郭學茂， 吳 斌， 李天琨， 陳存璽， 任 景

(北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京 100124)

當前世界能源形勢緊張，環(huán)境問題日益突出，電動汽車取代內燃機汽車成為發(fā)展趨勢[1].美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)都十分重視汽車的電動化，因此,無論是政策上還是技術上電動汽車都更具優(yōu)勢[2].為了使電機的力矩特性更加適合汽車需求，需要配備變速器[3].而追求汽車的舒適性、操縱便捷性，自動變速器是發(fā)展的必然趨勢.AMT相較于其他自動變速器(CVT、DCT、AT)具有效率高、體積小、重量輕和成本低等特點，在國內使用較多[1,4-5].文獻[1]采用PD算法控制多擋換擋電機.文獻[3]提出了整車控制器控制驅動電機參與換擋過程的綜合協調匹配控制方法.文獻[5]對AMT換擋可靠性進行了研究.文獻[6]利用CAN總線技術實現了驅動電機控制器和AMT控制器的協調控制.總的來說，目前AMT的研究多集中于整體策略的研究，沒有對換擋過程的具體優(yōu)化；多利用較為復雜的PD控制，而非PWM控制技術；并且集中在貨車和大客車等舒適性要求較低的車輛，而對于舒適性要求高的小客車而言，降低換擋時間和沖擊顯得尤為重要.

文中通過對純電動汽車AMT換擋過程進行研究，提出換擋電機與動力電機相互配合的協同換擋策略和PWM分段控制策略，降低了換擋時間和沖擊.首先分析了換擋各階段同步器的運動狀態(tài)，然后從理論上和計算機仿真結果對沖擊進行分析驗證，最后進行臺架標定與試驗，發(fā)現這種策略可有效降低沖擊并減少換擋時間.

1 換擋機構與過程

1.1 換擋機構

選用有刷直流電機作為換擋電機.相對于步進電機的控制系統復雜，且存在失步現象，直流電機啟動和調速性能好、體積小、能耗低、精度高，適合換擋電機小功率快反應的要求.與無刷直流電機比較，有刷直流電機控制簡單、可靠性高、成本低.

絲杠和撥叉是換擋執(zhí)行機構.隨著換擋電機的轉動，滾珠絲杠中的滑塊會做直線運動.滑塊的運動受到搖臂的阻礙從而產生軸向力，使換擋搖臂繞軸心轉動，由于搖臂的另一端在換擋撥叉軸的凹槽內，而撥叉軸只能在固定槽內做直線運動，因此換擋電機的旋轉運動最終轉變?yōu)閾懿孑S的直線運動，撥叉軸進一步帶動嚙齒套作直線運動，從而實現變速器的換擋.換擋執(zhí)行機構如圖1所示[7].

通過控制電機控制撥叉運動速度與位置間接控制同步器.

圖1 換擋執(zhí)行機構

1.2 換擋過程

沖擊主要產生于掛擋階段，下面我們對掛擋過程中同步器(慣性鎖環(huán)式)行為分階段進行分析.

(1)預同步階段

在預同步階段，掛入高擋與掛入低擋稍有不同，但在原理上基本一致，下面以掛入高擋為例介紹預同步階段工作過程.當接合套在空擋位置時，滑塊與同步環(huán)存在一定的間隙.同步環(huán)由花鍵轂帶著一起轉動，當開始換擋時，接合套開始軸向移動，消除了滑塊與同步環(huán)之間的間隙之后，會推動同步環(huán)開始軸向移動，同步環(huán)內錐面與接合齒圈錐面開始接觸.

(2)同步鎖止階段

在軸向力的作用下，接合套將同步環(huán)緊緊地壓在接合齒圈上，二者摩擦錐面間產生的摩擦力矩也越來越大.直到同步環(huán)與接合齒圈的轉速差為零.由于鎖止面上鎖止角存在，鎖止面上會產生切向的分力，這個分力會產生一個撥環(huán)力矩.

(3)撥環(huán)階段

當同步鎖止階段結束后，同步環(huán)與接合齒圈的轉速差為零，二者摩擦錐面間沒有了相對滑動，所產生的摩擦力矩就會逐漸降低并小于撥環(huán)力矩.撥環(huán)力矩就會使同步環(huán)相對于接合套轉過一定角度.接合套就會繼續(xù)向接合齒圈軸向移動.

(4)嚙合階段

在撥環(huán)階段結束后，接合套會在軸向力的作用下繼續(xù)軸向運動并通過同步環(huán).在通過同步環(huán)之后，接合套就會與接合齒圈進行嚙合.

2 換擋沖擊分析

2.1 理論分析

由第一部分換擋過程分析知掛擋時的沖擊主要產生于同步鎖止和撥環(huán)階段.沖量是力的時間累積效應的量度，用沖量來表示沖擊會比單純用作用力來衡量更加合適，沖量計算公式如下：

Ft=mv2-mv1=m(v2-v1)=mΔv.

(1)

同步器質量不變，因此，掛擋時速度降Δv越小沖擊越小.

2.2 Adams仿真驗證

分析慣性鎖環(huán)式同步器的結構并用Solidworks建立三維模型，然后導入Adams軟件.在Adams環(huán)境中設置常用單位、同步器的各個構件的屬性與換擋力函數，進行計算機仿真.Adams的同步器仿真模型如圖2所示.

