CN106246902B - 短途纯电动汽车无离合器无同步器amt换挡控制方法 - Google Patents

短途纯电动汽车无离合器无同步器amt换挡控制方法 Download PDF

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Abstract

一种短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法，涉及电动汽车无离合器无同步器AMT换挡过程控制方法，在车辆行进过程中需要换挡时，对直流无刷驱动电机采用了电制动与PI控制两种形式相互配合制动，缩短了驱动电机降速所需时间，在此基础上，对换挡电机同样采用电制动，可以使换挡执行机构的运动和驱动电机调速同时进行，拨叉位置的控制误差小于0.04mm，同时能够保证拨叉运动的速度最快，所需的时间最短，缩短换挡时间。换挡时间和静止时的换挡时间几乎相同，同时保证平顺的换挡效果，挂挡时的转速差均小于50r/min，换挡过程中基本感觉不到换挡冲击。本发明换挡速度快、换挡冲击度小，提高电动车动力性能。

Description

短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法
技术领域
本发明涉及短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡过程控制方法，详细讲是一种换挡速度快、换挡冲击度小，能够提高电动车动力性能的短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法。
背景技术
面对日渐严峻的能源和环境问题，越来越多的国家把发展新能源汽车作为新世纪的国家发展战略。AMT(机械式自动变速箱)结构简单、传动效率高，成本低，有助于提升短途纯电动汽车的动力性和经济性，具有良好的应用前景。
现有AMT控制方法的不足之处主要有：(1)传统的有同步器AMT换挡执行机构的控制通常采用位置PD(比例微分)控制，精确控制拨叉的位置和轴向运动速度(轴向运动速度过大会导致在同步器未完成同步时挂入目标挡位)，传统的PD控制不仅较复杂，而且无法保证换挡执行机构的控制在时间上是最优的,导致换挡时间较长；(2)换挡过程中转速匹配阶段直流无刷驱动电机降速所需时间过长，这主要是因为直流无刷驱动电机的转速控制通常采用PI控制，电机转速下降较慢，导致转速匹配时间比较长，换挡时间也比较长，影响短途纯电动汽车的动力性。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种换挡速度快、换挡冲击度小，能够提高电动车动力性能的短途纯电动车无离合器无同步器AMT换挡控制方法。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)控制器控制驱动电机工作在转矩模式，根据加速踏板位置输出对应的转矩；
(2)控制器采集车速、加速踏板、制动踏板信号判断是否需要换挡和换挡的目标挡位；如果不需要换挡，驱动电机继续工作在转矩模式，如果需要换挡，控制器控制驱动电机转矩降为零，将驱动电机由转矩模式切换成自由模式；
(3)当控制器判断需要换挡、目标挡位为高速挡时，控制器的换挡电机H桥中左上和右下两个MOSFET(Q1和Q4)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速正转；当控制器判断需要换挡、目标挡位为低速挡时，控制器的换挡电机H桥中左下和右上两个MOSFET(Q3和Q2)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速反转；
(4)当接合套脱离当前挡位进入空挡时，控制器采集AMT输出轴的转速和目标挡位的传动比，依此计算驱动电机的目标转速，驱动电机由自由模式切换成转速模式；
(5)使用速度传感器采集驱动电机的实际转速反馈给控制器，控制器用实际转速减去目标转速计算出转速差；
(6)高速挡换低速挡时，PI模块单独控制驱动电机升速，然后执行第10步。
(7)低速挡换高速挡时，当转速差小于阈值Y1时，PI模块单独控制驱动电机降速；当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，进行驱动电机电制动；驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，即为本发明所定义的驱动电机电制动。
