两挡AMT无动力中断换挡协调控制研究

王明 盛继新 丁飞 张邦基 文桂林 张农

摘   要：针对一种纯电动汽车用离合器后置式二挡机械式自动变速器（AMT），提出将同步器布置于变速器第二轴的方案，通过离合器和同步器的切换控制实现无动力中断换挡.为使换挡过程中变速器输出扭矩变化平顺，综合考虑冲击度与滑摩功等换挡性能指标，针对换挡过程的不同阶段，采用相应的换挡协调控制策略：扭矩相时驱动电机扭矩保持不变，同时协调控制离合器扭矩;惯性相时分别采用PID、自适应模糊PID控制电机扭矩使离合器转速差跟踪目标轨迹.基于Matlab/Simulink建立整车纵向动力学模型并进行仿真试验.结果表明：所制定的换挡协调控制策略是有效的，相较于惯性相时采用PID控制离合器转速差，采用自适应模糊PID控制能有效改善换挡品质，换挡过程中最大冲击度和滑摩损失都有所减小，变速器输出扭矩变化平顺无动力中断，整车舒适性有较大提高.

关键词：电动汽车;AMT;换挡;无动力中断;自适应模糊PID控制;协调控制

中图分类号：TH132.41                         文献标志码：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

目前純电动汽车多采用电机加减速器的直驱模式，虽然这种动力传动系统成本低，但是存在以下缺点：电机本身的特性无法兼顾车辆低速和高速时的动力性能;电机整体运行效率不高，因为电机效率曲线随扭矩和转速变化.研究表明[1]：将两挡或多挡变速器应用于纯电动汽车能有效提高驱动电机工作效率进而增加纯电动汽车续航里程.因而，纯电动汽车用变速器的研究越来越引起国内外学者的重视.

传统AMT在换挡过程中始终存在动力中断问题[2]，影响整车舒适性.钟再敏[3]、Walker等[4]进行了汽车AMT无离合器换挡控制研究，能显著提高换挡舒适性，但未能解决动力中断问题. 叶杰等[5]通过开关原件（单向离合器）和摩擦式离合器的组合实现两挡变速器无动力中断换挡. 国内外很多学者以DCT为对象通过离合器切换进行无动力中断换挡控制研究，其中离合器的切换控制关键在于精确估计离合器扭矩[6]和扭矩观测器的设计[7]. 李军求等[8]以两挡行星齿轮变速器为对象，利用线性二次型最优控制策略实现了换挡过程中离合器的切换控制.田阳等[9]基于两挡行星齿轮式自动变速器，通过两个制动器的切换可以实现无动力中断换挡，并分析了三种不同的扭矩控制策略对换挡品质的影响. 胡建军等[10]分析了换挡过程不同阶段换挡冲击产生的机理，并进行试验验证. Kuroiwa[11]和Galvagno等[12]研究了新型离合器后置扭矩辅助系统，并应用于传统车辆.高炳钊[13]分析了电动车用离合器后置变速系统，实现了无动力中断换挡，制定了换挡控制策略，惯性相阶段采用了PID控制离合器转速差，但对换挡过程中车辆冲击度变化未做分析.

本文基于离合器后置式自动变速系统，制定了换挡协调控制策略;扭矩相时协调控制电机扭矩和离合器扭矩;惯性相时，分别采用PID、自适应模糊PID进行电机扭矩控制使离合器转速差按照最优轨迹变化;最后对整个换挡过程进行动力学建模并仿真验证.

1   动力传动系统构型

本文在文献[13]中所提出的离合器后置式AMT的基础上提出将同步器布置在变速器二轴.图1为带有离合器后置式AMT的纯电动汽车动力系统结构原理图，动力系统主要由电机、两挡变速器以及一个后置离合器组成. 文献[13]中AMT的同步器位于图中所示的一轴上（方案一），本文构型中同步器位于变速器二轴上（方案二），方案二能降低换挡时同步器两侧转速差，进而缩短换挡时间，减少同步器的磨损，分析过程如下.

方案一中同步器位于一轴，升挡和降挡时同步器两侧转速差分别为：

Δω1up = ω0（1 - i2 /i1）              （1）

Δω1down = ω0（1 - i1 /i2）              （2）

式中：Δω1up、Δω1down分别为升挡和降挡时同步器两侧转速差;ω0为输入轴转速;i1和i2分别为变速器一挡传动比和二挡传动比.

