傅鶴川 高呂和

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510075；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 100042）

0 引言

目前有許多使用替代能源的車輛，其開發(fā)目的是替代汽油發(fā)動機(jī)的使用，如電動汽車。電動汽車應(yīng)該是未來最可行的用于降低石油使用率、改善空氣質(zhì)量和減少排放的車輛選項。電動汽車已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的各個領(lǐng)域，如乘用車、摩托車、公共汽車甚至賽車。基于這樣一個趨勢，現(xiàn)在世界范圍內(nèi)的各大汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)都加大了電動汽車的投資和研發(fā)力度［1］，許多研究都集中在電動汽車技術(shù)上，如電機(jī)、電動汽車傳動系統(tǒng)和電池技術(shù)。

在電動賽車中，某些重要變量比如加速度、最高速度和效率決定了車輛的性能高低。這些變量取決于電機(jī)、蓄電池的性能，也受變速箱或傳動系的性能影響。變速器其實也是決定汽車性能和特性的一個非常重要的因素，因此我們嘗試研究在特定類型的電動賽車上增加變速器來增加輸出扭矩變化范圍，從而增強(qiáng)賽車的加速性能。手動變速器之所以能夠被選用，是因為其能夠比其他類型的變速器如行星齒輪自動變速器（AT）和無級變速器（CVT）實現(xiàn)更好的汽車性能［2］。盡管大多數(shù)電動汽車使用自動變速器（AT），但在電動汽車上使用手動變速器是提高其性能的一個有效解決方案，因為手動變速器比自動變速器能傳輸更高的機(jī)械傳動效率。

在使用手動變速器的賽車中，由于駕駛員需要把一部分注意力分配給換擋過程，可能降低駕駛員對道路狀況的關(guān)注，這是手動變速器的一個不足之處。因此，筆者將開發(fā)一個能夠自動操作手動變速器換擋過程的系統(tǒng)，并稱之為自動換擋手動變速器。該系統(tǒng)將允許駕駛員完全專注于道路，只需操作加速和制動踏板，換擋過程將由控制器自動操作?？刂破鞯臉?gòu)成除自動換擋系統(tǒng)外，還有自動油門系統(tǒng)，自動油門系統(tǒng)用于在換擋過程中自動進(jìn)行油門的控制，包括加油或減油的控制。另外，這2個系統(tǒng)都用模糊邏輯控制器提升性能，從而可以改善控制程序的穩(wěn)定性。手動變速器自動換擋系統(tǒng)和自動油門系統(tǒng)旨在提高汽車的性能，包括加速能力、最高速度以及效率。

1 實驗方法

1．1 實驗設(shè)計

筆者對自動換擋系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和仿真。系統(tǒng)本身內(nèi)置微控制器Arduino Mega 2560，在MATLAB R2019b上用Simulink編程。Arduino是一個用于開發(fā)電子項目的開源平臺，它包括物理可編程電路板和軟件［3］，以及可在計算機(jī)上運行的集成開發(fā)環(huán)境IDE（Integrated Development Environment）。系統(tǒng)程序包括帶模糊邏輯控制器的自動換擋程序控制器和自動油門程序，用于自動控制換擋過程，并在換擋過程中分別自動中斷和控制加速度值。應(yīng)用程序模糊邏輯控制器在車輛自動化技術(shù)中的應(yīng)用范圍廣泛，如控制混合動力汽車上的離合器和控制濕式摩擦離合器［4］。

實驗中使用了一些重要的儀器，如電位計（加速器輸入）、微控制器Arduino Mega 2560和可編程電路板（自定義 PCB），其中包括推入按鍵按鈕（push）和用于顯示的LED面板。實驗儀器方案如圖1所示。

圖1 實驗儀器方案

此外，Simulink也被用于實驗中，以對外模式執(zhí)行和顯示實驗結(jié)果，其對外模式為Simulink中的一種運行模式，用來允許連接到計算機(jī)的其他儀器同步模擬運行的同時顯示模擬結(jié)果。換擋過程模擬結(jié)果曲線如圖2所示。

圖2 換擋過程模擬結(jié)果曲線圖

1．2 實驗程序

自動換擋系統(tǒng)程序有3個輸入口和1個輸出口。輸入為加速度輸入值，它使用電位計，包括比賽模式切換和效率模式切換。系統(tǒng)內(nèi)程序產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速值（RPM）作為輸出。加速度輸入值和輸出RPM值的工作有效范圍為0至666 RPM。