(8)第7步进行电制动的同时，PI模块继续计算目标电压，PI模块的积分系数放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率；
(9)控制器采集驱动电机转速，当电机转速与目标转速的差值小于阈值Y2时，终止电制动、PI模块单独控制驱动电机降速；
(10)在换挡过程中，当拨叉到达空挡分界点时，控制器判断接合套和目标挡位齿轮之间的转速差是否小于阈值Y3；如果转速差小于阈值Y3，换挡电机不停转，驱动电机由转速模式切换成自由模式，如果转速差大于阈值Y3，换挡电机电制动，驱动电机继续进行转速匹配(驱动电机继续电制动或PI模块单独控制驱动电机调速)，转速匹配完成之后(接合套和目标挡位齿轮之间的转速差小于阈值Y3)，驱动电机切换成自由模式，换挡电机重新启动；
(11)控制器采集拨叉的位置信息，当到达换挡电机电制动目标位置时，控制器的换挡电机H桥中上桥导通的MOSFET关断，下桥的两个MOSFET导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止；此时，接合套与目标挡位齿轮啮合，完成换挡操作。
(12)换挡完成后，驱动电机由自由模式切换成转矩模式，控制器控制驱动电机转矩恢复，直到转矩达到加速踏板对应的转矩值。
第7步所述的阈值Y1为拨叉在空挡行程运动的时间内，PI单独控制下的驱动电机转速下降的最大值。阈值Y1和AMT空挡行程的距离和驱动电机的转动惯量有关，本发明中取500r/min。
第9步所述的阈值Y2的选取应满足在保证转速不超调的前提下尽可能小，本发明中取200r/min。
第10步所述的阈值Y3的选取应满足挂入目标挡位时驾驶员基本感觉不到冲击，本发明中取50r/min。
第10步中所述的空挡分界点为：在拨叉轴上、距接合套与目标挡位齿轮初始接合点的距离为换挡电机电制动持续的时间内拨叉运动的距离与拨叉位置控制误差的和时、拨叉在拨叉轴上的位置。
本发明在车辆行进过程中需要换挡时，对直流无刷驱动电机采用了电制动与PI控制两种形式相互配合的制动方法，缩短了驱动电机降速所需时间，在此种制动方法的基础上，对换挡电机同样采用电制动，可以使换挡执行机构的运动(拨叉、接合套)和驱动电机调速同时进行，换挡执行机构控制方法可以使拨叉位置的控制误差小于0.04mm(拨叉位置控制误差为控制器所能检测到的拨叉的最小位移)，同时能够保证拨叉运动的速度最快，到达目标位置所需的时间最短。极大程度的缩短换挡时间。换挡时间和静止时的换挡时间几乎相同，同时能保证平顺的换挡效果，挂挡时的转速差均小于50r/min，换挡过程中基本感觉不到换挡冲击。同时本发明中增加了空挡分界点概念及控制方法，避免个别驱动电机和换挡电机配合时或特殊工况下，驱动电机带动的接合套与目标挡位齿轮的转速差过大时挂入目标挡位。本发明换挡速度快、换挡冲击度小，能够提高电动车动力性能。
附图说明
图1为短途纯电动汽车动力传动系统简图。
图2为摘挡阶段啮合齿的受力分析。
图3为挂挡时啮合齿的受力分析。
图4中的图a、b为换挡执行机构示意图。
图5为换挡电机电制动原理。
图6为驱动电机转速PI控制原理。
图7为驱动电机电制动时电流流向判断。
图8为驱动电机电制动期间下桥MOSFET开通和关断时电流流向。
图9为升速过程中转速、目标电压、实际电压的变化。
图10为PI单独控制降速时转速、目标电压、实际电压的变化。
图11为电制动和PI配合控制降速时转速、目标电压、实际电压的变化。
图12为目标转速阶跃上升时实际转速上升曲线。
图13为PI单独作用时实际转速的下降曲线。
图14为电制动和PI共同作用时转速的下降曲线。
图15为空挡行程分段控制示意图。
图16为换挡过程控制流程图。
图17为静止时低速挡换高速挡换挡电机端电压波形。
图18为静止时高速挡换低速挡换挡电机端电压波形。
图19为低速时低速挡换高速挡AMT各部分转速变化图。
图20为低速时高速挡换低速挡AMT各部分转速变化图。
图21为中速时低速挡换高速挡AMT各部分转速变化图。
图22为中速时高速挡换低速挡AMT各部分转速变化图。
图23为高速时低速挡换高速挡AMT各部分转速变化图。
图24为高速时高速挡换低速挡AMT各部分转速变化图。
具体实施方式
一种短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)控制器控制驱动电机工作在转矩模式，根据加速踏板位置输出对应的转矩；
