无离合器机械式自动变速器换挡过程的扭矩控制

　　摘要电动汽车所采用的无离合器机械式自动变速器的降扭和扭矩恢复会引起传动系统的扭振，降扭调节不当还会对后续的换挡控制产生不利影响.为提高换挡品质，对换挡过程的降扭和扭矩恢复两个阶段的动力学机理和控制方法进行了研究.建立了传动系统扭振模型和同步器齿轮啮合模型，分析了换挡过程扭矩变化对扭振的激励规律，揭示了非充分降扭对摘挡过程车辆动力学性能以及执行机构损伤的影响机理;根据二阶系统特性设计了扭矩控制器，根据系统初始状态假设设计了虚拟系统，实现了对扭矩控制过程的系统扭振抑制和初始状态估计;完成了降扭和扭矩恢复控制效果仿真验证.研究表明，所设计控制器可以通过调节控制率系数来配置系统阻尼比，从而得到不同的扭矩控制特性，在阻尼比系数接近于1时能够有效降低降扭阶段和扭矩恢复阶段产生的扭转振动.

　　关键词电动汽车，机械式自动变速器，换挡品质，扭矩控制，扭振抑制

　　引言

　　新能源汽车被普遍认为是未来汽车转型发展的主要方向，已经成为世界汽车强国和汽车制造商的研发重点.由于电动机具有被控性能强、机械结构简单、电能来源广泛和工作效率高等特点，纯电动汽车已经成为新能源汽车的主要车型.虽然现有纯电动汽车大部分采用固定速比减速器直接驱动，但在配置合适挡位的变速系统后，其工作效率和动力性均可以得到大幅提高[1].变速系统具有多种类型，其中，少挡位机械式自动变速器(AutomatedManualTransmission—AMT)具有低成本和高效率等优点，已经成为纯电动汽车的主要传动形式[2]，但AMT在换挡过程中存在明显的换挡冲击和动力中断问题，换挡品质提升一直是相关领域的研究重点.AMT的换挡过程可以分为降扭、摘挡、调速、升挡和扭矩恢复等几个阶段，其中降扭、扭矩恢复、调速和升挡阶段对换挡品质都具有重要影响。

　　因此很多学者和企业对此开展了研究.周英超等[3]研制了一种基于电磁直线执行器的换挡系统，并提出了时序重叠换挡控制策略和基于二自由度控制原理的位置复合控制器，有效减少了动力中断时间;WangX等[4]提出了一种双环自学习模糊控制方法，有效处理了换挡过程中的非线性问题和未知参数的问题.以上两种方法从升挡阶段入手，改善了换挡品质.沈文臣等[5]通过分析AMT同步器的接合机理，提出了一种基于电机转矩控制的变速器输入端主动同步方法，缩短了动力中断时间并提高了进挡成功率与可靠性.此文献主要考虑了调速阶段对换挡控制的影响.

　　实际上，降扭和扭矩恢复阶段分别是换挡过程的起始阶段和终止阶段，在换挡过程中具有启下承上的作用.降扭结束后，驱动电机处于自由模式，此时传动系统的内部驱动力矩最小，因此可以缩短换挡时间，并且增加摘挡的成功率[6,7]，但不合理的降扭过程会引起系统扭振，从而恶化换挡品质.王大方等[8]通过冲击度计算出了降扭速率(斜率法)，按照所计算的降扭速率进行降扭和扭矩恢复控制;董爱道等[9]提出了线性二次型最优降扭控制方法，根据冲击度最小目标得到了扭矩下降的最优轨迹.

　　以上两种方法均通过冲击度来求解扭矩控制轨迹，对冲击度会起到抑制作用，但并未考虑系统的扭振特性.针对系统扭振问题，很多学者也开展了相关研究.于蓬等[10]提出综合考虑控制电机动态特性及传动系统间隙/柔性的机电耦合仿真方法，初步揭示电动汽车传动系统的扭转振动特性;宋田堂等[11]建立了动力传动系统的扭转振动模型，计算并分析了传动系统的固有特性和模态振型，为纯电动汽车降低传动系扭振提供了参考;SyedFU等[12]提出了一种主动阻尼车轮转矩控制方法，有效抑制了驱动系统产生的振动.上述方法具有一定的控制效果，但还缺乏对降扭和恢复整个过程力矩变化问题的系统性研究.

　　本文在前期关于AMT换挡控制相关问题和系统扭振抑制方法研究基础上[13,14]，以适用于电动汽车的无离合器AMT为研究对象，对换挡过程中的扭矩控制阶段进行综合建模，分析扭矩控制对换挡品质和部件损伤的影响，制定更为适合的扭矩控制方法，为提升该类系统的换挡品质和可靠性奠定理论基础.

　　1无离合器AMT换挡过程分析

　　本文的研究对象为电动汽车无离合器AMT系统.其中，电动机直接与AMT系统连接，AMT系统通过输出轴与车轮连接，有效减小了动力传递路线，取消了离合器，可以减小能量损失，并提高传动效率.

