祁炳楠 1 楊劉權(quán) 2 郭曉斌 2 張利鵬

（1.燕山大學(xué)工程訓(xùn)練中心，秦皇島 066004）（2.燕山大學(xué)河北省特種運(yùn)載裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004）（3.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島 066004）

引言

新能源汽車被普遍認(rèn)為是未來(lái)汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向，已經(jīng)成為世界汽車強(qiáng)國(guó)和汽車制造商的研發(fā)重點(diǎn).由于電動(dòng)機(jī)具有被控性能強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電能來(lái)源廣泛和工作效率高等特點(diǎn)，純電動(dòng)汽車已經(jīng)成為新能源汽車的主要車型.雖然現(xiàn)有純電動(dòng)汽車大部分采用固定速比減速器直接驅(qū)動(dòng)，但在配置合適擋位的變速系統(tǒng)后，其工作效率和動(dòng)力性均可以得到大幅提高［1］.變速系統(tǒng)具有多種類型，其中，少擋位機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Manual Transmission—AMT）具有低成本和高效率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車的主要傳動(dòng)形式［2］，但AMT在換擋過程中存在明顯的換擋沖擊和動(dòng)力中斷問題，品質(zhì)提升一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn).

AMT的換擋過程可以分為降扭、摘擋、調(diào)速、升擋和扭矩恢復(fù)等幾個(gè)階段，其中降扭、扭矩恢復(fù)、調(diào)速和升擋階段對(duì)換擋品質(zhì)都具有重要影響，因此很多學(xué)者和企業(yè)對(duì)此開展了研究.周英超等［3］研制了一種基于電磁直線執(zhí)行器的換擋系統(tǒng)，并提出了時(shí)序重疊換擋控制策略和基于二自由度控制原理的位置復(fù)合控制器，有效減少了動(dòng)力中斷時(shí)間；Wang X等［4］提出了一種雙環(huán)自學(xué)習(xí)模糊控制方法，有效處理了換擋過程中的非線性問題和未知參數(shù)的問題.以上兩種方法從升擋階段入手，改善了換擋品質(zhì).沈文臣等［5］通過分析AMT同步器的接合機(jī)理，提出了一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的變速器輸入端主動(dòng)同步方法，縮短了動(dòng)力中斷時(shí)間并提高了進(jìn)擋成功率與可靠性.此文獻(xiàn)主要考慮了調(diào)速階段對(duì)換擋控制的影響.實(shí)際上，降扭和扭矩恢復(fù)階段分別是換擋過程的起始階段和終止階段，在換擋過程中具有啟下承上的作用.降扭結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于自由模式，此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力矩最小，因此可以縮短換擋時(shí)間，并且增加摘擋的成功率［6，7］，但不合理的降扭過程會(huì)引起系統(tǒng)扭振，從而惡化換擋品質(zhì).王大方等［8］通過沖擊度計(jì)算出了降扭速率（斜率法），按照所計(jì)算的降扭速率進(jìn)行降扭和扭矩恢復(fù)控制；董愛道等［9］提出了線性二次型最優(yōu)降扭控制方法，根據(jù)沖擊度最小目標(biāo)得到了扭矩下降的最優(yōu)軌跡.以上兩種方法均通過沖擊度來(lái)求解扭矩控制軌跡，對(duì)沖擊度會(huì)起到抑制作用，但并未考慮系統(tǒng)的扭振特性.針對(duì)系統(tǒng)扭振問題，很多學(xué)者也開展了相關(guān)研究.于蓬等［10］提出綜合考慮控制電機(jī)動(dòng)態(tài)特性及傳動(dòng)系統(tǒng)間隙/柔性的機(jī)電耦合仿真方法，初步揭示電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性；宋田堂等［11］建立了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，計(jì)算并分析了傳動(dòng)系統(tǒng)的固有特性和模態(tài)振型，為純電動(dòng)汽車降低傳動(dòng)系扭振提供了參考；Syed F U等［12］提出了一種主動(dòng)阻尼車輪轉(zhuǎn)矩控制方法，有效抑制了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng).上述方法具有一定的控制效果，但還缺乏對(duì)降扭和恢復(fù)整個(gè)過程力矩變化問題的系統(tǒng)性研究.