(2)控制器采集车速、加速踏板、制动踏板信号判断是否需要换挡和换挡的目标挡位；如果不需要换挡，驱动电机继续工作在转矩模式，如果需要换挡，控制器控制驱动电机转矩降为零，将驱动电机由转矩模式切换成自由模式；
(3)当控制器判断需要换挡、目标挡位为高速挡时，控制器的换挡电机H桥中左上和右下两个MOSFET(Q1和Q4)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速正转；当控制器判断需要换挡、目标挡位为低速挡时，控制器的换挡电机H桥中左下和右上两个MOSFET(Q3和Q2)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速反转；
(4)当接合套脱离当前挡位进入空挡时，控制器采集AMT输出轴的转速和目标挡位的传动比，依此计算驱动电机的目标转速，驱动电机由自由模式切换成转速模式；
(5)使用速度传感器采集驱动电机的实际转速反馈给控制器，控制器用实际转速减去目标转速计算出转速差；
(6)高速挡换低速挡时，PI模块单独控制驱动电机升速，然后执行第10步。
(7)低速挡换高速挡时，当转速差小于阈值Y1时，PI模块单独控制驱动电机降速；当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，进行驱动电机电制动；驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，即为本发明所定义的驱动电机电制动。
(8)第7步进行电制动的同时，PI模块继续计算目标电压，PI模块的积分系数放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率；
(9)控制器采集驱动电机转速，当电机转速与目标转速的差值小于阈值Y2时，终止电制动、PI模块单独控制驱动电机降速；
(10)在换挡过程中，当拨叉到达空挡分界点时，控制器判断接合套和目标挡位齿轮之间的转速差是否小于阈值Y3；如果转速差小于阈值Y3，换挡电机不停转，驱动电机由转速模式切换成自由模式，如果转速差大于阈值Y3，换挡电机电制动，驱动电机继续进行转速匹配(驱动电机继续电制动或PI模块单独控制驱动电机调速)，转速匹配完成之后(接合套和目标挡位齿轮之间的转速差小于阈值Y3)，驱动电机切换成自由模式，换挡电机重新启动；
(11)控制器采集拨叉的位置信息，当到达换挡电机电制动目标位置时，控制器的换挡电机H桥中上桥导通的MOSFET关断，下桥的两个MOSFET导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止；此时，接合套与目标挡位齿轮啮合，完成换挡操作。
(12)换挡完成后，驱动电机由自由模式切换成转矩模式，控制器控制驱动电机转矩恢复，直到转矩达到加速踏板对应的转矩值。
第7步所述的阈值Y1为拨叉在空挡行程运动的时间内，PI单独控制下的驱动电机转速下降的最大值。阈值Y1和AMT空挡行程的距离和驱动电机的转动惯量有关，依据经验通常选取400-600r/min，本发明中取500r/min。
第9步所述的阈值Y2的选取应满足在保证转速不超调的前提下尽可能小，依据经验通常选取180-300r/min，本发明中取200r/min。
第10步所述的阈值Y3的选取应满足挂入目标挡位时驾驶员基本感觉不到冲击，依据经验通常选取40-80r/min，本发明中取50r/min。
第10步所述的空挡分界点为：在拨叉轴上、距接合套与目标挡位齿轮初始接合点的距离为换挡电机电制动持续的时间内拨叉运动的距离与拨叉位置控制误差的和时、拨叉在拨叉轴上的位置。
本发明的换挡执行机构控制方法可以使拨叉位置的控制误差小于0.04mm(拨叉位置控制误差为控制器所能检测到的拨叉的最小位移)，同时能够保证拨叉运动的速度最快，到达目标位置所需的时间最短。
本发明在车辆行进过程中需要换挡时，对驱动电机采用了电制动与PI制动两种形式相互配合的制动方法，缩短了驱动电机降速所需时间，在此种制动方法的基础上，对换挡电机同样采用电制动，可以使换挡执行机构的运动(拨叉、接合套)和驱动电机调速同时进行，拨叉由最高速制动到停止、所需时间极短(0.01s)，位置控制精准，二者配合极大程度的缩短换挡时间。车辆行进过程中的换挡时间和车辆静止时的换挡时间几乎相同，同时能保证平顺的换挡效果，挂挡时的转速差均小于50r/min，换挡过程中基本感觉不到换挡冲击。同时本发明中增加了空挡分界点概念及控制方法，避免个别驱动电机和换挡电机配合时或特殊工况下，驱动电机带动的接合套与目标挡位齿轮的转速差过大时挂入目标挡位。本发明换挡速度快、换挡冲击度小，能够提高电动车动力性能。
