王軍年，張春林，趙夢(mèng)圓，強(qiáng) 越，郭大暢，楊 鈁

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

前言

近年來(lái)，為應(yīng)對(duì)全球能源緊張與環(huán)境污染加重的問(wèn)題，各國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展以零排放、高性能為特色的電動(dòng)汽車(chē)［1-2］。其中，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)作為電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具有各輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控、系統(tǒng)集成化程度高的優(yōu)勢(shì)，從而獲得了學(xué)者的廣泛關(guān)注［3-4］。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)可通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩矢量分配產(chǎn)生左右驅(qū)/制動(dòng)力矩差，從而對(duì)車(chē)輛進(jìn)行直接橫擺控制，改善車(chē)輛操縱性，提高車(chē)輛在失穩(wěn)工況下的穩(wěn)定性［5-7］。分布式驅(qū)動(dòng)還可通過(guò)合理的轉(zhuǎn)矩矢量分配，提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率［8-9］，減少輪胎縱向、橫向的滑移損失［10-11］。另外汽車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)向輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)轉(zhuǎn)向助力［12］，其可簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)，減少傳統(tǒng)電動(dòng)助力系統(tǒng)的電機(jī)能耗損失［13］，以及基于此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效時(shí)冗余緊急轉(zhuǎn)向［14］。綜上，分布式驅(qū)動(dòng)汽車(chē)相較于中央式驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，具有顯著性能優(yōu)勢(shì)。

采用多擋位變速系統(tǒng)也是近年電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。兩擋變速器相較于固定速比減速器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速比傳動(dòng)，從而兼顧整車(chē)的高轉(zhuǎn)矩需求與高轉(zhuǎn)速需求，減少電機(jī)成本、提高整車(chē)性能［15-16］。另外，通過(guò)選取合適的傳動(dòng)比與制定合適的換擋控制策略，兩擋變速器可明顯提升電機(jī)高效率區(qū)間的使用率，從而提高整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性［17］。然而傳統(tǒng)兩擋變速器在換擋過(guò)程中存在一定時(shí)間的動(dòng)力中斷。該動(dòng)力中斷會(huì)造成整車(chē)縱向加減速度沖擊，影響駕駛員的乘坐舒適性。因此有必要針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行兩擋變速器無(wú)動(dòng)力中斷的研究，即通過(guò)控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在換擋過(guò)程中保持動(dòng)力傳遞路徑不中斷，或通過(guò)傳統(tǒng)系統(tǒng)其他動(dòng)力源主動(dòng)輸出力矩進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)兩擋變速器動(dòng)力的無(wú)中斷動(dòng)力輸出［18-19］。

目前針對(duì)兩擋變速器應(yīng)用的研究主要集中于中央驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車(chē)。而本文針對(duì)分布式輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)提出了一種新型輪轂電機(jī)兩擋變速系統(tǒng)，其安裝在車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪轂內(nèi)，可用于實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)的變速比傳動(dòng)。鑒于通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)中其他電機(jī)或動(dòng)力源進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)臒o(wú)動(dòng)力中斷換擋方式對(duì)于終端輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，并不具備使用條件，本文中提出一種采用單向離合器和摩擦離合器壓力控制實(shí)現(xiàn)輪轂兩擋變速器動(dòng)力傳遞路徑保持連續(xù)的方式，且制定了基于前饋加反饋的無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略，通過(guò)控制各執(zhí)行器的協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力連續(xù)平順的輸出。

另外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，須至少在車(chē)輛左右側(cè)各安裝一套輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)。若在執(zhí)行換擋的過(guò)程中，某側(cè)兩擋變速器系統(tǒng)執(zhí)行器故障或車(chē)輛左右側(cè)行駛條件差異造成慣性擾動(dòng)等，均可能會(huì)造成左右側(cè)變速器換擋的不協(xié)同甚至輸出轉(zhuǎn)矩的不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)而引起車(chē)輛橫、縱向加速度的突變，造成行駛平穩(wěn)性差甚至引發(fā)車(chē)輛失穩(wěn)。因此有必要針對(duì)左右側(cè)輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)協(xié)同換擋問(wèn)題，進(jìn)行換擋過(guò)程對(duì)整車(chē)運(yùn)動(dòng)影響的分析，并制定對(duì)應(yīng)的控制策略，以避免左右非協(xié)同換擋所帶來(lái)的整車(chē)橫縱向加速度突變。