本文在前期關(guān)于AMT換擋控制相關(guān)問題和系統(tǒng)扭振抑制方法研究基礎(chǔ)上［13，14］，以適用于電動(dòng)汽車的無(wú)離合器AMT為研究對(duì)象，對(duì)換擋過程中的扭矩控制階段進(jìn)行綜合建模，分析扭矩控制對(duì)換擋品質(zhì)和部件損傷的影響，制定更為適合的扭矩控制方法，為提升換擋品質(zhì)和可靠性奠定理論基礎(chǔ).

1 無(wú)離合器AMT換擋過程分析

本文的研究對(duì)象為電動(dòng)汽車無(wú)離合器AMT系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，電動(dòng)機(jī)直接與AMT系統(tǒng)連接，AMT系統(tǒng)通過輸出軸與車輪連接，有效減小了動(dòng)力傳遞路線，取消了離合器，可以減小能量損失，并提高傳動(dòng)效率.

圖1 電動(dòng)汽車無(wú)離合器AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Clutchless AMTstructureof electric vehicle

1.1 無(wú)離合器AMT換擋控制策略

當(dāng)無(wú)離合器AMT進(jìn)行擋位切換時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩控制功能來(lái)替代傳動(dòng)汽車AMT離合器的動(dòng)力中斷與接合功能，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入軸和待接合齒輪的主動(dòng)同步，該系統(tǒng)的換擋流程如圖2所示.當(dāng)車輛行駛狀態(tài)達(dá)到換擋指標(biāo)要求后，整車控制器VCU（Vehicle Control Unit）將降扭指令發(fā)送至電機(jī)控制器MCU（Motor Control Unit）來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行降扭，當(dāng)降扭完成后，VCU將摘擋指令發(fā)送至換擋控制器TCU（Shift Control Unit），由TCU控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行摘擋.在此控制過程中，雖然驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以通過控制輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力中斷，但是卻不能解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)與輸入軸直接串聯(lián)所造成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加問題.在摘擋結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)速來(lái)減小輸入軸與目標(biāo)齒輪的轉(zhuǎn)速差，以此緩解同步轉(zhuǎn)速過程對(duì)同步器的損耗.當(dāng)主動(dòng)調(diào)速與擋位選擇結(jié)束后，VCU將掛擋指令發(fā)送至TCU，在接合套達(dá)到目標(biāo)位置后，VCU將扭矩恢復(fù)指令發(fā)送至MCU，開始扭矩恢復(fù)階段.因此，在無(wú)離合器AMT換擋過程中包含降扭和扭矩恢復(fù)兩個(gè)扭矩控制階段.

圖2 無(wú)離合器AMT換擋控制策略Fig.2 Clutchless AMTshift control strategy

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.3 Transmission system model

式中

1.3 同步器摘擋過程分析

在收到摘擋指令后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)推動(dòng)接合套與目標(biāo)齒輪分離，直至接合套到達(dá)空擋位置.在執(zhí)行命令之前，如果接合套與目標(biāo)齒輪之間仍存在作用力，接合套與目標(biāo)齒輪脫離過程中將產(chǎn)生撞擊，增加打齒的可能性，殘余扭矩產(chǎn)生的附加摘擋力也會(huì)對(duì)摘擋產(chǎn)生不利影響.接合套與齒圈接合關(guān)系如圖4所示，圖（a）中同步器和目標(biāo)齒輪的嚙合齒存在后角γ，當(dāng)接合套和目標(biāo)齒輪存在作用力，通過齒面嚙合會(huì)對(duì)接合套產(chǎn)生軸向力Fx，防止接合套脫落.在摘擋過程中，當(dāng)Fshift>Fx時(shí)，摘擋才會(huì)成功.

圖4 摘擋過程分析Fig.4 Analysis of picking process

如圖4（b）所示，在接合套與目標(biāo)齒輪由后角嚙合變成了正齒面嚙合，殘余扭矩產(chǎn)生的軸向力為推力，接合套在推力作用下會(huì)快速脫離，這對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和摘擋控制產(chǎn)生影響.由此可以得到殘余扭矩產(chǎn)生的附加摘擋力為：

式中，rb為嚙合齒的作用半徑，β為嚙合齒的齒端半角，Tr為殘余扭矩.

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩控制策略

為了減小扭矩變化引起傳動(dòng)系統(tǒng)扭振，設(shè)計(jì)了了扭矩控制策略.由于扭矩控制階段非常短暫且系統(tǒng)扭振狀態(tài)難以用傳感器測(cè)量，所以控制器策略包含了扭矩控制器和虛擬系統(tǒng)兩個(gè)部分，扭矩控制器負(fù)責(zé)控制扭矩變化，虛擬系統(tǒng)負(fù)責(zé)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài).

