摘要電動汽車所采用的無離合器機械式自動變速器的降扭和扭矩恢復(fù)會引起傳動系統(tǒng)的扭振，降扭調(diào)節(jié)不當(dāng)還會對后續(xù)的換擋控制產(chǎn)生不利影響.為提高換擋品質(zhì)，對換擋過程的降扭和扭矩恢復(fù)兩個階段的動力學(xué)機理和控制方法進行了研究.建立了傳動系統(tǒng)扭振模型和同步器齒輪嚙合模型，分析了換擋過程扭矩變化對扭振的激勵規(guī)律，揭示了非充分降扭對摘擋過程車輛動力學(xué)性能以及執(zhí)行機構(gòu)損傷的影響機理;根據(jù)二階系統(tǒng)特性設(shè)計了扭矩控制器，根據(jù)系統(tǒng)初始狀態(tài)假設(shè)設(shè)計了虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了對扭矩控制過程的系統(tǒng)扭振抑制和初始狀態(tài)估計;完成了降扭和扭矩恢復(fù)控制效果仿真驗證.研究表明，所設(shè)計控制器可以通過調(diào)節(jié)控制率系數(shù)來配置系統(tǒng)阻尼比，從而得到不同的扭矩控制特性，在阻尼比系數(shù)接近于1時能夠有效降低降扭階段和扭矩恢復(fù)階段產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動.

　　關(guān)鍵詞電動汽車，機械式自動變速器，換擋品質(zhì)，扭矩控制，扭振抑制

　　引言

　　新能源汽車被普遍認(rèn)為是未來汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向，已經(jīng)成為世界汽車強國和汽車制造商的研發(fā)重點.由于電動機具有被控性能強、機械結(jié)構(gòu)簡單、電能來源廣泛和工作效率高等特點，純電動汽車已經(jīng)成為新能源汽車的主要車型.雖然現(xiàn)有純電動汽車大部分采用固定速比減速器直接驅(qū)動，但在配置合適擋位的變速系統(tǒng)后，其工作效率和動力性均可以得到大幅提高[1].變速系統(tǒng)具有多種類型，其中，少擋位機械式自動變速器(AutomatedManualTransmission—AMT)具有低成本和高效率等優(yōu)點，已經(jīng)成為純電動汽車的主要傳動形式[2]，但AMT在換擋過程中存在明顯的換擋沖擊和動力中斷問題，換擋品質(zhì)提升一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點.AMT的換擋過程可以分為降扭、摘擋、調(diào)速、升擋和扭矩恢復(fù)等幾個階段，其中降扭、扭矩恢復(fù)、調(diào)速和升擋階段對換擋品質(zhì)都具有重要影響。

　　因此很多學(xué)者和企業(yè)對此開展了研究.周英超等[3]研制了一種基于電磁直線執(zhí)行器的換擋系統(tǒng)，并提出了時序重疊換擋控制策略和基于二自由度控制原理的位置復(fù)合控制器，有效減少了動力中斷時間;WangX等[4]提出了一種雙環(huán)自學(xué)習(xí)模糊控制方法，有效處理了換擋過程中的非線性問題和未知參數(shù)的問題.以上兩種方法從升擋階段入手，改善了換擋品質(zhì).沈文臣等[5]通過分析AMT同步器的接合機理，提出了一種基于電機轉(zhuǎn)矩控制的變速器輸入端主動同步方法，縮短了動力中斷時間并提高了進擋成功率與可靠性.此文獻主要考慮了調(diào)速階段對換擋控制的影響.

　　實際上，降扭和扭矩恢復(fù)階段分別是換擋過程的起始階段和終止階段，在換擋過程中具有啟下承上的作用.降扭結(jié)束后，驅(qū)動電機處于自由模式，此時傳動系統(tǒng)的內(nèi)部驅(qū)動力矩最小，因此可以縮短換擋時間，并且增加摘擋的成功率[6,7]，但不合理的降扭過程會引起系統(tǒng)扭振，從而惡化換擋品質(zhì).王大方等[8]通過沖擊度計算出了降扭速率(斜率法)，按照所計算的降扭速率進行降扭和扭矩恢復(fù)控制;董愛道等[9]提出了線性二次型最優(yōu)降扭控制方法，根據(jù)沖擊度最小目標(biāo)得到了扭矩下降的最優(yōu)軌跡.