1 輪轂電機(jī)兩擋變速器構(gòu)型

本文以課題組提出的一種針對(duì)分布式電動(dòng)汽車(chē)的新型輪轂電機(jī)兩擋變速器構(gòu)型為研究對(duì)象開(kāi)展換擋控制研究。如圖1 所示［20］，所提的輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)主要由內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)M、第一行星排R1、第二行星排R2、第一離合器C1、第二離合器C2與單向離合器OC 組成。本研究所述變速器系統(tǒng)匹配車(chē)輛為某后驅(qū)車(chē)輛，其車(chē)型參數(shù)如表1 所示，其左后輪與右后輪各安裝有一套所述的輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)。

表1 匹配車(chē)輛基本參數(shù)

圖1 新型的輪轂電機(jī)兩擋變速器構(gòu)型

所述兩擋變速器不同擋位各執(zhí)行部件工作狀態(tài)如表2 所示，其中定義車(chē)輛前進(jìn)時(shí)，電機(jī)M 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?。?dāng)?shù)谝恍行桥臨1的齒圈有反轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，即單向離合器OC內(nèi)圈相對(duì)外圈有反轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，單向離合器OC自動(dòng)鎖死；當(dāng)?shù)谝恍行桥臨1的齒圈正轉(zhuǎn)時(shí)，即單向離合器OC內(nèi)圈相對(duì)外圈正轉(zhuǎn)時(shí)，單向離合器OC自動(dòng)分離。

表2 不同擋位各部件工作狀態(tài)

當(dāng)汽車(chē)掛1 擋時(shí)，電機(jī)M 正轉(zhuǎn)，第一離合器C1與第二離合器C2 受控分離，此時(shí)第一行星排R1 的齒圈有反轉(zhuǎn)趨勢(shì)，單向離合器OC自動(dòng)鎖死。電機(jī)M輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)第一行星排R1 的太陽(yáng)輪減速增轉(zhuǎn)矩至行星架后，傳遞至第二行星排太陽(yáng)輪上，并經(jīng)第二行星排R2進(jìn)一步減速增轉(zhuǎn)矩后輸出到輪端。

當(dāng)汽車(chē)掛2 擋時(shí)，電機(jī)M 正轉(zhuǎn)，第一離合器C1受控接合，第二離合器C2 保持分離，此時(shí)第一行星排R1 的齒圈正向旋轉(zhuǎn)，單向離合器OC 自動(dòng)分離。電機(jī)M 輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)第一離合器C1 與第一行星排R1 的行星架后，直接傳遞至第二行星排R2 的太陽(yáng)輪上，并經(jīng)第二行星排R2減速增轉(zhuǎn)矩后輸出到輪端。

當(dāng)汽車(chē)掛倒擋時(shí)，電機(jī)M 反轉(zhuǎn)，第一離合器C1受控分離，第二離合器C2 受控接合，此時(shí)由于第一行星排R1 的齒圈正向旋轉(zhuǎn)，故單向離合器OC 自動(dòng)分離。電機(jī)M 輸出的反向轉(zhuǎn)矩經(jīng)第一行星排R1 的太陽(yáng)輪減速增轉(zhuǎn)矩至行星架后，傳遞至第二行星排太陽(yáng)輪上，并經(jīng)第二行星排R2進(jìn)一步減速增轉(zhuǎn)矩后輸出到輪端。

該構(gòu)型采用單向離合器和滑摩控制的多片摩擦離合器進(jìn)行換擋控制。在合理利用單向離合器OC的自鎖與分離基礎(chǔ)上，僅須通過(guò)控制電機(jī)M 的輸出轉(zhuǎn)矩與第一離合器C1的滑摩，即可實(shí)現(xiàn)該兩擋變速器的無(wú)動(dòng)力中斷升降擋控制。相較與傳統(tǒng)的接合套換擋的兩擋變速器，本構(gòu)型具備避免動(dòng)力中斷的優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制

有級(jí)式機(jī)械變速器在換擋時(shí)多多少少會(huì)存在動(dòng)力中斷與換擋沖擊，由此產(chǎn)生的縱向加速度沖擊會(huì)影響駕駛平穩(wěn)性和乘坐舒適性。因此，針對(duì)所提出的輪轂電機(jī)兩擋變速器，設(shè)計(jì)前饋加反饋的換擋控制策略，從而實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)兩擋變速器的無(wú)動(dòng)力中斷控制。

提出的無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略如圖2 所示。當(dāng)有換擋指令時(shí)，根據(jù)升擋或降擋理論轉(zhuǎn)矩軌跡圖，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與第一離合器壓緊力進(jìn)行前饋快速控制，同時(shí)基于滑模控制與PID 控制對(duì)第一離合器壓緊力與電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。下面以單側(cè)輪轂電機(jī)兩擋變速器為例，對(duì)無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制進(jìn)行具體控制策略設(shè)計(jì)。