本发明的理论依据如下：
本专利中所研究的短途纯电动汽车的动力传动系统采用直流无刷驱动电机+无离合器无同步器AMT+主减速器的形式，动力传动系统的结构简图如图1，驱动电机和换挡电机的控制器为一体化控制器。一体化控制器根据加速踏板位置、制动信号、车速计算合适的目标挡位，通过协调控制驱动电机和换挡电机完成换挡。在换挡过程中，驱动电机需要进行多次模式切换，及时调整转速和转矩以保证换挡快速平顺。
换挡过程动力学分析：摘挡阶段啮合齿的受力分析如图2。摘挡时的阻力F主要来自接合齿圈和接合套之间的摩擦力Ff，其表达式为：式中：μ为齿面摩擦系数，Fv为接触面正压力，Tc为接合套传递的转矩，R为接合套分度圆半径。接合套传递的转矩Tc为式中：Tm为驱动电机输出转矩，Jm为AMT输入端的等效转动惯量，ωm为AMT输入轴的角速度，cin为输入端的旋转阻尼系数，ig为AMT当前挡位的传动比，Tv为整车阻力矩，Jv为输出端的等效转动惯量，ωout为AMT输出轴的角速度，cout为输出端的旋转阻尼系数，i0为主减速器的传动比。当AMT不在空挡时，ωm和ωout满足以下关系，ωm＝igωout。由式(1)、(2)、(3)可以得到Ff最终的表达式，式(2)和式(3)中的旋转阻力比较小，在这里被忽略。当Tm等于零时，Ff达到最小值，换挡执行机构的阻力也达到最小。因此摘挡之前，需要将驱动电机输出转矩Tm降到零，也就是将驱动电机由转矩模式切换成自由模式。挂挡阶段啮合齿的受力分析如图3。啮合齿之间的轴向力Fq为Fq＝FN sinβ+Fs cosβ(5)，式中：FN为接触面正压力，β为齿端倒角角度，Fs为接触面摩擦力。对于FN和Fs有：Fs＝μ2·FN，Fc＝Fssinβ-FNcosβ(6)，式中：μ2为齿端部接触面摩擦系数。接合套传递的力Fc：由式(5)、(6)、(7)可得：为了保证顺利地挂入目标挡位，应保证啮合齿之间的轴向作用力Fq尽可能小，也就是Tc尽可能小。由式(2)可知，Tc取决于驱动电机的输出转矩Tm以及接合套和接合齿圈之间的转速差，所以在挂挡时，驱动电机应停止转矩输出，同时控制接合套和接合齿圈之间的转速差尽可能小。从前面的分析可知，摘挡前应将驱动电机从转矩模式切换成自由模式，挂挡完成后，需要把驱动电机从自由模式恢复到转矩模式。转矩模式和自由模式之间的切换应制定合适的控制策略以避免产生大的冲击。短途纯电动汽车的冲击度可以表示为式中：a为加速度，ua为车速。车辆的纵向加速度为式中：i0为减速器传动比，ηT为传动效率，Tv为整车阻力矩，δ为旋转质量换算系数，m为整车质量，r为车轮半径。由(9)和(10)可得：由于换挡时间很短，因此可以假设在换挡过程中车辆的行驶阻力矩Tr保持不变，则式(11)可以简化为：由式(12)可知短途纯电动汽车的冲击度与电机输出转矩的一阶导数成正比，电机输出转矩变化越剧烈，产生的冲击度就会越大，由式(12)还可以得到冲击度与AMT挡位相关的结论。为了保证降扭及扭矩恢复阶段冲击度尽可能小，应避免出现电机输出转矩突变的情况，而且处于低速挡时电机转矩下降及恢复速率应小于高速挡时电机转矩下降及恢复速率。
本专利提出的短途纯电动车无离合器无同步器AMT换挡控制方法具体包括一种时间最优的换挡执行机构控制方法、改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法以及空挡行程分段控制方法。
时间最优的换挡执行机构控制方法的实施方式如下：
换挡执行机构的组成如图4。AMT的换挡电机为直流有刷电机，通过涡轮蜗杆减速增扭后将动力传至拨叉轴，拨叉轴和拨叉通过螺纹连接将拨叉轴的旋转运动转化为拨叉的轴向运动。通过霍尔传感器测量换挡电机旋转的圈数来获取拨叉的位置信息。本专利所涉及的AMT中没有同步器，不需要对接合套的轴向速度进行精确控制，另外，直流有刷换挡电机的额定电压为48V，额定电流为2A，电阻为20Ω，可直接给电机施加48V电压而不会损坏电机。所以，没有必要用PWM方式控制电压，可直接给电机提供48V的电压以保证拨叉的运动速度最快、运动时间最短。当拨叉需要停止运动时，如果直接切断换挡电机的供电，换挡电机会由于惯性继续转动较长时间，导致对拨叉位置的控制不精确。本专利采用电制动的方法，可以使换挡电机在很短的时间内停止运转，同时能实现精确的拨叉位置控制。换挡电机电制动的原理如图5。当Q1和Q4导通时，换挡电机正转，如图5(a)，如果此时Q1关断，Q3导通，电机的线圈中就会产生感应电流，如图5(b)，线圈会受到阻碍电机旋转的力，使电机在很短的时间内停转。当Q2和Q3导通时，换挡电机反转，如图5(c),如果此时Q2关断，Q4导通，产生的感应电流流向如图5(d)，同样会使换挡电机迅速停转。
