兩擋AMT無動力中斷換擋協調控制研究

王明 盛繼新 丁飛 張邦基 文桂林 張農

摘? ?要：針對一種純電動汽車用離合器后置式二擋機械式自動變速器（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現無動力中斷換擋.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，針對換擋過程的不同階段，采用相應的換擋協調控制策略：扭矩相時驅動電機扭矩保持不變，同時協調控制離合器扭矩;慣性相時分別采用PID、自適應模糊PID控制電機扭矩使離合器轉速差跟蹤目標軌跡.基于Matlab/Simulink建立整車縱向動力學模型并進行仿真試驗.結果表明：所制定的換擋協調控制策略是有效的，相較于慣性相時采用PID控制離合器轉速差，采用自適應模糊PID控制能有效改善換擋品質，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力中斷，整車舒適性有較大提高.

關鍵詞：電動汽車;AMT;換擋;無動力中斷;自適應模糊PID控制;協調控制

中圖分類號：TH132.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：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

目前純電動汽車多采用電機加減速器的直驅模式，雖然這種動力傳動系統成本低，但是存在以下缺點：電機本身的特性無法兼顧車輛低速和高速時的動力性能;電機整體運行效率不高，因為電機效率曲線隨扭矩和轉速變化.研究表明[1]：將兩擋或多擋變速器應用于純電動汽車能有效提高驅動電機工作效率進而增加純電動汽車續航里程.因而，純電動汽車用變速器的研究越來越引起國內外學者的重視.

傳統AMT在換擋過程中始終存在動力中斷問題[2]，影響整車舒適性.鐘再敏[3]、Walker等[4]進行了汽車AMT無離合器換擋控制研究，能顯著提高換擋舒適性，但未能解決動力中斷問題. 葉杰等[5]通過開關原件（單向離合器）和摩擦式離合器的組合實現兩擋變速器無動力中斷換擋. 國內外很多學者以DCT為對象通過離合器切換進行無動力中斷換擋控制研究，其中離合器的切換控制關鍵在于精確估計離合器扭矩[6]和扭矩觀測器的設計[7]. 李軍求等[8]以兩擋行星齒輪變速器為對象，利用線性二次型最優控制策略實現了換擋過程中離合器的切換控制.田陽等[9]基于兩擋行星齒輪式自動變速器，通過兩個制動器的切換可以實現無動力中斷換擋，并分析了三種不同的扭矩控制策略對換擋品質的影響. 胡建軍等[10]分析了換擋過程不同階段換擋沖擊產生的機理，并進行試驗驗證. Kuroiwa[11]和Galvagno等[12]研究了新型離合器后置扭矩輔助系統，并應用于傳統車輛.高炳釗[13]分析了電動車用離合器后置變速系統，實現了無動力中斷換擋，制定了換擋控制策略，慣性相階段采用了PID控制離合器轉速差，但對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變速系統，制定了換擋協調控制策略;扭矩相時協調控制電機扭矩和離合器扭矩;慣性相時，分別采用PID、自適應模糊PID進行電機扭矩控制使離合器轉速差按照最優軌跡變化;最后對整個換擋過程進行動力學建模并仿真驗證.

1? ?動力傳動系統構型

本文在文獻[13]中所提出的離合器后置式AMT的基礎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的純電動汽車動力系統結構原理圖，動力系統主要由電機、兩擋變速器以及一個后置離合器組成. 文獻[13]中AMT的同步器位于圖中所示的一軸上（方案一），本文構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同步器兩側轉速差，進而縮短換擋時間，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，升擋和降擋時同步器兩側轉速差分別為：

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同步器兩側轉速差;ω0為輸入軸轉速;i1和i2分別為變速器一擋傳動比和二擋傳動比.

方案二升擋和降擋時同步器兩側轉速差相同，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的轉速差，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.當變速器控制器（TCU）接到升擋命令時，離合器逐漸接合，待同步器傳遞扭矩降為零時，同步器迅速分離. 當同步器完全分離時，電機驅動扭矩經一軸和離合器傳至二擋齒輪，隨后鎖止離合器，動力平順傳遞至二軸，升擋過程結束. 降擋過程：在電機調速過程中，離合器逐漸分離，待離合器轉速差達到目標值時，同步器迅速結合，在同步器同步前，一軸始終通過二擋齒輪傳遞扭矩. 當同步器結合后，動力迅速經同步器傳遞，此時離合器完全處于滑摩狀態，控制電機和離合器扭矩使離合器逐漸分離，待離合器完全分離時降擋過程結束.

2? ?動力學建模

為了驗證本文所提出構型的動力學性能和換擋控制策略，建立如圖2所示的動力學模型，假定變速器中的齒輪和軸都為剛體，僅考慮電機輸出軸

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、電機的轉動慣量;J1b、J2a、J3為1擋被動齒輪、2擋主動齒輪和離合器被驅動盤、主減被動齒輪的轉動慣量;Jv為包含整車質量、車輪、半軸等在內的等效轉動慣量. K1、C1分別為電機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、一軸、二軸、變速器輸出軸的角加速度. Tm為電機扭矩;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為電機轉速，αp為加速踏板開度，電機扭矩可以通過圖3所示電機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調控制通過離合器壓力控制實現，同步器起到開關作用，因此本文主要關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態特性，采用了如式（8）所示簡化的同步器模型.

其中，Fs = 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;Rc為摩擦錐面平均半徑;β為摩擦錐面半錐角;F0為使同步器結合施加的軸向力[14].