圖2 無(wú)動(dòng)力中斷換擋前饋加反饋控制策略

2.1 前饋控制

2.1.1 無(wú)動(dòng)力中斷升擋前饋控制

升擋過(guò)程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、第一離合器理論最大傳遞轉(zhuǎn)矩以及單向離合器承受轉(zhuǎn)矩的理論軌跡如圖3 所示。變速器從1 擋切換至2 擋，須分別經(jīng)歷轉(zhuǎn)矩相、慣性相。在轉(zhuǎn)矩相中，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及第一離合器壓力的控制，實(shí)現(xiàn)兩擋變速器部件轉(zhuǎn)矩的調(diào)整。在慣性相中，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及第一離合器壓力的控制，可實(shí)現(xiàn)兩擋變速器部件轉(zhuǎn)速的調(diào)整。無(wú)動(dòng)力中斷升擋前饋控制具體過(guò)程如下。

圖3 升擋過(guò)程轉(zhuǎn)矩軌跡圖

在1 擋階段，第一離合器分離，單向離合器鎖死，各部件轉(zhuǎn)矩如下：

式中：Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；TV為整車(chē)行駛需求轉(zhuǎn)矩；TC1為第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩；TOC為單向離合器承受轉(zhuǎn)矩；K為第一行星排特征參數(shù)，本文取K=1.5；i2為第二行星排傳動(dòng)比，本文取i2=3。

在轉(zhuǎn)矩相，須使動(dòng)力由1 擋傳遞路線逐漸轉(zhuǎn)移到2 擋傳遞路線。在該過(guò)程中，第一離合器接合與電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)同步上升，兩者保證第一行星排輸出端轉(zhuǎn)矩不變，故滿(mǎn)足關(guān)系式：

則在該過(guò)程中，各部件轉(zhuǎn)矩變化設(shè)計(jì)如下：

當(dāng)轉(zhuǎn)矩相完成后，單向離合器自動(dòng)分離，兩擋變速器輸出的轉(zhuǎn)矩完全過(guò)渡為由第一離合器提供，第一行星排太陽(yáng)輪停止傳遞轉(zhuǎn)矩。然而由于第一離合器主從動(dòng)部分仍存在轉(zhuǎn)速差，第一離合器處于滑摩狀態(tài)，因此有必要進(jìn)行慣性相轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)兩擋變速器各部件轉(zhuǎn)速，使第一離合器主從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速差減小，并最終鎖死。

因此，在慣性相階段，為保持兩擋變速器輸出端轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)，須維持第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不變。并應(yīng)適當(dāng)減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而使第一離合器主動(dòng)部分以及兩擋變速器行星排在第一離合器從動(dòng)部分的阻礙下，迅速降低轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使第一離合器主從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速相等，并鎖死。值得注意的是，第一離合器與電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩差值，即為用來(lái)對(duì)兩擋變速器調(diào)速的轉(zhuǎn)矩。故該轉(zhuǎn)矩差值越大，調(diào)速越快，換擋時(shí)間越短，但第一離合器接合瞬間沖擊度越大。

因此，在慣性相初期，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速下降，從而減少換擋時(shí)間。在中期，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)停止下降并維持一定值不變；當(dāng)?shù)谝浑x合器主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差低于某一閾值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)開(kāi)始上升，從而減少第一離合器接合瞬間的沖擊度。

整個(gè)過(guò)程，各部件轉(zhuǎn)矩變化如下：

式中：h為升擋降轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)，其取值范圍為0～1；ncb、ncf為第一離合器主從動(dòng)部分的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；q為升擋閾值系數(shù)，其取值范圍為0～0.2；ncb0為第一離合器主動(dòng)部分名義轉(zhuǎn)速，ncf0為第一離合器從動(dòng)部分名義轉(zhuǎn)速，定義為

式中u為車(chē)輛縱向速度。

在2 擋階段，第一離合器接合，電機(jī)轉(zhuǎn)矩維持不變，第一離合器壓緊力提升一定數(shù)值后維持不變，以防止第一離合器發(fā)生滑動(dòng)。該階段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

2.1.2 無(wú)動(dòng)力中斷降擋前饋控制

降擋過(guò)程理論軌跡如圖4 所示。變速器從2 擋切換至1 擋，須先后經(jīng)歷慣性相與轉(zhuǎn)矩相。無(wú)動(dòng)力中斷降擋前饋控制具體過(guò)程如下。