　　以上兩種方法均通過沖擊度來求解扭矩控制軌跡，對沖擊度會起到抑制作用，但并未考慮系統(tǒng)的扭振特性.針對系統(tǒng)扭振問題，很多學(xué)者也開展了相關(guān)研究.于蓬等[10]提出綜合考慮控制電機動態(tài)特性及傳動系統(tǒng)間隙/柔性的機電耦合仿真方法，初步揭示電動汽車傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動特性;宋田堂等[11]建立了動力傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動模型，計算并分析了傳動系統(tǒng)的固有特性和模態(tài)振型，為純電動汽車降低傳動系扭振提供了參考;SyedFU等[12]提出了一種主動阻尼車輪轉(zhuǎn)矩控制方法，有效抑制了驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動.上述方法具有一定的控制效果，但還缺乏對降扭和恢復(fù)整個過程力矩變化問題的系統(tǒng)性研究.

　　本文在前期關(guān)于AMT換擋控制相關(guān)問題和系統(tǒng)扭振抑制方法研究基礎(chǔ)上[13,14]，以適用于電動汽車的無離合器AMT為研究對象，對換擋過程中的扭矩控制階段進行綜合建模，分析扭矩控制對換擋品質(zhì)和部件損傷的影響，制定更為適合的扭矩控制方法，為提升該類系統(tǒng)的換擋品質(zhì)和可靠性奠定理論基礎(chǔ).

　　1無離合器AMT換擋過程分析

　　本文的研究對象為電動汽車無離合器AMT系統(tǒng).其中，電動機直接與AMT系統(tǒng)連接，AMT系統(tǒng)通過輸出軸與車輪連接，有效減小了動力傳遞路線，取消了離合器，可以減小能量損失，并提高傳動效率.

　　1.1無離合器

　　AMT換擋控制策略當(dāng)無離合器AMT進行擋位切換時，由驅(qū)動電機的扭矩控制功能來替代傳動汽車AMT離合器的動力中斷與接合功能，通過驅(qū)動電機的主動調(diào)速來實現(xiàn)輸入軸和待接合齒輪的主動同步.當(dāng)車輛行駛狀態(tài)達到換擋指標(biāo)要求后，整車控制器VCU(VehicleControlUnit)將降扭指令發(fā)送至電機控制器MCU(MotorControlUnit)來控制驅(qū)動電機進行降扭，當(dāng)降扭完成后，VCU將摘擋指令發(fā)送至換擋控制器TCU(ShiftControlUnit)，由TCU控制執(zhí)行機構(gòu)進行摘擋.

　　在此控制過程中，雖然驅(qū)動電機可以通過控制輸出轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)動力中斷，但是卻不能解決驅(qū)動電機與輸入軸直接串聯(lián)所造成的轉(zhuǎn)動慣量增加問題.在摘擋結(jié)束后，驅(qū)動電機會進行主動調(diào)速來減小輸入軸與目 標(biāo)齒輪的轉(zhuǎn)速差，以此緩解同步轉(zhuǎn)速過程對同步器的損耗.當(dāng)主動調(diào)速與擋位選擇結(jié)束后，VCU將掛擋指令發(fā)送至TCU，在接合套達到目標(biāo)位置后，VCU將扭矩恢復(fù)指令發(fā)送至MCU，開始扭矩恢復(fù)階段.因此，在無離合器AMT換擋過程中包含降扭和扭矩恢復(fù)兩個扭矩控制階段.

　　2驅(qū)動電機扭矩控制策略

　　為了減小扭矩變化引起傳動系統(tǒng)扭振，設(shè)計了了扭矩控制策略.由于扭矩控制階段非常短暫且系統(tǒng)扭振狀態(tài)難以用傳感器測量，所以控制器策略包含了扭矩控制器和虛擬系統(tǒng)兩個部分，扭矩控制器負(fù)責(zé)控制扭矩變化，虛擬系統(tǒng)負(fù)責(zé)估計系統(tǒng)狀態(tài).