2.1 扭矩控制器設(shè)計(jì)

由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程（1）可推導(dǎo)出其傳遞函數(shù)為：

由式（4）可知簡(jiǎn)化后的傳動(dòng)系統(tǒng)為二階系統(tǒng).二階系統(tǒng)是工程領(lǐng)域中常見的系統(tǒng)形式，并且很多高階系統(tǒng)的特性在一定條件作用下可用二階系統(tǒng)的特性來(lái)表征.二階系統(tǒng)的響應(yīng)特性主要取決于阻尼比ξ和固有頻率ωn，尤其是阻尼比ξ決定了特征方程根的形式.因此，通過改變系統(tǒng)阻尼比可改變系統(tǒng)的響應(yīng)特性.設(shè)轉(zhuǎn)矩Teq控制率為：

傳遞函數(shù)（4）可表示成如下形式：

由二級(jí)系統(tǒng)特性可得：

經(jīng)過化簡(jiǎn)計(jì)算可得）

因此，可以根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適調(diào)整系數(shù)a去配置阻尼比.將其代入式（5）并結(jié)合式Teq=Tmi1i2可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制率：

2.2 虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際車輛上，驅(qū)動(dòng)軸的輸出端與輸入端相對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速很難測(cè)得.為了實(shí)現(xiàn)控制目的，本文建立了虛擬系統(tǒng)去估計(jì)扭矩控制時(shí)的相對(duì)轉(zhuǎn)速差.擋位切換出現(xiàn)在車輛的穩(wěn)定加速或減速過程，此時(shí)擋位切換前的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率很小，因此可以將降扭前的傳動(dòng)系統(tǒng)看作處于扭矩作用下的穩(wěn)態(tài)過程，降扭過程則可以看作扭矩消失后系統(tǒng)由初始點(diǎn)回歸平衡位置的過程.扭矩恢復(fù)階段是換擋的最后過程，扭矩恢復(fù)過程可以看作是系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)過程，可得系統(tǒng)初始狀態(tài)表達(dá)式為：

圖5 虛擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Virtual system structure

3 仿真驗(yàn)證

基于Matlab/Simulink與AMEsim搭建聯(lián)合仿真平臺(tái)，進(jìn)行無(wú)離合器AMT換擋控制效果的仿真驗(yàn)證，其中涉及到的系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Systemparameters

為了驗(yàn)證所提扭矩控制方法的效果，規(guī)定了升擋車速為30km/h，升擋前驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為50N·m.選取了不同阻尼比ξ，并通過式（9）可得到不同的控制率系數(shù)a，得到的仿真結(jié)果如圖6所示.圖（a）中，隨著ξ的增大，扭矩的下降時(shí)間增加，但是降扭過程引起的扭轉(zhuǎn)角波動(dòng)會(huì)同時(shí)減小，其中當(dāng)ξ=0.309時(shí)，控制率系數(shù)a=0，此情況下控制器失去作用，直到扭矩直接降為零后才恢復(fù)控制，同時(shí)這種情況引起的扭轉(zhuǎn)角波動(dòng)幅值最大；圖（b）中扭轉(zhuǎn)角在0.4 s時(shí)開始再次出現(xiàn)波動(dòng)，這些波動(dòng)是在降扭完成后的升擋動(dòng)作引起的，與降扭過程無(wú)關(guān)；圖（c）展示了扭矩恢復(fù)過程扭矩變化與扭轉(zhuǎn)角的變化，在扭矩恢復(fù)完成后，車輛開始做勻加速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)扭矩和扭轉(zhuǎn)角維持穩(wěn)態(tài)，這也證明了虛擬系統(tǒng)初值估計(jì)所做假設(shè)的準(zhǔn)確性.