圖4 降擋過(guò)程轉(zhuǎn)矩軌跡圖

2 擋階段，第一離合器接合，單向離合器分離。在降擋前，須進(jìn)行換擋準(zhǔn)備：第一離合器壓緊力下降，使第一離合器最大理論傳遞轉(zhuǎn)矩如圖4 所示逐漸降低，當(dāng)?shù)谝浑x合器開(kāi)始發(fā)生滑移時(shí)，進(jìn)入慣性相階段。在慣性相階段，單向離合器仍處于分離狀態(tài)，故第一行星排太陽(yáng)輪無(wú)法進(jìn)行動(dòng)力傳遞。因此若想保持無(wú)動(dòng)力中斷，則須保證第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不變。另外為切換至1 擋狀態(tài)，需要對(duì)兩擋變速器進(jìn)行調(diào)速，使第一離合器主動(dòng)部分與行星排太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速增快，并最終使單向離合器鎖死。因此須適當(dāng)增加電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，用于進(jìn)行兩擋變速器調(diào)速。

故在慣性相階段，須維持第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩不變，并適當(dāng)增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩。兩者之間的轉(zhuǎn)矩差值，即為用來(lái)進(jìn)行兩擋變速器調(diào)速的轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩差值越大，調(diào)速越快，但第一離合器接合瞬間沖擊度越大。因此，在慣性相階段初期，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速上升，從而減少換擋時(shí)間。在中期，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)維持上升值不變，當(dāng)?shù)谝浑x合器主從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差低于某一閾值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)開(kāi)始下降，從而減少離合器接合沖擊度。

整個(gè)過(guò)程中各部件轉(zhuǎn)矩變化如下：

式中：h′為降擋增轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)，其取值范圍為0～1；q′為降擋閾值系數(shù)，其取值范圍為0～0.2。

在轉(zhuǎn)矩相，須使動(dòng)力由2 擋傳遞路線逐漸轉(zhuǎn)移到1 擋傳遞路線。在該過(guò)程中，第一離合器與電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩同步下降，兩者轉(zhuǎn)矩應(yīng)保證第一行星排輸出端轉(zhuǎn)矩不變，故滿(mǎn)足的關(guān)系式為

則在該過(guò)程中，各部件轉(zhuǎn)矩變化設(shè)計(jì)如下：

當(dāng)?shù)谝浑x合器完全分離后完成切換至1擋。

2.2 反饋控制

實(shí)際無(wú)動(dòng)力中斷換擋過(guò)程，受包括慣性因素、控制誤差等在內(nèi)的各種不利因素的影響。因此須在前饋控制的基礎(chǔ)上，制定無(wú)動(dòng)力中斷反饋控制，從而盡可能減少各種不利因素的影響。

2.2.1 基于PID的轉(zhuǎn)矩反饋控制

在進(jìn)行無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制時(shí)，須保證變速器輸出轉(zhuǎn)矩始終滿(mǎn)足駕駛員需求，即須保證車(chē)輛的實(shí)際加速度始終等于駕駛員期望的加速度。因此本文采用PID 控制方法，以車(chē)輛實(shí)際加速度為控制目標(biāo)設(shè)計(jì)無(wú)動(dòng)力中斷轉(zhuǎn)矩控制器。

在轉(zhuǎn)矩相時(shí)，第一行星排輸出轉(zhuǎn)矩為

由式（23）可得，TOUT大小取決于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩。因此當(dāng)車(chē)輛實(shí)際加速度低于駕駛員期望加速度時(shí)，可基于反饋控制適當(dāng)增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，減少第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，以適當(dāng)增大第一行星排輸出端轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車(chē)輛實(shí)際加速度高于駕駛員期望加速度時(shí)，可基于反饋控制適當(dāng)減少電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，增大第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩，以適當(dāng)減小第一行星排輸出端轉(zhuǎn)矩。

在慣性相，單向離合器分離，第一行星排輸出轉(zhuǎn)矩主要取決于第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩，即

由上式可知，在慣性相，若想TOUT增大，則需要第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩TC1變大，若想TOUT變小，則需要第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩TC1變小。

基于上述分析設(shè)計(jì)PID控制器如下。

首先，定義誤差為e=aV-adesign。aV、adesign分別為實(shí)際和期望縱向加速度。

其次，進(jìn)行換擋過(guò)程轉(zhuǎn)矩PID控制律設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)矩相：

慣性相：

式中：ΔTC1-pid、ΔTm-pid為第一離合器與電機(jī)的PID 反饋調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；Kpx(x=1，2，3)為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Kix(x=1，2，3)為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；Kdx(x=1，2，3)為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，其具體取值如表3所示。