实施步骤：
(1)控制器采集车速、加速踏板、制动踏板信号以判断是否需要换挡。
(2)如果需要低速挡换高速挡，换挡电机驱动桥中的MOSFETQ1和MOSFETQ4导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速正转。控制器采集拨叉的位置信息，当到达目标位置时，MOSFETQ1关断，MOSFETQ3导通，MOSFETQ4继续保持导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止在目标位置。
(3)如果需要高速挡换低速挡，换挡电机驱动桥中的MOSFETQ2和MOSFETQ3导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速反转。控制器采集拨叉的位置信息，当到达目标位置时，MOSFETQ2关断，MOSFETQ4导通，MOSFETQ3继续保持导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止在目标位置。
时间最优的换挡执行机构控制方法可以使拨叉位置的控制精度达到0.04mm，同时能够保证拨叉运动的速度最快，到达目标位置所需的时间最短。
改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法的具体实施方式如下：
基于这种方法的转速PI控制原理如图6。电源电压Udc被等分成了1035份，1035代表Udc，300代表300Udc/1035，0代表电压为0。转速环输出目标电压，如果目标电压大于实际电压，实际电压逐渐增大，如果在增长的过程中电流达到了上限，实际电压逐渐减小，直到电流低于上限。如果目标电压小于实际电压，实际电压直接减小到目标电压。通过将逆变器上桥的三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，可以使电机的转速迅速下降。改变下桥MOSFET栅极的占空比可以改变转速下降的斜率，而且在下桥MOSFET关断的间隙可以实现能量回收。电机某一时刻的转子位置如图7所示，根据电磁感应定律，可以确定A相、B相和C相的电流方向，点代表流出，叉代表流入，其他转子位置时电流流向的分析类似。图8是图7所示转子位置对应的电流流向。图8(a)中下桥MOSFET全部开启，图8(b)中下桥MOSFET全部关闭，电流经电池续流，此时能实现能量回收。当转速差小于阈值(拨叉在空挡行程运动的时间内，PI单独控制下的驱动电机转速下降的最大值)时，PI模块单独控制驱动电机降速；当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，同时PI模块继续计算目标电压，此时积分系数需要放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率，以保证转速下降相同值时，积分环节所计算出的目标电压增量和PI单独作用时相同；当转速降至接近目标转速(高于目标转速50-200转)时，PI模块根据目标转速和控制器采集的驱动电机实际转速计算目标电压，控制MOSFET的导通，最终将转速稳定在目标转速附近。
实施步骤：
(1)控制器根据AMT输出轴的转速和目标挡位的传动比计算驱动电机的目标转速，速度传感器反馈回驱动电机的实际转速，用实际转速减去目标转速计算出转速差。
(2)当转速差小于阈值(拨叉在空挡行程运动的时间内，PI模块单独控制下的驱动电机转速下降的最大值)时，PI模块单独控制驱动电机降速。
(3)当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，同时PI模块继续计算目标电压，此时积分系数需要放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率，以保证转速下降相同值时，积分环节所计算出的目标电压增量和PI单独作用时相同。
(4)当转速降至接近目标转速(高于目标转速50-200转)时，PI模块根据目标转速和控制器采集的驱动电机实际转速计算目标电压，控制MOSFET的导通，最终将转速稳定在目标转速附近。