圖6 不同阻尼比扭矩控制仿真Fig.6 Simulationswith different dampingratios torquecontrol

一般情況下，當(dāng)二階系統(tǒng)的阻尼比為0.707時(shí)具有良好的響應(yīng)性能［15］，因此，將系統(tǒng)阻尼比設(shè)置成0.707的有控制與阻尼比0.309的無(wú)控制進(jìn)行對(duì)比，整個(gè)換擋過程的仿真結(jié)果如圖7所示.在圖（a）所示的降扭過程中，無(wú)控制的系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩第一次到達(dá)零點(diǎn)的時(shí)間明顯小于有控制的時(shí)間，但是在經(jīng)過零點(diǎn)后產(chǎn)生了嚴(yán)重的超調(diào)，并且即使在無(wú)控制情況下系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也具有一定的時(shí)間延時(shí).當(dāng)阻尼比小于臨界值后不再影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間.扭矩在0.2 s以后產(chǎn)生了變化，這是因?yàn)樵诮蹬ず驼獡跬瓿珊?，?qū)動(dòng)電機(jī)需要進(jìn)行主動(dòng)調(diào)速所致.圖（b）描述了扭矩變化與接合套位移的關(guān)系，實(shí)際上系統(tǒng)的響應(yīng)轉(zhuǎn)矩不可測(cè)，所以判斷降扭完成標(biāo)準(zhǔn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反饋力矩.在無(wú)控制降扭情況下，系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩未達(dá)到穩(wěn)定就開始了摘擋動(dòng)作，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的力矩下降速度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩，故導(dǎo)致了接合套移動(dòng)過程提前完成，并且在接合套脫離齒圈后對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了不利影響，如圖中的局部放大部分所示，這也引起了換擋力的變化.在圖（c）中，無(wú)控制摘擋過程中換擋力產(chǎn)生了連續(xù)兩次波動(dòng).第一次換擋力波動(dòng)是因摘擋力需要克服參與扭矩產(chǎn)生的附加拉力所導(dǎo)致，其規(guī)律與圖5（a）中所描述的一致.同步器的嚙合齒具有后角，在系統(tǒng)的殘余轉(zhuǎn)矩的作用下，齒圈通過嚙合齒后角對(duì)接合套產(chǎn)生拉力，使摘擋力變大.而第二次換擋力波動(dòng)主要由系統(tǒng)殘余扭矩形成的附加推力產(chǎn)生，當(dāng)接合套移動(dòng)至圖5（b）位置時(shí)，接合套與齒圈的會(huì)發(fā)生正齒面接觸，在系統(tǒng)殘余轉(zhuǎn)矩的作用下，齒圈向?qū)雍咸桩a(chǎn)生推力，導(dǎo)致了摘擋力的巨大波動(dòng).這些非主動(dòng)換擋力波動(dòng)會(huì)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命和控制系統(tǒng)性能，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)變形損壞.而圖（c）中的兩條位移曲線并沒有受到換擋力波動(dòng)的影響，這是因?yàn)榉抡嬷兴捎玫膱?zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)形式為具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，自鎖功能防止了力的反向轉(zhuǎn)遞，實(shí)際采用這種形式會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生更大的傷害.

圖7 有扭矩控制與無(wú)扭矩控制換擋對(duì)比Fig.7 Comparativeof gear shift with and without torque control

在實(shí)際試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)很難測(cè)得，本文通過建立虛擬系統(tǒng)，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩估計(jì)，得出得轉(zhuǎn)矩控制前系統(tǒng)的初值，來(lái)預(yù)測(cè)扭矩控制過程中的系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，如圖8所示，雖然估計(jì)的初值和虛擬系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，但在扭矩降低和扭矩恢復(fù)過程，扭轉(zhuǎn)角還是具有良好的估計(jì)效果.

圖8 虛擬系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角估計(jì)Fig.8 Virtual systemtorsion angleestimation

4 小結(jié)

（1）針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)離合器AMT換擋過程的降扭和扭矩恢復(fù)過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制問題開展研究，通過系統(tǒng)建模和仿真分析，揭示了驅(qū)動(dòng)電機(jī)殘余扭矩對(duì)摘擋控制難度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響的動(dòng)力學(xué)機(jī)理；

（2）設(shè)計(jì)了應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)扭振抑制的控制器，得到了不同控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響規(guī)律.研究表明，通過調(diào)整阻尼比系數(shù)，可有效抑制降扭和扭矩恢復(fù)過程引起的系統(tǒng)扭振；

（3）提出了通過虛擬系統(tǒng)預(yù)測(cè)扭矩控制換擋過程中傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角的方法，解決了車輛扭振狀態(tài)難以測(cè)量的問題，為后續(xù)開展動(dòng)力性降扭和舒適性降扭控制策略研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)于提升AMT的換擋品質(zhì)具有重要的參考價(jià)值.