表3 PID控制律系數(shù)取值

2.2.2 基于滑?？刂频霓D(zhuǎn)速反饋控制

在慣性相，須進(jìn)行兩擋變速器調(diào)速，從而使第一離合器徹底分離或接合。該期間第一離合器處于滑摩狀態(tài)，不僅會(huì)造成額外的能量損耗，還會(huì)降低離合器使用壽命。從該角度出發(fā)，須盡可能降低慣性相時(shí)間。由上文分析可知，在慣性相階段，調(diào)大電機(jī)與第一離合器轉(zhuǎn)矩差值，可加快調(diào)速過(guò)程，減少第一離合器滑摩時(shí)間。而第一離合器須在慣性相階段維持傳遞轉(zhuǎn)矩不變，從而使兩擋變速器輸出轉(zhuǎn)矩不變。因此在慣性相階段，須對(duì)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行滑模反饋調(diào)節(jié)，從而適當(dāng)加快變速器調(diào)速過(guò)程，減少慣性相階段時(shí)間。

選取滑模面為

式中：c為權(quán)值常數(shù)；e為控制誤差，定義為

采用比例切換控制設(shè)計(jì)滑?？刂破鞯目刂坡桑?/p>

式 中：ρ1=0.003；κ1=0.0005；ρ2=0.003；κ2=0.0005。

接下來(lái)，采用飽和函數(shù)sat(s/δ)代替上式中的符號(hào)函數(shù)sgn(s)，以減小抖動(dòng)現(xiàn)象，具體如下：

式中δ為飽和函數(shù)邊界層厚度。

最終，滑?？刂破鞯目刂坡蔀?/p>

綜上，基于前饋加反饋的無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略制定完成。

3 左右協(xié)同換擋控制

上一節(jié)進(jìn)行了輪轂電機(jī)兩擋變速器無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略的設(shè)計(jì)，其可保證車(chē)輛在換擋過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力盡可能不變，使整車(chē)加速度符合駕駛?cè)似谕Ｈ欢鴮?shí)際上，須至少在左右輪中各安裝一套輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)。若在執(zhí)行換擋的過(guò)程中，左右側(cè)兩擋變速器某執(zhí)行器故障或車(chē)輛左右側(cè)行駛條件不同帶來(lái)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，則勢(shì)必會(huì)造成左右側(cè)變速器換擋的不協(xié)同與輸出轉(zhuǎn)矩的不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)而引起車(chē)輛橫縱向加速度突變。因此有必要針對(duì)左右兩擋變速器系統(tǒng)的不協(xié)同換擋，進(jìn)行換擋過(guò)程中整車(chē)運(yùn)動(dòng)分析，并在無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略的基礎(chǔ)上制定左右協(xié)同換擋控制策略，以避免左右非協(xié)同換擋所帶來(lái)的負(fù)面影響。

3.1 左右不協(xié)同換擋影響分析

分別以升擋過(guò)程中單側(cè)變速器系統(tǒng)執(zhí)行器通信延遲工況，以及升擋過(guò)程中單側(cè)車(chē)輪突然進(jìn)入低附著路面導(dǎo)致左右電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步為代表性測(cè)試工況，研究左右兩擋變速器系統(tǒng)不協(xié)同換擋對(duì)車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)與橫向運(yùn)動(dòng)的影響。

3.1.1 通信延遲導(dǎo)致的左右換擋差異

以左輪兩擋變速器系統(tǒng)第一離合器為例，研究其在車(chē)輛以60 km/h 車(chē)速勻速直線行駛時(shí)由于某種故障，通信延遲0.1 s時(shí)導(dǎo)致的左右兩擋變速器系統(tǒng)不協(xié)同換擋對(duì)車(chē)輛橫縱向運(yùn)動(dòng)的影響。

如圖5～圖8 所示，車(chē)輛于18 s 執(zhí)行換擋指令，左輪第一離合器輸出轉(zhuǎn)矩滯后右輪第一離合器0.1 s，其導(dǎo)致在轉(zhuǎn)矩相階段左輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩高于右輪輸出轉(zhuǎn)矩，且使在慣性相階段左右變速器輸出轉(zhuǎn)矩大幅振蕩，最終導(dǎo)致整車(chē)在轉(zhuǎn)矩相階段產(chǎn)生0.023 rad/s 的整車(chē)橫擺角速度，在慣性相階段產(chǎn)生最大0.1 m/s2的縱向加速度振蕩。

