機電復合傳動換擋模式切換過程同步控制方法

張延軍，劉敏強

(1. 太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024；2. 重大裝備液壓基礎(chǔ)元件與智能制造工程研究中心，山西 太原 030024)

1 引言

汽車由原始的單一動力系統(tǒng)升級為多動力系統(tǒng)，大部分手動檔汽車也升級為自動檔汽車[1]。目前的汽車機電復合傳動換擋模式切換方法已經(jīng)無法適用于更新?lián)Q代后的新型汽車，所以急需一種新型的汽車換擋模式切換過程控制方法[2]。

張琰[3]等提出一種車輛換擋過程中永磁同步電機速度的魯棒控制方法，由于未能在車輛進行換擋模式時利用小信號的線性化方法處理馬斜盤角與角速度的關(guān)系，導致切換過程中的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速效率低、轉(zhuǎn)矩效率差。楊勇[4]等提出車輛多軸多電機的速度同步控制方法，但是該方法由于沒能在切換過程中利用小信號線性化方法計算換擋模式的主(從)動盤的角速度差，所以在換擋模式切換過程中發(fā)動機的轉(zhuǎn)速效率差。付主木[5]等提出一種由純電動向混合驅(qū)動模式切換的協(xié)調(diào)控制方法，但是該方法在換擋模式切換時沒有運用小信號線性化方法計算變量馬達的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，所以整體抗沖擊度程度較低。

為了解決上述換擋模式切換過程控制方法中存在的問題，提出機電復合傳動換擋模式切換過程同步控制方法。

2 換擋模式分析

在機電復合傳動系統(tǒng)中，應用離合器與制動器配合并調(diào)節(jié)發(fā)動機與兩臺電機的工作狀態(tài)，令機電復合傳動系統(tǒng)在四種換擋模式下工作[6]。基于機電復合傳動系統(tǒng)，對四種模式下的轉(zhuǎn)速關(guān)系進行分析。

1)行星排模式

首先，行星排模式基本轉(zhuǎn)速關(guān)系式如下式所示

n1+knq-(1+k)nj=0

(1)

其中，n1為電機，k為行星排(四個一組)，通過上式，結(jié)合車輛運動時制動器與離合器的工作狀態(tài)獲取各模式下發(fā)動機轉(zhuǎn)速nq、電機轉(zhuǎn)速ne及輸出轉(zhuǎn)速nj之間的關(guān)系。

2)EVTI_L模式

(2)

由于上述表達較為繁瑣，所以將上述關(guān)系式進行調(diào)整改寫為矩陣形式，再將矩陣轉(zhuǎn)化為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機(A、B)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式，如下式所示

依照上式即可獲取機電復合傳動系統(tǒng)中其它換擋模式下各部件的轉(zhuǎn)速關(guān)系[7]。

3)EVT1-H模式

(4)

4)EVT2模式

(5)

其中，no表示輸入轉(zhuǎn)速，iq表示傳動系數(shù)。

2.1 轉(zhuǎn)矩關(guān)系

基于機電復合傳動系統(tǒng)，對不同模式下的轉(zhuǎn)矩關(guān)系進行分析。

1)行星排模式

假設(shè)機電復合傳動系統(tǒng)中耦合機構(gòu)的轉(zhuǎn)速能夠維持在穩(wěn)定狀態(tài)(忽略摩擦及彈性阻尼)，那么行星排各構(gòu)件T之間關(guān)系，如下式所示

Tt∶Tq∶Tj=1∶k∶-(1+k)

(6)

2)EVT1_L模式：

基于機電復合傳動的換擋模式下，制動器Z1閉合，制動器Z2及離合器C1均處于分離狀態(tài)，獲取各連接軸的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下式所示

(7)

由于上述表達繁瑣，同樣將其轉(zhuǎn)化為電機(A、B)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和輸出軸轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并整合為矩陣形式，如下式所示

(8)

同理，即可獲取其它換擋模式下各部件之間的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

3)EVT1-H模式

(9)

4)EVT2模式

(10)

2.2 切換過程

當車輛在路面崎嶇不平或大負載情況下，EVT1_L模式便會成為主要工作模式負責驅(qū)動車輛前進，當復雜崎嶇的路面地段過去時，車輛會進行EVT1_L到EVT1_H的切換以保證車輛的運行效率及車輛的加速。