當離合器處于滑摩狀態時，即當時? ?（離合器主、從動盤速分別為），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;μc為離合器動摩擦因數;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;f為地面滾動摩擦系數;rd為輪胎半徑.

本文主要以沖擊度和滑摩功兩個指標來評價換擋品質.其中，

車輛沖擊度為：

式中，a（t）為車輛縱向加速度.

換擋過程中產生的離合器滑摩功為：

式中：t0，t2分別為換擋開始和結束時刻.

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，需精確控制驅動電機、同步器和離合器傳遞扭矩，制定如圖4所示換擋控制策略.

當處于升擋扭矩相時，保持驅動電機扭矩不變，同時控制離合器和同步器傳遞扭矩，使離合器逐漸結合;在升擋慣性相時，此時同步器已完全分離，采用自適應模糊PID控制驅動電機使離合器主從動盤轉速差跟隨參考軌跡.降擋過程與升擋過程相反，先進入慣性相再進入扭矩相.根據控制策略制定的控制流程如圖5所示.

3.1? ?扭矩相控制

當處于升擋扭矩相時，驅動電機扭矩保持不變（即Tm = 常數），如圖4所示，同時由于換擋時間較短，認為車輛的阻力矩保持不變. 此時整個系統只有一個獨立變量，只要確定了Ts值，即可求出控制量離合器扭矩Tc.

控制目標是：在給定的扭矩相時間內，使Ts線性下降到0，則：

式中：t0為換擋開始時刻;t1為扭矩相結束時刻;T s，t0為t0時刻Ts值. 以上參數均為已知參數.

降擋過程中離合器扭矩控制律推導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產生變速器輸出扭矩突變.換擋前后變速器傳動比發生變化，換擋前后電機轉速也會發生突變. 為了避免換擋過程中變速器輸出扭矩和轉速產生劇烈變化，離合器主從動盤轉速差應滿足以下要求[13]：1）t2 - t1不超過要求的換擋時間（t1、t2分別為升擋慣性相開始和結束時刻）;2）在t1、t2時刻電機轉速變化率為零;3）整個轉速差變化應保持平順，調速過程中離合器主從動盤轉速差參考軌跡曲線如圖6所示.

在電機調速的同時加大離合器的結合壓力，既可使離合器轉速同步時間縮短又可有效避免離合器因為電機扭矩波動導致離合器在滑摩和結合狀態之間來回切換.采用自適應模糊PID控制電機調速，使離合器主從動盤轉速差跟隨參考軌跡，其控制原理圖如圖7所示，其中dw為離合器主從動盤轉速差.

模糊自適應PID控制能綜合規則預設定的先驗數據在線整定PID各個參數，能充分發揮PID優良的控制性能，具有較強抗干擾能力，從而取得較好的控制效果.

設定自適應模糊PID控制中輸入量與輸出量的關系為：

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

模糊控制輸入量e和ec采用相同模糊成員函數，如圖8所示，輸出量 ΔKp、 ΔKi、ΔKd是采用如圖9所示成員函數，相應的控制規則如表1、表2和表3所示，模糊語言變量為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，對應的模糊子集為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，控制采用Mamdani推理法.

4? ?仿真試驗及結果分析

4.1? ?模型參數及仿真工況設定

為驗證換擋控制策略的有效性，基于Matlab/ Simulink建立車輛傳動系統動力學模型，車輛傳動系統主要參數如表4所示.

為了保證整車仿真過程中車輛實現先升擋后降擋，設定如下仿真工況：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時間內線性下降至10%開度，然后以10%加速踏板開度繼續行駛，路面坡度為2.5%.

4.2? ?仿真試驗結果

本文PID控制參數設定為：Kp = 210、Ki = 15、Kd = 10.升擋仿真試驗結果如圖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、電機的轉速;帶有Fuzzy-PID 前綴的變量為采用自適應模糊PID控制的仿真結果.PID-jerk、Fuzzy-PID-jerk分別為采用PID控制、自適應模糊PID控制的換擋過程中的沖擊度.

10.00 s時升擋開始，換擋過程進入扭矩相，電機扭矩保持不變，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，Ts = 0，迅速摘下同步器，扭矩相結束并進入慣性相.在慣性相時，調節電機的轉速到達二擋對應的目標轉速，使離合器轉速差跟隨參考軌跡，同時離合器的結合壓力逐漸增大，Tc相應增大，直到10.58 s時刻調速過程完成，在此期間離合器一直處于滑摩狀態直到10.69 s離合器完全結合，慣性相完成.整個升擋過程持續0.69 s，最大沖擊度發生在同步器分離時刻，但均小于5 m/s3. 整個升擋過程中變速器輸出扭矩均變化平順無突變，采用PID和自適應模糊PID兩者控制結果基本保持一致，如圖11所示.

降擋過程仿真試驗結果如圖12所示，在25.58 s時，開始降擋并進入慣性相，通過電機調速，使離合器轉速差跟隨參考軌跡，在25.81 s電機調速完成，同步器結合，慣性相結束并進入扭矩相階段，離合器逐漸分離直至26.19 s時離合器完全脫開，此時扭矩相結束.整個升擋過程持續時間為0.61 s，最大沖擊度發生在掛擋的一瞬間，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控制結果，采用自適應模糊PID控制時變速器輸出扭矩（Fuzzy-PID-To）波動更小，換擋時間縮短.