圖5 執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩

圖6 左右輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖7 整車(chē)橫擺角速度

圖8 整車(chē)縱向加速度

3.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步導(dǎo)致的左右換擋差異

以左側(cè)車(chē)輪為例，研究換擋過(guò)程中單側(cè)車(chē)輪突然行駛至低附著路面時(shí)，單側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速突變對(duì)車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)與橫向運(yùn)動(dòng)的影響。

如圖9～圖12 所示，車(chē)輛直線行駛且于18 s 執(zhí)行換擋指令。左輪于18.4 s 突然行駛至低附著路面，而右輪附著條件不變。左輪由于路面附著降低，引起其輪速增加，并導(dǎo)致左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速突增。由于左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速的突變，左輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩在此時(shí)突降，而右輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩突增，且兩者輸出轉(zhuǎn)矩在接下來(lái)的慣性相階段產(chǎn)生大幅振蕩，從而導(dǎo)致車(chē)輛產(chǎn)生最大0.009 5 rad/s 的橫擺角速度和最大約0.2 m/s2的縱向加速度振蕩。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖10 左右輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖11 整車(chē)橫擺角速度

圖12 整車(chē)縱向加速度

由上述分析可知，單側(cè)執(zhí)行器通信延遲與左右電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步均會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛在無(wú)動(dòng)力中斷換擋過(guò)程中產(chǎn)生較大的額外橫擺角速度或縱向加速度波動(dòng)。當(dāng)整車(chē)產(chǎn)生額外橫擺角速度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛偏離預(yù)期行駛路徑，須駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)進(jìn)行修正，從而增加駕駛員操縱負(fù)擔(dān)。當(dāng)整車(chē)產(chǎn)生數(shù)值較大的縱向加速度振蕩時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員乘坐舒適性。因此須制定相關(guān)策略，避免左右不協(xié)同換擋導(dǎo)致的整車(chē)橫縱向加速度突變。

3.2 左右協(xié)同換擋控制策略

研究表明左右輪的長(zhǎng)時(shí)間不協(xié)同換擋將可能導(dǎo)致整車(chē)產(chǎn)生較大的額外車(chē)輛橫擺角速度或縱向加速度振蕩。為避免該不正常換擋現(xiàn)象的影響，本文制定了基于邏輯門(mén)限的閉環(huán)監(jiān)控協(xié)同換擋控制策略。由上文分析可知，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中由于執(zhí)行器存在通信或執(zhí)行延遲帶來(lái)的換擋不同步，以及左右輪行駛條件差異引發(fā)的不同換擋慣性阻力帶來(lái)的換擋不同步，可通過(guò)監(jiān)控?fù)Q擋過(guò)程中車(chē)輛橫擺角速度變化與測(cè)量左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差實(shí)施閉環(huán)監(jiān)控協(xié)同換擋控制。

但須注意的是，車(chē)輛處于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，車(chē)輛自身的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基礎(chǔ)橫擺角速度。若想在換擋過(guò)程中實(shí)施通過(guò)測(cè)量整車(chē)橫擺角速度進(jìn)行協(xié)同閉環(huán)監(jiān)控?fù)Q擋控制，則須首先去除由車(chē)輛自身轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的基礎(chǔ)橫擺角速度對(duì)門(mén)限判斷的影響。此時(shí)由車(chē)輛轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)引起的基礎(chǔ)橫擺角速度可由下式估計(jì)：

式中：L為車(chē)輛輪距；K′為車(chē)輛穩(wěn)定性因數(shù)；δf為車(chē)輛前輪轉(zhuǎn)角。

綜上，如圖13 所示，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量左右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速差與整車(chē)橫擺角速度，制定基于邏輯門(mén)限的閉環(huán)監(jiān)控協(xié)同換擋控制策略。圖中nml、nmr分別為左右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，ωr為整車(chē)實(shí)際橫擺角速度，nc1、ωrc1分別為初始轉(zhuǎn)速差門(mén)限與初始橫擺角速度門(mén)限；nc2、ωrc2分別為過(guò)程轉(zhuǎn)速差門(mén)限與過(guò)程橫擺角速度門(mén)限。

圖13 基于邏輯門(mén)限的協(xié)同換擋控制策略框圖

當(dāng)有換擋指令時(shí)，整車(chē)控制器首先讀取左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車(chē)輛實(shí)際橫擺角速度，并判斷：

若上述條件不符合，則不執(zhí)行換擋指令；若條件符合，則開(kāi)始執(zhí)行換擋。接下來(lái)，在換擋的過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換擋過(guò)程動(dòng)態(tài)外部擾動(dòng)對(duì)左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速與整車(chē)橫擺角速度的影響，即判斷：