設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在一定的峰值上，車輛在加速過程中，B電機的轉(zhuǎn)速會隨著A電機轉(zhuǎn)速的下降而持續(xù)上升[8]。在機電復合傳動系統(tǒng)中，電機的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，所以要保證B電機在到達峰之前完成換擋，而在該換擋模式下A電機轉(zhuǎn)速大于零時，正處于發(fā)電狀態(tài)。而實際上，在EVT1_H模式下，A電機在轉(zhuǎn)速低于零時會由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動狀態(tài)，繼續(xù)對外輸出轉(zhuǎn)矩，擾亂系統(tǒng)工作，所以必須在A電機轉(zhuǎn)速低于零之前完成模式切換。

3 換擋模式切換過程同步控制方法

換擋模式切換過程同步控制方法主要分為兩部分，前者為機電復合傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速同步控制方法，后者為切換過程轉(zhuǎn)矩同步控制方法。換擋模式切換過程同步控制方法流程如圖1所示。

圖1 換擋模式切換過程控制方法流程

圖1中，機電復合傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速同步控制方法主要用于抑制該系統(tǒng)在換擋模式切換時由于輸入轉(zhuǎn)速變化所帶來的轉(zhuǎn)速不適配問題，為切換過程創(chuàng)造平穩(wěn)條件；而切換過程的轉(zhuǎn)矩同步控制方法則是對制動裝置、主(從)動盤的角速度差以及換擋模式的切換時間進行優(yōu)化，以此解決系統(tǒng)在換擋模式切換過程輸入轉(zhuǎn)矩時所遭受的中斷和沖擊問題[9]。由于行星排式混合動力系統(tǒng)控制方法范圍較大，在此次研究中不予以考慮。

3.1 換擋模式切換過程轉(zhuǎn)速同步控制

在換擋模式切換過程中輸入角速度的擾動量Δωin，會使車輛在離合器的結(jié)合過程出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。在EVT1-H向EVT2模式切換過程中，輸入角速度、變量馬達的角速度都會影響離合器結(jié)合時的平滑性[10]。

對機電復合傳動系統(tǒng)換擋模式切換過程中轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)關(guān)系進行計算，獲取換擋模式切換過程的變量馬達轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的傳遞函數(shù)，如下式所示

(11)

換擋模式下變量馬達的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)如下式所示

(12)

同步控制過程運用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器進行，過程如下式所示

Gs(s)=kp+ki/s+kds

(13)

式中，Gs(s)是傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器中存在的傳遞函數(shù)；ki則是調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)中的常數(shù)；切換過程中轉(zhuǎn)速控制的比例增益則為kp，微分的環(huán)節(jié)常數(shù)則為kd。

變量馬達的轉(zhuǎn)矩函數(shù)則如下式所示

(14)

式中，EP，Em是換擋模式切換過程中變量馬達的目標角速度偏差與實際角速度偏差，而換擋模式切換過程變量馬達角速度的轉(zhuǎn)矩關(guān)系傳遞函數(shù)則為Gm(s)。

根據(jù)換檔模式切換過程中得到的轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，將其輸入到動態(tài)模型中，從而得到換檔模式切換過程中轉(zhuǎn)速的同步補償控制量，完成轉(zhuǎn)速的同步控制。

3.2 切換過程的轉(zhuǎn)矩同步控制

在換檔模式切換過程中，離合器不分離時會逐漸與目標換檔模式結(jié)合。此時，機電傳動系統(tǒng)的換檔模式切換過程處于轉(zhuǎn)矩輸入(輸出)的耦合階段。由于換檔過程中的輸入角擾動會影響扭矩，因此需要控制離合器組合過程中的沖擊，抑制換檔模式切換過程中的波動，使換檔過程平穩(wěn)。機電復合傳動系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩滿足關(guān)系如下式所示

Tin=(τins+1)-1f(ωin，Δωin)

(15)

式中，τin為系統(tǒng)在換擋模式切換過程中在輸入角速度慣性環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時間常數(shù)。