圖2 Adams的同步器仿真模型

2.3 仿真結果

仿真結果如圖3所示.

圖3 Adams仿真結果

上圖是一個降擋的仿真結果，描述了部件隨時間的狀態(tài)變化.點劃線表示接合套位移，實線表示接合齒圈角速度，虛線表示花鍵轂角速度.左側主坐標軸是角速度，右側副坐標軸是位移.接合齒圈速度會有一個突變(圖中實線突變處)這就是換擋沖擊.這個沖擊可大可小，跟掛擋時齒輪接合時機有關.可以通過降低接合時刻的接合套速度減小沖擊.

3 雙電機協調控制與分段PWM結合

3.1 雙電機協調控制

由于沒有離合器，因此動力中斷依賴于驅動電機模式轉換.驅動電機的3種工作模式：自由模式；調速模式；力矩模式.換擋電機和驅動電機一體化控制時，換擋電機控制器(TCU)與驅動電機控制器(MCU)在整車控制器(VCU)的協調控制下完成換擋[6].正常行駛工況下，動力驅動系統工作在力矩模式下，此時，電機的輸出轉矩與加速踏板成正比；在換擋期間，驅動電機首先降矩轉換為自由模式，接著換擋電機可以輕易地摘擋，然后驅動電機進入調速模式，達到合適的轉速差時掛擋，緊接著驅動電機升矩進入力矩模式汽車正常行駛.換擋過程與電機模式關系如表1所示.

表1 換擋過程與電機模式關系

電機的轉速與轉矩由傳動控制系統經由CAN總線發(fā)出，驅動電機的工作模式由傳動控制系統控制.控制流程圖如圖4所示.

圖4 兩擋AMT換擋策略

3.2 分段PWM

PWM技術是以固定的頻率開關恒壓源，相比較于PID, PWM具有響應快、效率高、調速范圍寬、使用元件少、線路簡單等特點，適合于換擋這種持續(xù)時間短，速度精度要求相對較低的情況，因此采用改變PWM的方式來調節(jié)電機的速度.

分三段PWM有利于控制電機速度的變化.換擋電機和驅動電機一體化控制策略與分段PWM的換擋電機控制方式結合理論上是可以降低沖擊的.緊接著建立Simulink/Stateflow控制模型對PWM進行標定并試驗驗證.

4 臺架試驗與標定

4.1 臺架結構

臺架主要由變速箱、控制電機、驅動電機、控制單元以及電池組和飛輪構成，如圖5所示.

圖5 AMT臺架示意圖

4.2 建立Simulink/Stateflow控制模型

傳感器，控制器(TCU, MCU)連同dSPACE和計算機共同構成一個開環(huán)系統.根據換擋邏輯和控制策略建立Simulink/Stateflow控制模型并編譯刷寫到CPU中，利用Meca進行數據標定.

4.3 PWM分段標定

依據前面的沖擊分析，要盡量降低齒輪接合時的速度以減小沖擊，同時要減小換擋時間.于是想出不同時刻用不同的PWM值，而不是從始至終用一個值.優(yōu)化前掛擋PWM恒為0.8，優(yōu)化后PWM分為3段，分別為1、0.5、1.

4.4 試驗結果

依據上面的試驗條件得到優(yōu)化前后換擋過程如圖6所示.

圖6 優(yōu)化前后換擋過程

峰值速度出現的位置是接合套接觸接合齒圈時的速度，此時,速度越大,沖擊越大，對同步器的損傷越大.

從圖中取沖擊前后兩個速度極值點進行沖量分析，設同步器質量為m0.

(1)優(yōu)化前(0.631，253.5),(0.645，39.0)

Ft1=mΔv=m0(253.5-39.0)=214.5m0.

(2)

優(yōu)化后(0.618，172.8),(0.624，12.8)

Ft2=mΔv=m0(172.8-12.8)=160.0m0.

(3)

降輻

(4)

(2)優(yōu)化前換擋時間

Δt1=0.700-0.316=0.384(s).

(5)

優(yōu)化后

Δt2=0.668-0.381=0.287(s).

(6)

降幅

(7)

通過臺架試驗證明利用協同控制和分段PWM的控制可以有效降低換擋時間的換擋沖擊.中間一段減小了PWM,一定程度上增加了換擋時間，總時間卻減少了.事實上，同步器齒形結構決定了齒輪結合時有順齒和逆齒兩種情況，順齒可直接掛擋，幾乎沒有沖擊，但遇上逆齒，會造成接合套反彈，大大降低了換擋效率.所以，恒PWM換擋在一定概率上時間很短，不過綜合沖擊、時間和同步器壽命來考慮，PWM分段控制為最優(yōu)策略，結合電機工作模式的切換，有效提高了換擋效率.分為三段而不是兩段或四段是由于沖擊在換擋過程中部出現，三段正合適，少了會使時間增加，再多徒增控制的復雜性，降低換擋效率.

5 結 論

1)PWM分段控制與雙電機協調控制策略結合可以有效降低換擋時間和沖擊，延長同步器使用壽命.

2)這種方法具有普遍性，由于同步器材料和齒形的差異，結合仿真速度變化圖略微標定修改PWM值即可達到不錯的效果.