若上述條件符合，則繼續(xù)執(zhí)行換擋，直到換擋結(jié)束；若上述條件不符合，則執(zhí)行退擋程序，即電機(jī)與第一離合器恢復(fù)至執(zhí)行換擋前的轉(zhuǎn)矩，變速器擋位恢復(fù)至換擋前的擋位。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)車(chē)輛做較為激烈的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，為避免換擋不同步加劇車(chē)輛橫擺失控，不適宜進(jìn)行輪轂電機(jī)兩擋變速器的換擋。因此，具體開(kāi)發(fā)的協(xié)同換擋控制策略也可以限制僅在汽車(chē)做直線行駛或小角度穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)進(jìn)行換擋。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 無(wú)動(dòng)力中斷換擋仿真

4.1.1 無(wú)動(dòng)力中斷升擋仿真

無(wú)動(dòng)力中斷升擋過(guò)程仿真驗(yàn)證如圖14～圖17所示。在進(jìn)行換擋時(shí)，車(chē)輛以60 km/h車(chē)速勻速直線行駛，并于17 s開(kāi)始換擋，19.1 s結(jié)束換擋，其中17～18 s為轉(zhuǎn)矩相階段，18～19.1 s為慣性相階段。在轉(zhuǎn)矩相階段，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩同時(shí)上升，單向離合器轉(zhuǎn)矩下降；在慣性相階段，第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩維持不變，單向離合器處于分離狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩適當(dāng)下降，以對(duì)變速器各部件進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時(shí)反饋控制器對(duì)第一離合器與電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以維持變速器輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，并加快調(diào)速過(guò)程。最終第一離合器完全接合時(shí)，升擋過(guò)程完成。

圖14 升擋各部件轉(zhuǎn)速

圖15 升擋各部件轉(zhuǎn)矩

圖16 升擋過(guò)程變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖17 升擋過(guò)程整車(chē)加速度

在升擋過(guò)程中，變速器輸出轉(zhuǎn)矩維持在14.5～15.2 N·m 之間，整車(chē)加速度偏離駕駛員期望值不超過(guò)0.004 m/s2，變速器動(dòng)力輸出穩(wěn)定，動(dòng)力沒(méi)有出現(xiàn)中斷。

4.1.2 無(wú)動(dòng)力中斷降擋仿真

無(wú)動(dòng)力中斷降擋過(guò)程仿真驗(yàn)證如圖18～圖21所示。在進(jìn)行換擋時(shí)，車(chē)輛以60 km/h的車(chē)速勻速直線行駛，并于20 s 開(kāi)始換擋，22 s 結(jié)束換擋。其中20～21 s為慣性相階段，21～22 s為轉(zhuǎn)矩相階段。在慣性相階段，第一離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩維持不變，單向離合器處于分離狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩適當(dāng)上升，以對(duì)變速器各部件進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)矩相階段，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩同時(shí)下降，單向離合器轉(zhuǎn)矩上升。同時(shí)反饋控制器對(duì)第一離合器與電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以維持變速器輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，并加快調(diào)速過(guò)程。最終第一離合器完全分離，降擋過(guò)程完成。

圖18 降擋各部件轉(zhuǎn)速

圖19 降擋各部件轉(zhuǎn)矩

圖20 降擋過(guò)程變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖21 降擋過(guò)程整車(chē)加速度

在降擋過(guò)程中，變速器輸出轉(zhuǎn)矩維持在14.7～15.2 N·m 之間，整車(chē)加速度偏離駕駛員期望值不超過(guò)0.003 m/s2，變速器動(dòng)力輸出穩(wěn)定，整車(chē)加速度變化不大，降擋未出現(xiàn)動(dòng)力中斷。

4.2 左右協(xié)同換擋仿真

以升擋過(guò)程為例，分別進(jìn)行執(zhí)行器通信延遲左右協(xié)同換擋控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步左右協(xié)同換擋控制的仿真驗(yàn)證。

4.2.1 通信延遲左右協(xié)同換擋控制

以升擋過(guò)程為例，設(shè)左側(cè)第一離合器出現(xiàn)通信延遲，研究其在車(chē)輛以60 km/h車(chē)速勻速直線行駛時(shí)由于通信延遲0.1 s，導(dǎo)致左右換擋過(guò)程出現(xiàn)不協(xié)同時(shí)，所制定協(xié)同換擋控制策略的有效性。