　　3仿真驗證

　　基于Matlab/Simulink與AMEsim搭建聯(lián)合仿真平臺，進行無離合器AMT換擋控制效果的仿真驗證。一般情況下，當(dāng)二階系統(tǒng)的阻尼比為0.707時具有良好的響應(yīng)性能[15]，因此，將系統(tǒng)阻尼比設(shè)置成0.707的有控制與阻尼比0.309的無控制進行對比，無控制的系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩第一次到達零點的時間明顯小于有控制的時間，但是在經(jīng)過零點后產(chǎn)生了嚴(yán)重的超調(diào)，并且即使在無控制情況下系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也具有一定的時間延時.當(dāng)阻尼比小于臨界值后不再影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間.扭矩在0.2s以后產(chǎn)生了變化，這是因為在降扭和摘擋完成后，驅(qū)動電機需要進行主動調(diào)速所致.

　　描述了扭矩變化與接合套位移的關(guān)系，實際上系統(tǒng)的響應(yīng)轉(zhuǎn)矩不可測，所以判斷降扭完成標(biāo)準(zhǔn)為驅(qū)動電機的反饋力矩.在無控制降扭情況下，系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩未達到穩(wěn)定就開始了摘擋動作，這是因為驅(qū)動電機的力矩下降速度遠大于系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩，故導(dǎo)致了接合套移動過程提前完成，并且在接合套脫離齒圈后對系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了不利影響，這也引起了換擋力的變化.無控制摘擋過程中換擋力產(chǎn)生了連續(xù)兩次波動.

　　第一次換擋力波動是因摘擋力需要克服參與扭矩產(chǎn)生的附 加拉力所導(dǎo)致，其規(guī)律與其所描述的一致.同步器的嚙合齒具有后角，在系統(tǒng)的殘余轉(zhuǎn)矩的作用下，齒圈通過嚙合齒后角對接合套產(chǎn)生拉力，使摘擋力變大.而第二次換擋力波動主要由系統(tǒng)殘余扭矩形成的附加推力產(chǎn)生，接合套與齒圈的會發(fā)生正齒面接觸，在系統(tǒng)殘余轉(zhuǎn)矩的作用下，齒圈向?qū)�接合套產(chǎn)生推力，導(dǎo)致了摘擋力的巨大波動.這些非主動換擋力波動會影響執(zhí)行機構(gòu)壽命和控制系統(tǒng)性能，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)變形損壞.而并沒有受到換擋力波動的影響，這是因為仿真中所采用的執(zhí)行機構(gòu)傳動形式為具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機構(gòu)，自鎖功能防止了力的反向轉(zhuǎn)遞，實際采用這種形式會對執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生更大的傷害.

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　　4小結(jié)

　　(1)針對電動汽車無離合器AMT換擋過程的降扭和扭矩恢復(fù)過程中驅(qū)動電機的控制問題開展研究，通過系統(tǒng)建模和仿真分析，揭示了驅(qū)動電機殘余扭矩對摘擋控制難度和執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響的動力學(xué)機理;(2)設(shè)計了應(yīng)用于傳動系統(tǒng)扭振抑制的控制器，得到了不同控制參數(shù)對系統(tǒng)阻尼特性的影響規(guī)律.研究表明，通過調(diào)整阻尼比系數(shù)，可有效抑制降扭和扭矩恢復(fù)過程引起的系統(tǒng)扭振;(3)提出了通過虛擬系統(tǒng)預(yù)測扭矩控制換擋過程中傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)角的方法，解決了車輛扭振狀態(tài)難以測量的問題，為后續(xù)開展動力性降扭和舒適性降扭控制策略研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)，對于提升AMT的換擋品質(zhì)具有重要的參考價值.

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　　作者：祁炳楠1楊劉權(quán)2郭曉斌2張利鵬3