AMT换挡电机精确跟踪控制

申业 吴光强，2 罗先银

（1.同济大学；2.东京大学生产技术研究所）

AMT换挡电机精确跟踪控制

申业1吴光强1，2罗先银1

（1.同济大学；2.东京大学生产技术研究所）

介绍了AMT换挡执行系统的结构和原理，并对AMT换挡机构与电机进行分析与建模；基于变结构滑模控制原理，构造了换挡机构电机的非线性系统滑模控制器，使被控电机具有高精度的跟踪品质和较强的抗干扰能力。通过对2挡升3挡理想运动曲线跟踪控制仿真表明，滑模控制比传统PID控制跟踪精度高、响应速度快、抗干扰能力强，其不仅提高了挂挡过程换挡品质，而且又能保证同步器寿命。

1 前言

当前市场上常见的自动变速器主要有3种：AT、CVT和AMT[1]。AMT是在原有机械式变速器和干式离合器的基础上加装微机控制的自动操纵机构。由于原有的机械传动结构基本不变，因此AMT具有传统手动变速器传动效率高、成本低、易于制造等优点，同时也具有操纵方便的自动变速功能，且经济、方便、安全、舒适[2]。

挂挡过程作为AMT换挡过程中一个重要环节，其控制策略对同步器的使用寿命和换挡时间有较大影响，同时也影响AMT换挡舒适性。因此，AMT挂挡过程的精确控制对提高AMT系统可靠性起着重要作用。Walker[3]对同步器与换挡执行机构进行了建模，但是没有考虑对执行机构推动拨叉的行程进行精确控制；王洪亮[4]提出了换挡过程的控制策略，然而对于同步器结合的不同阶段，没有给出具体的控制方法；任玉平[5]采用模糊控制的方法，建立模糊控制规则，但对换挡电机没有确定精确跟踪控制目标的方案。

2 换挡执行系统的结构及其数学模型

2.1 换挡执行系统的结构与原理

换挡执行系统是换挡控制系统（图1）的一部分，其采用机电一体化驱动控制机构，主要集成有角位移传感器的换挡电机、换挡减速机构等。换挡电机采用额定电压12 V的永磁直流有刷电机，并通过自动变速器控制器（TCU）的电机脉宽调制转速控制。角位移信号由装载到电机输出轴的角位移传感器采集并送到TCU形成闭环系统。蜗轮蜗杆和齿轮2级减速机构可以将电机的旋转运动转换成换挡过程所需的运动，同时实现较大减速比，以获得适当的速度和足够的换挡力，带动换挡拨叉。

2.2 换挡过程分析

换挡过程第1阶段如图2a所示，拨叉向左推动结合套，结合套通过止动销带动同步环往左移动，消除滑块、结合套、同步环及齿圈之间的间隙，使同步环与齿圈紧密接触。

换挡过程第2阶段如图2b所示，拨叉继续向左推结合套，压紧同步环与齿圈，通过同步环与齿圈之间的摩擦力矩来减少两者之间的转速差，直至两者转速相同为止。

换挡过程第3阶段如图2c、图2d所示，同步环与齿圈已经同步，同步环的锁止作用消失，只需将结合套继续左移，实现与齿圈的接合[6]。

实际换挡时在同步环与结合齿圈之间会产生摩擦力矩，使同步环转一个角度并与花键毂底槽接触，此过程中如果换挡动作速度过快，会出现结合套的轮齿直接与同步环轮齿啮合的现象而造成打齿。假设换挡执行机构的运动速度有一个最大上限值，在达到该最大速度值之前，为了得到最短的换挡时间，换挡执行机构首先加速运动，再减速缓冲，从而实现在最短的换挡时间内完成换挡动作且不会产生同步冲击，由此得到理想角位移曲线（图3）。