如圖22～圖25 所示，車(chē)輛于18 s 執(zhí)行升擋指令，左輪第一離合器輸出轉(zhuǎn)矩滯后右輪第一離合器0.1 s，其導(dǎo)致開(kāi)始階段左輪變速器輸出轉(zhuǎn)矩高于右輪輸出轉(zhuǎn)矩，從而使車(chē)輛產(chǎn)生橫擺角速度，且橫擺角速度逐漸增加，并于18.3 s左右，橫擺角速度達(dá)到過(guò)程橫擺角速度門(mén)限ωrc1，則開(kāi)始執(zhí)行退擋程序，左右第一離合器與電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸下降，恢復(fù)至換擋前的轉(zhuǎn)矩，則退擋過(guò)程完成。整個(gè)協(xié)同換擋控制過(guò)程中，整車(chē)橫擺角速度最大為0.011 rad/s，小于3.1.1節(jié)中無(wú)協(xié)同換擋控制時(shí)的0.023 rad/s；整車(chē)縱向加速度最大為0.01 m/s2，遠(yuǎn)小于3.1.1 節(jié)中無(wú)協(xié)同換擋控制時(shí)的0.1 m/s2。如圖23 所示，盡管在該過(guò)程中沒(méi)有完成換擋，在一定程度上犧牲了車(chē)輛的動(dòng)力性或經(jīng)濟(jì)性，但可有效地控制換擋過(guò)程中的整車(chē)橫縱向加速度突變，如圖24和圖25所示，降低了駕駛員操縱負(fù)擔(dān)，提高了乘坐舒適性。

圖22 執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩

圖23 變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖24 整車(chē)橫擺角速度

圖25 整車(chē)加速度

4.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步左右協(xié)同換擋控制

以左側(cè)車(chē)輪為例，研究在60 km/h車(chē)速勻速直線行駛換擋過(guò)程中，其突然行駛至低附著路面，引起左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速突然升高時(shí)，所制定協(xié)同換擋控制策略的有效性。

如圖26～圖29 所示，車(chē)輛于18 s 開(kāi)始換擋。左側(cè)車(chē)輪于18.4 s 突然行駛至低附著路面，而右輪附著條件不變。左輪由于路面附著系數(shù)降低，引起其輪速突增，并導(dǎo)致左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速突增。當(dāng)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差超過(guò)過(guò)程轉(zhuǎn)速差門(mén)限nc1時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行退擋程序：左右第一離合器與電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸下降，恢復(fù)至換擋前的轉(zhuǎn)矩，退擋過(guò)程完成。在該協(xié)同換擋控制過(guò)程中，整車(chē)橫擺角速度最大為0.004 rad/s，小于3.1.2 節(jié)中無(wú)協(xié)同換擋控制策略時(shí)的0.009 5 rad/s；整車(chē)縱向加速度最大也為0.04 m/s2，遠(yuǎn)小于3.1.2節(jié)中無(wú)協(xié)同換擋控制時(shí)的0.2 m/s2。該過(guò)程雖也未完成換擋指令，但可有效控制換擋過(guò)程中橫縱向加速度突變。

圖26 執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩

圖27 變速器輸出轉(zhuǎn)矩

圖28 整車(chē)橫擺角速度

圖29 整車(chē)加速度

5 結(jié)論

首先提出一種用于輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的兩擋變速系統(tǒng)，介紹結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和換擋原理，其由一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)、兩個(gè)離合器、一個(gè)單向離合器和兩個(gè)行星排構(gòu)成，可安裝在驅(qū)動(dòng)輪轂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)的兩擋變速。

其次，針對(duì)該構(gòu)型制定了針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與第一離合器壓緊力控制的前饋加反饋無(wú)動(dòng)力中斷換擋控制策略，通過(guò)對(duì)換擋過(guò)程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與第一離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)了所提輪轂電機(jī)兩擋變速系統(tǒng)的無(wú)動(dòng)力中斷換擋，保證了換擋過(guò)程中動(dòng)力的平穩(wěn)輸出，提高了駕駛平穩(wěn)性和乘坐舒適性。

此外，針對(duì)左右輪轂電機(jī)兩擋變速器系統(tǒng)可能因內(nèi)外部擾動(dòng)導(dǎo)致不協(xié)同換擋的問(wèn)題，在進(jìn)行不協(xié)同換擋對(duì)整車(chē)運(yùn)動(dòng)影響分析基礎(chǔ)上，制定了閉環(huán)監(jiān)控的左右輪協(xié)同換擋控制策略，避免了該技術(shù)可能帶來(lái)的整車(chē)橫縱向加速度突變的問(wèn)題。

未來(lái)將針對(duì)提出的輪轂電機(jī)兩擋變速系統(tǒng)完成樣機(jī)開(kāi)發(fā)與換擋控制策略臺(tái)架測(cè)試。