方案二升挡和降挡时同步器两侧转速差相同，为：

Δω2 = ω0（1/i1 - 1 /i2）              （3）

参照车型变速器一挡和二挡传动比均大于1，由式（4）～（5）可知：本文将同步器布置在第二轴，可减少换挡过程中同步器两侧的转速差，从而降低同步器同步过程中的滑摩损失和冲击.

变速器换挡工作过程分为升挡和降挡.当变速器控制器（TCU）接到升挡命令时，离合器逐渐接合，待同步器传递扭矩降为零时，同步器迅速分离. 当同步器完全分离时，电机驱动扭矩经一轴和离合器传至二挡齿轮，随后锁止离合器，动力平顺传递至二轴，升挡过程结束. 降挡过程：在电机调速过程中，离合器逐渐分离，待离合器转速差达到目标值时，同步器迅速结合，在同步器同步前，一轴始终通过二挡齿轮传递扭矩. 当同步器结合后，动力迅速经同步器传递，此时离合器完全处于滑摩状态，控制电机和离合器扭矩使离合器逐渐分离，待离合器完全分离时降挡过程结束.

2   动力学建模

为了验证本文所提出构型的动力学性能和换挡控制策略，建立如图2所示的动力学模型，假定变速器中的齿轮和轴都为刚體，仅考虑电机输出轴

和变速器输出轴的弹性变形.定义：J1、J2、Jm分别为变速器一轴、二轴、电机的转动惯量;J1b、J2a、J3为1挡被动齿轮、2挡主动齿轮和离合器被驱动盘、主减被动齿轮的转动惯量;Jv为包含整车质量、车轮、半轴等在内的等效转动惯量. K1、C1分别为电机输出轴的刚度和阻尼;K2、C2分别为变速器输出轴的等效刚度和等效阻尼.V分别为电机、一轴、二轴、变速器输出轴的角加速度. Tm为电机扭矩;Tc、Ts分别为离合器、同步器传递扭矩;TL为变速器输出轴阻力矩.

式中：Tm = f（αp，ωm），ωm为电机转速，αp为加速踏板开度，电机扭矩可以通过图3所示电机MAP图用查表方法获取.

换挡过程中，离合器和同步器的扭矩协调控制通过离合器压力控制实现，同步器起到开关作用，因此本文主要关注惯性相阶段的速度同步过程，忽略同步过程中同步器的动态特性，采用了如式（8）所示简化的同步器模型.

其中，Fs = F0   Engaging0    Neutral

Fs为同步器摩擦锥面上的轴向力（换挡拨叉轴向力）;μD为工作锥面间的摩擦系数;Rc为摩擦锥面平均半径;β为摩擦锥面半锥角;F0为使同步器结合施加的轴向力[14].

当离合器处于滑摩状态时，即当时   （离合器主、从动盘速分别为），其传递扭矩为：

Tc = μc NRP   （9）

式中：R为摩擦片式离合器摩擦片的有效半径;N为离合器的摩擦片数;μc为离合器动摩擦因数;P为离合器压盘压力.

变速器输出扭矩和为：

式中：M为整车质量;g为重力加速度;α为路面坡度;ρ为空气密度;Cd为空气阻力系数;f为地面滚动摩擦系数;rd为轮胎半径.

本文主要以冲击度和滑摩功两个指标来评价换挡品质.其中，

车辆冲击度为：

式中，a（t）为车辆纵向加速度.

换挡过程中产生的离合器滑摩功为：

式中：t0，t2分别为换挡开始和结束时刻.

3   换挡控制策略

为了保证变速器输出扭矩平顺变化，提高换挡品质，需精确控制驱动电机、同步器和离合器传递扭矩，制定如图4所示换挡控制策略.

当处于升挡扭矩相时，保持驱动电机扭矩不变，同时控制离合器和同步器传递扭矩，使离合器逐渐结合;在升挡惯性相时，此时同步器已完全分离，采用自适应模糊PID控制驱动电机使离合器主从动盘转速差跟随参考轨迹.降挡过程与升挡过程相反，先进入惯性相再进入扭矩相.根据控制策略制定的控制流程如图5所示.

3.1   扭矩相控制

当处于升挡扭矩相时，驱动电机扭矩保持不变（即Tm = 常数），如图4所示，同时由于换挡时间较短，认为车辆的阻力矩保持不变. 此时整个系统只有一个独立变量，只要确定了Ts值，即可求出控制量离合器扭矩Tc.

控制目标是：在给定的扭矩相时间内，使Ts线性下降到0，则：

式中：t0为换挡开始时刻;t1为扭矩相结束时刻;T s，t0为t0时刻Ts值. 以上参数均为已知参数.