在該程序中運行的模糊邏輯控制器有1個輸入和輸出，分別為加速度輸入值和換擋信號。在模糊邏輯控制器內(nèi)部，有1個加速度輸入值參數(shù)決定何時產(chǎn)生換擋信號。在這個程序中有2種不同的模式，即前述的比賽模式和效率模式。這2種模式之間的差異體現(xiàn)在加速度輸入值參數(shù)上。在比賽模式下，加速度輸入值的參數(shù)設(shè)置為500 RPM；在效率模式下，加速度輸入值的參數(shù)設(shè)置為300 RPM。如果比賽模式下的加速度輸入值達(dá)到500 RPM，就會產(chǎn)生換擋信號。同樣，如果效率模式下的加速度輸入值達(dá)到300 RPM，也會產(chǎn)生換擋信號。比賽模式使用比效率模式更高的轉(zhuǎn)速，從而可以獲得電動賽車的最好輸出性能［5］。比賽模式提供了高性能輸出，不可避免就會消耗大量的電池功率。效率模式使用比比賽模式更低的RPM，從而只需要消耗電池的最小電量。

在產(chǎn)生換擋信號后，自動換擋程序?qū)⑾驌Q擋程序發(fā)出換擋命令來改變手動變速箱的擋位，后文中稱之為升擋過程。需要說明的是，筆者使用的手動變速箱是一種摩托車手動變速箱，無離合器系統(tǒng)，具有4個傳動比（擋位）。此外，自動換擋機(jī)構(gòu)使用24 V直流電機(jī)來操縱換擋桿，且假設(shè)換擋時間為0。因為模擬過程只是在Simulink中進(jìn)行程序模擬，此狀態(tài)下，當(dāng)換擋過程啟動時自動油門程序?qū)a(chǎn)生信號，用設(shè)定值降低輸出轉(zhuǎn)速值（RPM）。這個過程是必要的，因為變速器在升擋時電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速要有所降低，也就是要達(dá)到特定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速RPM。

在加速度輸入值達(dá)到其設(shè)定參數(shù)值之前，自動油門程序?qū)⒆x取并記憶輸入加速度值的變化率，以判斷換擋過程模擬駕駛員加速行為的意圖。隨即，這個變化率將用于自動油門程序的處理過程。自動油門程序?qū)⒏鶕?jù)駕駛員的加速行為意圖自動控制換擋過程中的電機(jī)輸出RPM值。該程序的1個示例如圖2所示。

在實驗中，將使用2種不同的加速行為對程序進(jìn)行測試，且分別對應(yīng)于比賽模式和效率模式。第1種加速行為是加速度慢，表現(xiàn)為緩慢上升的加速輸入值，在比賽模式下約為66 RPM／s，在效率模式下約為50 RPM／s。第2種加速行為是快速加速，以加速輸入值的快速上升為特征，在比賽模式下約為200 RPM／s，在效率模式下約為100 RPM／s。加速度輸入值將通過手動操作電位計來實現(xiàn)，同時自動換擋程序的響應(yīng)將在輸出RPM值中得以體現(xiàn)。

2 數(shù)學(xué)建模

2．1 模糊邏輯控制器

筆者使用的模糊邏輯是基于使用Mamdani推理的SISO（單輸入單輸出Single Input Single Output）模糊系統(tǒng)。Mamdani推理的表達(dá)式簡單，可進(jìn)行大量計算，并具有結(jié)果直觀的特性。Mamdani的類型推斷期望輸出成員函數(shù)模糊集。在聚合過程之后，會出現(xiàn)1個需要解模糊的輸出變量模糊集［6］。筆者應(yīng)用的模糊推理使用梯形輸入隸屬度函數(shù)和單例輸出成員函數(shù)。模糊化方程對模糊推理在比賽模式和效率模式中的應(yīng)用都可以用式（1）表示：

式（1）中，對于比賽模式，a取 480，b取 500；對于效率模式，a取280，b取300。對于模糊集的規(guī)則評估，采用最小-最大法，然后給出模糊輸出。采用質(zhì)心法解模糊方程對比賽模式和效率模式進(jìn)行模糊推理，可表示為式（2）：

式（2）中，O是換擋信號的輸出值，模糊輸出通過規(guī)則評估獲得。

2．2 換擋過程中的目標(biāo)轉(zhuǎn)速

前文已經(jīng)提到了換擋過程中使用的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。RPM目標(biāo)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)變速箱的擋位傳動比來計算。筆者使用具有4個擋位（傳動比）的手動變速箱，具體數(shù)據(jù)說明如表1所示。

表1 手動變速箱擋位及傳動比

可通過輸入轉(zhuǎn)速和傳動比來計算確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，計算方程如式（3）所示：

式（3）中，比賽模式的 RPM設(shè)定參數(shù)取500；效率模式的RPM設(shè)定參數(shù)取300；（n-1）是換擋過程發(fā)生前的擋位數(shù)；（n）是換擋完成后的擋位數(shù)，（n）的值為2，3和4。根據(jù)式（3），2種模式下的每個擋位需要的目標(biāo)轉(zhuǎn)速可按表2中的數(shù)據(jù)確定，除此以外的其他情況下，轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值由模糊邏輯計算確定。對于采用可變擋位的手動變速箱來說，要想獲得正確且平穩(wěn)換擋的過程，目標(biāo)轉(zhuǎn)速降低的處理程序是必不可少的［7］。