改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法可以大大缩短直流无刷驱动电机降速所需要的时间，从而缩短低速挡换高速挡时间，下面的实验能够证明这一点。
图9是目标转速从500r/min阶跃至2500r/min过程中转速、目标电压、实际电压的变化曲线。当参考转速从500r/min变为2500r/min时，目标电压立即饱和，实际电压以固定的斜率追随目标电压，当转速接近目标转速时，目标电压逐渐减小直至稳定，实际电压曲线和目标电压曲线重合是因为
目标电压小于实际电压时，实际电压会直接减小到目标电压。图10是PI单独作用时目标转速从2500r/min阶跃下降至500r/min的过程中转速、目标电压、实际电压的变化曲线，当参考转速从2500r/min变为500r/min时，目标电压立即降为0，实际电压立即减小至目标电压，当转速接近目标转速时，目标电压逐渐增大直至稳定，实际电压以固定的斜率追随目标电压，实际电压曲线和目标电压曲线重合是因为目标电压增长的斜率小于实际电压增长的斜率，实际电压能够紧紧追随目标电压。PI单独作用时转速下降斜率太小，所需时间过长，不能满足快速完成转速匹配的要求。图11是电制动和PI相结合时目标转速从2500r/min阶跃下降至500r/min的过程中转速、目标电压、实际电压的变化曲线，电制动和PI控制结合后驱动电机转速下降的斜率明显增大，转速为1000r/min时，电制动退出，PI模块单独控制驱动电机降速，最后转速稳定在500r/min，而且没有超调。电制动和PI相结合时转速降到500r/min只用了0.2s，比PI单独作用时少了0.5s，而且转速调节的稳定性也比较好。通过实验不断修正PI参数，可以取得稳定性和快速性都比较好的转速调节效果。图12为目标转速由500r/min分别阶跃至1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min时实际转速的变化曲线，可以看出在PI模块单独控制下，驱动电机能比较快地加速到目标转速。图13为PI单独作用时目标转速由2500r/min分别阶跃至2000/min、1500r/min、1000/min、500r/min时实际转速的变化曲线，在PI模块单独控制下，驱动电机降速缓慢。图14为电制动和PI共同作用时转速的下降曲线，相对于PI单独作用，此时转速下降所需时间明显变短。
虽然改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法可以使直流无刷驱动电机在短时间内完成降速，电机的升速也比较快，但是对于不同功率的驱动电机，其升速所需要的时间也不同，一些较大功率的电机由于其转动惯量较大，升速所需要的时间较长，可能会超过拨叉在空挡行程运动的时间。即拨叉将要到达目标挡位时，驱动电机的调速还没有完成。为了协调驱动电机调速和拨叉在空挡行程的运动，最大限度地缩短换挡时间，专利中提出了一种空挡行程分段控制方法。
空挡行程分段控制的具体实施方式如下：
空挡行程指的是AMT高速挡齿轮齿圈和低速挡齿轮齿圈之间的轴向距离。当拨叉处于空挡行程时，拨叉既不与高速挡齿轮齿圈接合，也不与低速挡齿轮齿圈接合，此时驱动电机主动调速，缩小目标挡位齿轮和AMT输出轴之间的转速差。空挡行程分段控制的基本思想是利用拨叉在空挡行程移动的时间对驱动电机进行调速。这种方法将空挡行程划分为两段，两段的分界点非常接近目标挡位齿轮。当拨叉位于分界点之前时，换挡电机不停转，驱动电机调速；当接合套到达分界点时，检查转速匹配是否完成，如果转速匹配完成，驱动电机切换成自由模式，换挡电机不停转，挂入目标挡位，如果转速匹配没有完成，换挡电机停转，驱动电机继续进行转速匹配，转速匹配完成后，驱动电机切换成自由模式，换挡电机重新启动，挂入目标挡位。空挡行程分段控制示意图如图15，图15(a)为低速挡换高速挡空挡行程分段控制示意图，图15(b)为高速挡换低速挡空挡行程分段控制示意图。
换挡过程控制流程如图16所示，具体步骤为：
(1)控制器控制驱动电机工作在转矩模式，根据加速踏板位置输出对应的转矩；
(2)控制器采集车速、加速踏板、制动踏板信号判断是否需要换挡和换挡的目标挡位；如果不需要换挡，驱动电机继续工作在转矩模式，如果需要换挡，控制器控制驱动电机转矩降为零，将驱动电机由转矩模式切换成自由模式；