2.3 换挡执行器建模

换挡执行机构采用永磁直流有刷电机，其基本原理如图4所示。

根据基尔霍夫定律与牛顿第二定律，建立换挡执行器电机的电压平衡方程和运动基本方程：

式中，Jm为折算到电动机轴上总的转动惯量，kg·m2；Dm为电机阻尼，N·s/rad；Tl为折算到电动机转轴上的负载转矩；Uma为电动机电枢电压；Tma为电机输出力矩；θ为电动机角位移；Ima为电枢电流；Rma为电枢回路总电阻；Lma为电枢回路总电感；kme为反电动势系数，V·s/rad；kmt为转矩常数，N·m/A。

对于换挡执行器有:

式中，Fl为换挡阻力；r为齿轮齿条中齿轮半径；ig为换挡执行机构蜗轮蜗杆传动比；iw为换挡执行机构齿轮传动比；ηg为换挡执行机构蜗轮蜗杆效率；ηw为换挡执行机构齿轮效率。

公式（1）和公式（2）联立可得：

化简后可得：

其中：

由式（4）可以得出该系统具有非线性，记：

其中，v=DUma为输入量，o（θ¨）替代式（4）等号右边除第1项以外的其他项，包含不确定换挡阻力Fl。该阻力主要为换挡开始时解除定位销（图5）的阻力Fpin、同步器作用力Fsyn和其他系统阻力。

Fpin的大小是由定位销弹簧刚度和与其对应的定位坑的尺寸决定的。

其中，

最终可得：

式中，x为结合套轴向行程；x0为结合套起始位置；x1为结合套脱开定位销的位置；x2为换挡完成位置；Fspr为弹簧力；Ff为初始阶段摩擦力；f为摩擦系数；Ff0为其他摩擦力；xspr为弹簧压缩行程；kspr为弹簧刚度；Rpin为定位销浅坑的半径；rpin为定位销头部的半径。

由于该过程历时很短，假设结合套匀速运动，那么结合套受到的阻力Fpin与时间的关系如图6所示。

Fsyn是换挡执行机构作用在同步器摩擦锥面上轴向力的反作用力，可通过同步器参数以及同步时间计算得到[7]：

式中，rsyn为同步器摩擦锥面平均半径；fsyn为同步器工作锥面间的摩擦系数；αsyn为同步器摩擦锥面半锥角；ωe为发动机角速度；tsyn为同步时间；ig（n）、ig（n+1）为n和n+1挡传动比；Jsyn-in为离合器从动盘、第1轴与第2轴常啮合齿轮连接在一起转动的转动惯量。

因为车辆工况变化多样，解除定位销的阻力Fpin作用时间相对较短，大小较Fsyn要小，所以定义的估计为：

3 滑模控制器设计

对于选换挡机构，不同车速和不同挡位所需的换挡力不同，因此造成建模的不精确性，这对非线性控制系统有很大的不利作用。滑模控制是根据系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑模面规定的规律来运行的一种控制方法。这种控制方法具有较高的鲁棒性和较强的抗干扰能力。对于换挡执行机构电机：

滑动条件：

即转化跟踪θ≡θd的问题为系统轨线必须停留在曲面S（t）上[8]。

为了满足滑动条件，需加上一个不连续项，即：

这种方法得到的跟踪控制规律在通过曲面时是不连续的，在实际控制中会得到控制抖振。为了消除该抖振，需要把控制输入修正到连续化的边界层中[8]，即：

其中，

由此可得滑模控制规律：

4 仿真结果分析

在换挡过程中，从2挡升到3挡作用时间较其他情况时间长、工况不确定。因此，对换挡执行机构在不同工况下对图3中的理想运动曲线进行跟踪，并与单闭环PID控制器进行比较，观察控制器仿真特性，仿真结果如图7所示。

从图7中可以看出，在阻力比较小的情况下，应用PID控制器与应用滑模控制器的电机跟踪误差不是很大，但在0.3 s时PID出现超调现象，这在换挡执行机构中是应该避免的。为了模拟真实情况，把2挡升3挡时同步器的阻力变为原来的2倍，得到结果如图8所示。

