈簧剛度K以及電動(dòng)機(jī)的速度Speed相關(guān)，而P1、P2與D1、D2、D3相關(guān)，可以得到D1、D2、D3函數(shù)為Dn= f（PWM，Cur，K，Speed），n為1，2，3。

在得到D1、D2、D3后，可以求得P1和P2，即Pm=D3/2–Dm，m為1，2。制定下線擋位位置自學(xué)習(xí)策略分為四部分。圖5所示為左側(cè)下線擋位位置自學(xué)習(xí)流程圖。

圖5 下線擋位位置自學(xué)習(xí)流程

1）擋位預(yù)學(xué)習(xí)，即電動(dòng)機(jī)預(yù)備動(dòng)作的過程，排除機(jī)械結(jié)構(gòu)卡滯，造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，學(xué)到錯(cuò)誤的位置，預(yù)學(xué)習(xí)后找到擋位中間位置，得出擋位行程D3。

2）1擋學(xué)習(xí)，通過電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)速度等參數(shù)得到1擋位置P1。

3）2擋學(xué)習(xí)，通過電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)速度等參數(shù)得到2擋位置P2。

4）計(jì)算空擋位置P3，控制擋位回到空擋位置。

2.行駛擋位位置自學(xué)習(xí)策略

車輛長時(shí)間使用后，換擋次數(shù)增加到一定的閾值，可能會(huì)使擋位位置發(fā)生漂移。作者在實(shí)際研究中，用擋位的使用次數(shù)來判斷擋位值漂移的可能性，當(dāng)某個(gè)擋位的使用大于等于閾值時(shí)，觸發(fā)在線自學(xué)習(xí)程序，學(xué)習(xí)成功后更新?lián)跷坏奈恢弥怠＞唧w分為3個(gè)步驟，圖6所示為在線自學(xué)習(xí)流程圖。

圖6 在線擋位位置自學(xué)習(xí)流程

1）換擋成功后，加載電動(dòng)機(jī)占空比擠壓換擋撥叉，根據(jù)電流、電動(dòng)機(jī)速度等獲取最后擋位位值。

2）減少電動(dòng)機(jī)占空比，根據(jù)電流、電動(dòng)機(jī)速度等獲取最后擋位位值。

3）根據(jù)學(xué)習(xí)到的新值和下線學(xué)習(xí)的值，按照相應(yīng)的算法計(jì)算得到新的擋位位置并保存。

通過上述下線自學(xué)習(xí)策略和行駛中（上線）自學(xué)習(xí)策略，保證在部件都正常的工況下順利地掛入擋位，即使車輛長時(shí)間使用，也不會(huì)因?yàn)槊摀趸蛘邟鞊跏《鴮?dǎo)致車輛停止，危機(jī)安全。

自學(xué)習(xí)策略驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述策略的正確性和可靠性，選擇了一款微型純電動(dòng)汽車作為驗(yàn)證對(duì)象，裝載此款A(yù)MT變速器進(jìn)行試驗(yàn)。整車參數(shù)見表1。

表1 裝載AMT整車參數(shù)

1.下線自學(xué)習(xí)策略驗(yàn)證

圖7所示為下線自學(xué)習(xí)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)。由圖7可以看出，當(dāng)進(jìn)入自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，變速器控制單元按照制定的自學(xué)習(xí)策略開始學(xué)習(xí)各個(gè)相關(guān)位置的值，圖中1、2擋的位置各學(xué)習(xí)了3次，以防止擋位位置學(xué)習(xí)不準(zhǔn)，整個(gè)過程執(zhí)行了8s，最后得到1擋位置為1054，2擋位置為2763。

圖7 下線自學(xué)習(xí)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)

通過變速器控制單元來判斷，學(xué)習(xí)到的值是可靠的，因此自學(xué)習(xí)完成后，在控制器掉電后將擋位的位置存入EEROM中（EEROM在控制器掉電后不會(huì)清除數(shù)據(jù)），在下次上電時(shí)，變速器控制單元直接讀取里面的數(shù)據(jù)，無需再次學(xué)習(xí)。

按照此控制策略隨即抽取5臺(tái)AMT進(jìn)行自學(xué)習(xí)，得到1擋和2擋的數(shù)據(jù)見表2。由表2可以看出，每臺(tái)變速器的擋位位置都有一定的偏差，這些偏差基本上是在制造、裝配中形成的，也證明每一臺(tái)變速器在產(chǎn)品下線時(shí)必須要進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

表2 5臺(tái)AMT自學(xué)習(xí)得到的各個(gè)擋位數(shù)據(jù)

2.車輛行駛中自學(xué)習(xí)策略驗(yàn)證

換擋到達(dá)2擋后，觸發(fā)了行駛過程中的自學(xué)習(xí)，圖8所示為在換擋中學(xué)習(xí)2擋位置值的過程。由圖8可以看出，如果擋位發(fā)生一定程度的偏移，制定的自學(xué)習(xí)策略能夠準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)到擋位的位置，但如果學(xué)到的值與下線時(shí)學(xué)到的數(shù)值差距大于一定的閾值，軟件會(huì)認(rèn)為此次學(xué)到的位置值無效。如果換擋失敗，則判定變速器出現(xiàn)了故障；否則認(rèn)定為正常值，采取一定的算法算出新的擋位值，并在控制器下電后存入EEROM。

圖8 車輛行駛中自學(xué)習(xí)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)

3.50萬次換擋后擋位驗(yàn)證

每換一次擋采集一次數(shù)據(jù)，圖9中TestCount為耐久變速器采集的換擋次數(shù)，圖中顯示已經(jīng)換擋超過了50萬次，采集的換擋數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如圖10所示。圖10中顯示換擋很平穩(wěn)，并且能夠正常的換擋，AMT變速器上的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件都沒有損壞，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖9 換擋次數(shù)記錄設(shè)備記錄的換擋次數(shù)

圖10 50萬次換擋后實(shí)際采集的數(shù)據(jù)

結(jié)語

通過上述驗(yàn)證過程來看，制定的策略是可行且可靠的。雖然AMT為手動(dòng)變速器改裝而來，其設(shè)計(jì)加工精度并不能達(dá)到自動(dòng)變速器的要求，但是通過制定相應(yīng)的自學(xué)習(xí)控制策略，使AMT控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)的功能，能夠克服這個(gè)先天的缺陷，提高了整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)自學(xué)習(xí)控制策略也可以用于其他需要克服設(shè)計(jì)裝配誤差帶來的失效以及長時(shí)間使用后帶來的系統(tǒng)崩潰，因此，此策略成功設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。