(3)当控制器判断需要换挡、目标挡位为高速挡时，控制器的换挡电机H桥中左上和右下两个MOSFET(Q1和Q4)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速正转；当控制器判断需要换挡、目标挡位为低速挡时，控制器的换挡电机H桥中左下和右上两个MOSFET(Q3和Q2)导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速反转；
(4)当接合套脱离当前挡位进入空挡时，控制器采集AMT输出轴的转速和目标挡位的传动比，依此计算驱动电机的目标转速，驱动电机由自由模式切换成转速模式；
(5)使用速度传感器采集驱动电机的实际转速反馈给控制器，控制器用实际转速减去目标转速计算出转速差；
(6)高速挡换低速挡时，PI模块单独控制驱动电机升速，然后执行第10步。
(7)低速挡换高速挡时，当转速差小于阈值Y1时，PI模块单独控制驱动电机降速；当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，进行驱动电机电制动；驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，即为本发明所定义的驱动电机电制动。
(8)第7步进行电制动的同时，PI模块继续计算目标电压，PI模块的积分系数放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率；
(9)控制器采集驱动电机转速，当电机转速与目标转速的差值小于阈值Y2时，终止电制动、PI模块单独控制驱动电机降速；
(10)在换挡过程中，当拨叉到达空挡分界点时，控制器判断接合套和目标挡位齿轮之间的转速差是否小于阈值Y3；如果转速差小于阈值Y3，换挡电机不停转，驱动电机由转速模式切换成自由模式，如果转速差大于阈值Y3，换挡电机电制动，驱动电机继续进行转速匹配(驱动电机继续电制动或PI模块单独控制驱动电机调速)，转速匹配完成之后(接合套和目标挡位齿轮之间的转速差小于阈值Y3)，驱动电机切换成自由模式，换挡电机重新启动；
(11)控制器采集拨叉的位置信息，当到达换挡电机电制动目标位置时，控制器的换挡电机H桥中上桥导通的MOSFET关断，下桥的两个MOSFET导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止；此时，接合套与目标挡位齿轮啮合，完成换挡操作。
(12)换挡完成后，驱动电机由自由模式切换成转矩模式，控制器控制驱动电机转矩恢复，直到转矩达到加速踏板对应的转矩值。
第7步所述的阈值Y1为拨叉在空挡行程运动的时间内，PI单独控制下的驱动电机转速下降的最大值。阈值Y1和AMT空挡行程的距离和驱动电机的转动惯量有关，本发明中取500r/min。
第9步所述的阈值Y2的选取应满足在保证转速不超调的前提下尽可能小，本发明中取200r/min。
第10步所述的阈值Y3的选取应满足挂入目标挡位时驾驶员基本感觉不到冲击，本发明中取50r/min。
第10步所述的空挡分界点为：在拨叉轴上、距接合套与目标挡位齿轮初始接合点的距离为换挡电机电制动持续的时间内拨叉运动的距离与拨叉位置控制误差的和时、拨叉在拨叉轴上的位置。
为了验证本专利中所提出的换挡过程控制方法的效果，进行了典型工况下的实车试验。换挡品质主要通过换挡时间和挂入目标挡位时AMT输出轴和目标挡位齿轮之间的转速差来衡量。首先是静止工况下的换挡。静止换挡时间主要取决于AMT换挡电机转速、换挡执行机构的传动比和高低速挡之间的行程，静止换挡时间反映了由AMT机械结构决定的最短换挡时间。换挡时间可通过测量换挡电机的端电压得到。静止时换挡时间如图17和图18，低速挡换高速挡和高速挡换低速挡的时间分别是0.72s和0.735s，低速挡换高速挡和高速挡换低速挡的时间略有不同是因为拨叉从低速挡移动到高速挡和从高速挡移动到低速挡时的摩擦阻力略有不同。图19到图24分别是低、中、高车速下低速挡换高速挡和高速挡换低速挡时AMT各部分转速变化图。从图中换挡电机端电压可以看出，无论是低速、中速还是高速，换挡电机都没有在换挡过程中停转，说明了在拨叉到达空挡分界点前驱动电机就已经完成了调速，证明了改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法能在短时间内完成电机的调速。低中高车速下低速挡换高速挡换挡时间分别是0.723s、0.725s、0.729s，高速挡换低速挡的换挡时间分别是0.742s，0.749s，0.751s。