降挡过程中离合器扭矩控制律推导过程可参照升挡过程.

3.2   惯性相控制

在同步器锁止和离合器分离过程中会产生变速器输出扭矩突变.换挡前后变速器传动比发生变化，换挡前后电机转速也会发生突变. 为了避免换挡过程中变速器输出扭矩和转速产生剧烈变化，离合器主从动盘转速差应满足以下要求[13]：1）t2 - t1不超过要求的换挡时间（t1、t2分别为升挡惯性相开始和结束时刻）;2）在t1、t2时刻电机转速变化率为零;3）整个转速差变化应保持平顺，调速过程中离合器主从动盘转速差参考轨迹曲线如图6所示.

在电机调速的同时加大离合器的结合压力，既可使离合器转速同步时间缩短又可有效避免离合器因为电机扭矩波动导致离合器在滑摩和结合状态之间来回切换.采用自适应模糊PID控制电机调速，使离合器主从动盘转速差跟随参考轨迹，其控制原理图如图7所示，其中dw为离合器主从动盘转速差.

模糊自适应PID控制能综合规则预设定的先验数据在线整定PID各个参数，能充分发挥PID优良的控制性能，具有较强抗干扰能力，从而取得较好的控制效果.

设定自适应模糊PID控制中输入量与输出量的关系为：

式中：Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数;ΔKp、 ΔKi、ΔKd是模糊控制的三个自适应修正值.

模糊控制输入量e和ec采用相同模糊成员函数，如图8所示，输出量 ΔKp、 ΔKi、ΔKd是采用如图9所示成员函数，相应的控制规則如表1、表2和表3所示，模糊语言变量为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，对应的模糊子集为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，控制采用Mamdani推理法.

4   仿真试验及结果分析

4.1   模型参数及仿真工况设定

为验证换挡控制策略的有效性，基于Matlab/ Simulink建立车辆传动系统动力学模型，车辆传动系统主要参数如表4所示.

为了保证整车仿真过程中车辆实现先升挡后降挡，设定如下仿真工况：以30%的加速踏板开度起步，变速器升挡完成后，逐渐将加速踏板开度在5 s时间内线性下降至10%开度，然后以10%加速踏板开度继续行驶，路面坡度为2.5%.

4.2   仿真试验结果

本文PID控制参数设定为：Kp = 210、Ki = 15、Kd = 10.升挡仿真试验结果如图10～图11所示，PID-Ts、PID-Tc、PID-Tm、PID-To分别为采用PID控制的换挡过程中同步器、离合器、电机扭矩和变速器输出扭矩.PID-ω1、PID-ω2、PID-ωm分别为采用PID控制的换挡过程的变速器一轴、变速器二轴、电机的转速;带有Fuzzy-PID 前缀的变量为采用自适应模糊PID控制的仿真结果.PID-jerk、Fuzzy-PID-jerk分别为采用PID控制、自适应模糊PID控制的换挡过程中的冲击度.

10.00 s时升挡开始，换挡过程进入扭矩相，电机扭矩保持不变，离合器逐渐接合，离合器传递扭矩逐渐增加，而同步器传递扭矩逐步减小，10.35 s时，Ts = 0，迅速摘下同步器，扭矩相结束并进入惯性相.在惯性相时，调节电机的转速到达二挡对应的目标转速，使离合器转速差跟随参考轨迹，同时离合器的结合压力逐渐增大，Tc相应增大，直到10.58 s时刻调速过程完成，在此期间离合器一直处于滑摩状态直到10.69 s离合器完全结合，惯性相完成.整个升挡过程持续0.69 s，最大冲击度发生在同步器分离时刻，但均小于5 m/s3. 整个升挡过程中变速器输出扭矩均变化平顺无突变，采用PID和自适应模糊PID两者控制结果基本保持一致，如图11所示.

降挡过程仿真试验结果如图12所示，在25.58 s时，开始降挡并进入惯性相，通过电机调速，使离合器转速差跟随参考轨迹，在25.81 s电机调速完成，同步器结合，惯性相结束并进入扭矩相阶段，离合器逐渐分离直至26.19 s时离合器完全脱开，此时扭矩相结束.整个升挡过程持续时间为0.61 s，最大冲击度发生在挂挡的一瞬间，但均未超过5 m/s3. 降挡过程变速器输出扭矩变化情况如图13所示，相比较PID控制结果，采用自适应模糊PID控制时变速器输出扭矩（Fuzzy-PID-To）波动更小，换挡时间缩短.