系統(tǒng)中的角速度傳感器將在換檔模式切換過程中實時監(jiān)控可變電機和其它核心部件[11]。在變速電機等核心部件的同步控制中，離合器是轉(zhuǎn)矩傳遞過程中的控制變量，而離合器中的角速度是狀態(tài)變量。開關(guān)過程中元件轉(zhuǎn)矩的一階導數(shù)實際上是性能函數(shù)。最后，通過狀態(tài)反饋實現(xiàn)離合器扭矩的傳遞，轉(zhuǎn)矩動力模型如圖2所示。

圖2 離合器轉(zhuǎn)矩動力學模型

在離合器分離與變量馬達排量處于零的滑摩階段，變量馬達轉(zhuǎn)矩Tp=0，那么傳動系統(tǒng)的狀態(tài)方程便可轉(zhuǎn)化為空間形式，如下式所示

(16)

(17)

式中，Q=cTc，r=m2，N=mcT，那么j則可以表示為：

(18)

通過上式，對Reccai方程進行計算得到最后的反饋增益[12]，如下式所示：

K=BTp+NT

(19)

根據(jù)上式，計算得到換檔模式切換過程的最優(yōu)反饋增益矩陣，然后通過增益矩陣計算換檔模式下核心部件的輸出轉(zhuǎn)矩。最后，得到了換檔模式切換過程的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩變化率，完成了換檔模式切換過程中模型轉(zhuǎn)矩的實時傳遞，優(yōu)化車輛換檔模式切換過程的同步控制。

4 實驗

為了驗證新方法的整體有效性，進行實驗分析。

4.1 實驗環(huán)境

仿真平臺為Matlab、搭建機電復合傳動系統(tǒng)及核心傳動部件換擋模型。機電復合傳動系統(tǒng)核心參數(shù)如表2所示。

表2 機電復合傳動系統(tǒng)核心部件參數(shù)

分別采用機電復合傳動換擋模式切換過程同步控制方法(方法1)、一種車輛換擋過程中的模式切換過程同步控制方法(方法2)、一種由純電動向混合驅(qū)動模式切換的協(xié)調(diào)控制方法(方法3)對換擋模式切換過程的控制方法進行測試：

1)利用同一型號車輛對不同方法下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速進行測試，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同方法的發(fā)電機啟動時間測試結(jié)果

圖4 不同方法的電機啟動時間測試結(jié)果

分析圖3和圖4可知，方法1中發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)速要優(yōu)于方法2和方法3，這主要是因為方法1利用了小信號的線性化方法構(gòu)建了變量馬達的調(diào)速回路模型。從而使車輛在換擋模式的切換過程同步控制中的發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)速效率得到提高，縮減換擋時間。

2)基于同一型號車輛對方法1、方法2及方法3對發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)矩進行測試，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同方法的發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果

圖6 不同方法的電機實際轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果

分析圖5和圖6可知，方法1的發(fā)動機與電機實際轉(zhuǎn)矩效率要高于方法2和方法3，主要是因為方法1在計算發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)矩時依據(jù)小信號的線性化方法計算了轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)，獲取了換擋模式中變量馬達的轉(zhuǎn)矩時間，從而使車輛各部件之間的干擾得到消減，以此提高發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)矩效率。

3)基于上述測試結(jié)果，對三種方法進行沖擊度測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種方法沖擊度測試結(jié)果

分析圖7可知，方法1的測試結(jié)果要優(yōu)于方法2和方法3，并且在測試過程中方法1的沖擊度較為穩(wěn)定，這是由于方法1在換擋模式切換過程中運用小信號的線性化方法計算了變量馬達的角速度干擾與變排量系數(shù)之間的關(guān)系，并對變量馬達進行輸入擾動的慣性加純延遲，所以導致方法1在沖擊度測試時能夠降低沖擊度，縮減控制時間，提高換擋模式的切換效率。

5 結(jié)束語

1)亟需一種新型的模式切換時控制方法解決換擋模式切換過程中存在的發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩效率差以及沖擊度高等問題，對此，提出機電復合傳動換擋模式切換過程同步控制方法。

2)分析機電復合傳動系統(tǒng)中的換擋模式，依據(jù)機電復合傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速同步控制方法以及切換過程轉(zhuǎn)矩同步控制方法，完成對換擋模式的切換過程同步控制。

3)電機實際轉(zhuǎn)矩可以在20.25s達到2.7N·m，最高可達到150N·m，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩測試結(jié)果最早達到75N·m，且一直保持平穩(wěn)。