在换挡机构所受到的阻力变为原来2倍的情况下，滑模控制的系统跟踪误差变化不大，精度仍能保证。但是PID控制下的系统跟踪最大误差增大了80%，是总行程的7.2%，同时超调现象继续变大。与真实情况相比，图7和图8都没有考虑拨叉换挡开始时、退出自锁机构时机构中的定位销与定位销浅坑形成的阻力Fpin。考虑该阻力后，仿真结果如图9所示。

由图9可知，在较大扰动的情况下，滑模控制下的电机跟踪误差变化不大，仍能保持很好的跟踪特性。

从图7～图9中可以明显看出，在3种工况下，滑模控制比PID控制响应更快速，跟踪性能更好。PID控制中为了达到快速响应，出现了超调现象，这在换挡控制中是应该避免的。然而，在应用了滑模控制器之后基本没有出现超调现象。当负载增大的情况下，PID控制响应变慢，响应时间变长，跟踪误差变大了80%；而滑模控制下系统仍然能保持很好的跟踪特性，跟踪误差变化不大。图8在负载模拟中考虑了拨叉带动结合套开始运动，退出定位销机构时，机构中的锁止钢球与定位销浅坑形成的阻力。在该扰动情况下，可以看出滑模控制的跟踪误差明显比PID控制下的误差要小，具有很强的鲁棒性。

总体比较，滑模控制比PID控制的跟踪精度高、响应速度快、抗干扰能力强，适用于AMT难以测量换挡阻力且对精度要求很高的换挡执行器中。

5 结束语

分析了AMT换挡机构的结构，建立AMT换挡执行器的电机模型和动力学模型。根据滑模控制方法论，设计了滑模控制器。仿真结果表明，该方法比传统PID控制具有更高的跟踪精度、更快的响应速度、更好的鲁棒性。

1LiaoChenglin，Zhang Junzhi，Lu Qingchun.Coordinated powertraincontrolmethodforshiftingprocessofautomated mechanical transmission in the hybrid electric vehicle. JixieGongchengXuebao，ChineseJournalofMechanical Engineering，2005（12）：37～41.

2孔慧芳.电控机械式自动变速器中传动与控制的关键技术研究：[学位论文].安徽：合肥工业大学，2007.

3Walker，Nong Zhang.Engagement and control of synchroniser mechanismsindualclutchtransmissions.Mechanical Systems and Signal Processing，2012（1）:320～332.

4王洪亮，刘海鸥，关超华，等.重型车辆AMT换挡过程控制方法研究.汽车工程，2009，31（6）:540～544.

5任玉平，葛安林.全电式AMT选换挡系统模糊控制方法.汽车技术，2004，（8）:11～14.

6何忠波，梁宪福，韩正军，等.AMT换挡过程动力学建模及换挡品质影响因素分析.军械工程学院学报，2004，16（6）:45～49.

7关文迭.汽车构造.北京：清华大学出版社，2004，238～240.

8Jean-JeacquesE.Soltine，Applied nonlinedcontrol.Massachusetts，Prentice Hall，1991.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2013年6月20日。

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《汽车技术》杂志编辑部

Precise Tracking Control of AMT Electric Shift Actuator

Shen Ye1，Wu Guangqiang1，2，Luo Xianyin1
（1.Tongji University;2.Institute of Industrial Science，the University of Tokyo）

Structure and operating principle of AMT shifting actuator are described in the paper.After analysis and modeling of the shifting actuator in the AMT，a non-linear system sliding mode controller of the gearshift motor is constructed based on the control principle of variable structure sliding mode，which enables the controlled motor to have high precision tracking quality and strong anti-jamming capability.The stimulation of the ideal motion curve tracking control of upshifting from gear 2 to gear 3 shows that the sliding mode control has higher precision，faster response speed and better anti-jamming capability compared with PID control tracking，it not only improves the shifting quality，but also prolongs the service life of the synchronizers.

AMT,Shifting actuator,Motor,Sliding mode control

AMT换挡执行机构电机滑模控制

U463.212

：A

：1000-3703(2014)01-0024-05