表2 每個模式和擋位下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速

2．3 自動油門程序中的代數(shù)循環(huán)

自動油門程序使用代數(shù)循環(huán)創(chuàng)建具有特定變化率的獨立信號，并將其用作自動加速度值。在Simulink模型中，當(dāng)信號回路存在并且回路內(nèi)只有直接饋通塊的時候代數(shù)循環(huán)就會產(chǎn)生。直接饋通意味著塊輸出取決于輸入端口的值；輸入值直接控制輸出值。代數(shù)循環(huán)很難用數(shù)學(xué)方法求解。為了在Simulink內(nèi)解決這個問題，代數(shù)循環(huán)必須添加1個小延遲或添加內(nèi)存塊，如圖3所示。通過求解代數(shù)循環(huán)，它將生成線性的輸出圖形，并且其變化率為1。

圖3 模擬代數(shù)循環(huán)

3 結(jié)果與討論

3．1 比賽模式模擬

Simulink中的模擬是在比賽模式切換打開的情況下完成的。此時轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置為500 RPM。然后，對2種不同的加速行為進(jìn)行了仿真，分別為加速度具有快速上升變化率的輸入值（約200 RPM／s）和加速度具有慢速上升變化率的輸入值（約66 RPM／s）。此兩種狀態(tài)的結(jié)果模擬如圖4所示。

圖4 比賽模式下的換擋過程模擬結(jié)果

圖4 顯示自動換擋程序的模擬已成功進(jìn)行。從圖4可以看到換擋過程，通過對于具有快速上升變化率和慢速上升變化率2種狀態(tài)的模擬，可以清楚表明，從1擋到4擋的每次換擋的換擋時點轉(zhuǎn)速都是500 RPM。此外，如圖4中的輸出轉(zhuǎn)速值曲線所示，自動油門器程序在該模擬中同樣也獲得成功，它表明輸出RPM值根據(jù)設(shè)定值降低了，以便在換擋過程完成后獲得RPM目標(biāo)值。比賽模式下無論是快速上升變化率狀態(tài)還是慢速上升變化率狀態(tài)都具有相同的RPM目標(biāo)值，如表2所示。而且，自動油門程序能夠精確讀取并記憶 “加速行為” 或加速度輸入值的變化率，然后使用該參數(shù)在不需要人工干涉油門的情況下自動改變加油量。該加油量的自動改變值在從1擋切換至4擋的過程中重復(fù)執(zhí)行，達(dá)到4擋后，自動加速加油量持續(xù)增加，直到與加速度輸入值相同?？傮w狀態(tài)下，比賽模式模擬結(jié)果表明，自動換擋和自動油門程序?qū)τ诓煌?“加速行為” 或加速度輸入的變化率（無論是快速上升變化率還是慢速上升變化率）都能正常工作。

3．2 效率模式模擬

在Simulink中進(jìn)行的本項模擬是在啟用效率模式切換的情況下完成的，其中轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置為300 RPM。然后，對2種不同的加速行為進(jìn)行仿真，包括具有快速上升變化率的加速度輸入值（約100 RPM／s）和具有慢速上升變化率的加速度輸入值RPM（約50 RPM／s）。2種變化率的模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 效率模式下的換擋過程模擬結(jié)果

顯而易見，效率模式下的模擬結(jié)果，很大程度上與比賽模式下的模擬結(jié)果相同。自動換擋工作正常，通過對于具有快速上升變化率和慢速上升變化率2種狀態(tài)的模擬，可以清楚表明，從1擋到4擋的每次換擋的換擋時點轉(zhuǎn)速都是300 RPM，達(dá)到4擋后，自動加速加油量持續(xù)增加，直到與加速度輸入值相同。由于RPM參數(shù)處于效率模式下，自動加速值上升所需要的時間比比賽模式下要長，才能達(dá)到與比賽模式下相同的加速度輸入值。此外，圖5顯示輸出RPM值是根據(jù)設(shè)定參數(shù)降低，從而在換擋過程完成后，獲得RPM目標(biāo)值。

4 結(jié)論

筆者的設(shè)想以上述實驗方法實施驗證，通過構(gòu)建自動換擋和自動油門控制程序，實現(xiàn)了對手動變速箱的自動控制。在仿真實驗中，比賽模式和效率模式的仿真結(jié)果都表明，自動換擋和自動油門程序在比賽模式和效率模式都可有效工作，而且不僅如此，即便加速度輸入有復(fù)雜變化也可有效工作。自動換擋程序能夠在1擋到4擋之間完美切換擋位，并與轉(zhuǎn)速參數(shù)為500 RPM的比賽模式和300 RPM的效率模式相匹配；自動油門程序能夠按照特定值降低功率輸出轉(zhuǎn)速值，從而使得換擋過程正確、平穩(wěn)。