　　1.1无离合器

　　AMT换挡控制策略当无离合器AMT进行挡位切换时，由驱动电机的扭矩控制功能来替代传动汽车AMT离合器的动力中断与接合功能，通过驱动电机的主动调速来实现输入轴和待接合齿轮的主动同步.当车辆行驶状态达到换挡指标要求后，整车控制器VCU(VehicleControlUnit)将降扭指令发送至电机控制器MCU(MotorControlUnit)来控制驱动电机进行降扭，当降扭完成后，VCU将摘挡指令发送至换挡控制器TCU(ShiftControlUnit)，由TCU控制执行机构进行摘挡.

　　在此控制过程中，虽然驱动电机可以通过控制输出转矩来实现动力中断，但是却不能解决驱动电机与输入轴直接串联所造成的转动惯量增加问题.在摘挡结束后，驱动电机会进行主动调速来减小输入轴与目 标齿轮的转速差，以此缓解同步转速过程对同步器的损耗.当主动调速与挡位选择结束后，VCU将挂挡指令发送至TCU，在接合套达到目标位置后，VCU将扭矩恢复指令发送至MCU，开始扭矩恢复阶段.因此，在无离合器AMT换挡过程中包含降扭和扭矩恢复两个扭矩控制阶段.

　　2驱动电机扭矩控制策略

　　为了减小扭矩变化引起传动系统扭振，设计了了扭矩控制策略.由于扭矩控制阶段非常短暂且系统扭振状态难以用传感器测量，所以控制器策略包含了扭矩控制器和虚拟系统两个部分，扭矩控制器负责控制扭矩变化，虚拟系统负责估计系统状态.

　　3仿真验证

　　基于Matlab/Simulink与AMEsim搭建联合仿真平台，进行无离合器AMT换挡控制效果的仿真验证。一般情况下，当二阶系统的阻尼比为0.707时具有良好的响应性能[15]，因此，将系统阻尼比设置成0.707的有控制与阻尼比0.309的无控制进行对比，无控制的系统响应转矩第一次到达零点的时间明显小于有控制的时间，但是在经过零点后产生了严重的超调，并且即使在无控制情况下系统转矩响应也具有一定的时间延时.当阻尼比小于临界值后不再影响系统转矩响应时间.扭矩在0.2s以后产生了变化，这是因为在降扭和摘挡完成后，驱动电机需要进行主动调速所致.

　　描述了扭矩变化与接合套位移的关系，实际上系统的响应转矩不可测，所以判断降扭完成标准为驱动电机的反馈力矩.在无控制降扭情况下，系统响应转矩未达到稳定就开始了摘挡动作，这是因为驱动电机的力矩下降速度远大于系统响应转矩，故导致了接合套移动过程提前完成，并且在接合套脱离齿圈后对系统响应转矩产生了不利影响，这也引起了换挡力的变化.无控制摘挡过程中换挡力产生了连续两次波动.

　　第一次换挡力波动是因摘挡力需要克服参与扭矩产生的附 加拉力所导致，其规律与其所描述的一致.同步器的啮合齿具有后角，在系统的残余转矩的作用下，齿圈通过啮合齿后角对接合套产生拉力，使摘挡力变大.而第二次换挡力波动主要由系统残余扭矩形成的附加推力产生，接合套与齿圈的会发生正齿面接触，在系统残余转矩的作用下，齿圈向对接合套产生推力，导致了摘挡力的巨大波动.这些非主动换挡力波动会影响执行机构寿命和控制系统性能，严重情况会导致执行机构变形损坏.而并没有受到换挡力波动的影响，这是因为仿真中所采用的执行机构传动形式为具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构，自锁功能防止了力的反向转递，实际采用这种形式会对执行机构产生更大的伤害.

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　　4小结

　　(1)针对电动汽车无离合器AMT换挡过程的降扭和扭矩恢复过程中驱动电机的控制问题开展研究，通过系统建模和仿真分析，揭示了驱动电机残余扭矩对摘挡控制难度和执行机构结构安全产生不利影响的动力学机理;(2)设计了应用于传动系统扭振抑制的控制器，得到了不同控制参数对系统阻尼特性的影响规律.研究表明，通过调整阻尼比系数，可有效抑制降扭和扭矩恢复过程引起的系统扭振;(3)提出了通过虚拟系统预测扭矩控制换挡过程中传动系统扭转角的方法，解决了车辆扭振状态难以测量的问题，为后续开展动力性降扭和舒适性降扭控制策略研究奠定了一定的理论基础，对于提升AMT的换挡品质具有重要的参考价值.

　　参考文献

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　　5沈文臣,胡宇辉,席军强，等.混合动力车辆自动机械变速器换挡过程分析与控制.汽车工程,2016,38(3):337~343(ShenWC,HuYH,XiJQ,etal.AnalysisandControloftheShiftingProcessofAMTinHEV.AutomotiveEngineering,2016,38(3):337~343(inChinese))

　　作者：祁炳楠1杨刘权2郭晓斌2张利鹏3