各工况下的换挡时间和静止时的换挡时间几乎相同，证明了专利中提出的换挡过程控制方法能够有效缩短换挡时间。行进过程中的换挡时间比静止换挡时间略长，而且和车速正相关，原因可能有以下两种：(1)行进过程中驱动电机运转导致系统电压降低，车速越高，电压下降的幅度越大，系统电压的降低导致换挡电机转速降低；(2)不同车速下换挡过程中接合套所受阻力不同，车速越高，接合套所受阻力越大，换挡电机电流就越大，转速就越低。从换挡开始到接合套刚与目标挡位齿轮接触的时间大约占全部换挡时间的70％，根据这一点和图19到图24可以看出挂入目标挡位时接合套和目标挡位齿轮的转速差。各个车速下的挂挡时的转速差均小于50r/min，换挡过程中基本感觉不到换挡冲击。
本专利针对短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡过程控制分别提出了换挡执行机构控制方法、驱动电机转速控制方法、空挡行程分段控制方法。相对于传统的控制方法，专利中提出的换挡执行机构控制方法不仅在时间上是最优的，而且能达到很高的位置控制精度，所提出的改进后的直流无刷驱动电机转速PI控制方法能在更短的时间内完成驱动电机的降速，空挡行程分段控制能让换挡执行机构的运动和驱动电机调速同时进行，同时也能避免转速差过大时挂入目标挡位。最后的实车试验结果证明了本专利提出的换挡过程控制方法能使各种工况下的换挡时间和静止时的换挡时间几乎相同，同时能保证平顺的换挡效果。

Claims (1)

1.一种短途纯电动汽车无离合器无同步器AMT换挡控制方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）控制器控制驱动电机工作在转矩模式，根据加速踏板位置输出对应的转矩；
（2）控制器采集车速、加速踏板、制动踏板信号判断是否需要换挡和换挡的目标挡位；如果不需要换挡，驱动电机继续工作在转矩模式，如果需要换挡，控制器控制驱动电机转矩降为零，将驱动电机由转矩模式切换成自由模式；
（3）当控制器判断需要换挡、目标挡位为高速挡时，控制器的换挡电机H桥中左上和右下两个MOSFET（Q 1 和Q 4 ）导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速正转；当控制器判断需要换挡、目标挡位为低速挡时，控制器的换挡电机H桥中左下和右上两个MOSFET（Q 3 和Q 2 ）导通，直接给换挡电机额定电压，换挡电机以最高转速反转；
（4）当接合套脱离当前挡位进入空挡时，控制器采集AMT输出轴的转速和目标挡位的传动比，依此计算驱动电机的目标转速，驱动电机由自由模式切换成转速模式；
（5）使用速度传感器采集驱动电机的实际转速反馈给控制器，控制器用实际转速减去目标转速计算出转速差；
（6）高速挡换低速挡时，PI模块单独控制驱动电机升速，然后执行第10步；
（7）低速挡换高速挡时，当转速差小于阈值Y1时，PI模块单独控制驱动电机降速；当转速差大于阈值时，将控制器的驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通，进行驱动电机电制动；驱动电机电制动即驱动电机逆变桥的上桥三个MOSFET关闭，下桥的三个MOSFET导通；
（8）第7步进行电制动的同时，PI模块继续计算目标电压，PI模块的积分系数放大，放大倍数为电制动时转速下降斜率除以PI单独作用时转速下降斜率；
（9）控制器采集驱动电机转速，当电机转速与目标转速的差值小于阈值Y2时，终止电制动、PI模块单独控制驱动电机降速；
（10）在换挡过程中，当拨叉到达空挡分界点时，控制器判断接合套和目标挡位齿轮之间的转速差是否小于阈值Y3；如果转速差小于阈值Y3，换挡电机不停转，驱动电机由转速模式切换成自由模式，如果转速差大于阈值Y3，换挡电机电制动，驱动电机继续进行转速匹配，转速匹配完成之后，驱动电机切换成自由模式，换挡电机重新启动；
（11）控制器采集拨叉的位置信息，当到达换挡电机电制动目标位置时，控制器的换挡电机H桥中上桥导通的MOSFET关断，下桥的两个MOSFET导通，换挡电机电制动，拨叉迅速停止；此时，接合套与目标挡位齿轮啮合，完成换挡操作；
（12）换挡完成后，驱动电机由自由模式切换成转矩模式，控制器控制驱动电机转矩恢复，直到转矩达到加速踏板对应的转矩值。
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