CN107795676A - 基于同步轨迹优化的纯电动两挡amt换挡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于同步轨迹优化的纯电动两挡AMT换挡控制方法，提出了换挡电机与驱动电机并行协调控制策略，并详细分解了同步器工作过程，以PI控制方法和基于极小值原理的最优控制方法确定了最优同步轨迹，保证了良好的换挡品质，提高了换挡的平顺性和快速性。
Description
技术领域
本发明涉及属于电动汽车领域。
背景技术
目前，由于人们对环境保护以及能源有效合理利用的日益重视，具有高效、节能、环保车型的纯电动汽车，已成为汽车行业的发展趋势。
纯电动汽车的主要性能包括经济性和动力性两部分，为了提高车辆经济性、动力性及换挡舒适性，就必须对纯电动汽车两挡AMT换挡控制策略进行设计。现目前，传统燃油汽车的换挡控制策略已经趋近成熟、完善，且主要是对发动机和离合器的协调控制，然而，无离合器式纯电动汽车取消了离合器，且动力源为驱动电机，所以不能简单地将传统汽车换挡控制移植到纯电动汽车换挡过程中。因此，开展纯电动汽车两挡AMT的综合换挡控制研究对提高整车性能有着重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明提出了基于同步轨迹优化的纯电动两挡AMT换挡控制方法。
基于同步轨迹优化的纯电动两挡AMT换挡控制方法，其特征在于：包括一个安装在车辆上的两挡AMT纯电动动力传动系统；所述两挡AMT纯电动动力传动系统中包括永磁同步电机、两挡AMT、主减速器、差速器以及两输出半轴；所述AMT拥有两套啮合齿轮以组成自动变速器的两个挡位，并配有一个由小功率直流电机控制的换挡执行机构，控制换挡电机的旋转使同步器结合套左右移动，迫使同步器与1挡或2挡被动齿轮接合以达到挂上1挡或2挡的目的。
所述换挡执行机构由换挡电机、蜗轮蜗杆传动机构、带有凹槽的凸轮轴、换挡拨叉与同步器共同组成。当开始换挡时，蜗轮蜗杆传动机构将电机输出转矩减速增扭后传递到换挡凸轮轴上，换挡销位于凸轮螺旋凹槽内，将凸轮轴的旋转运动转化成轴向移动，进而拨动同步器结合套，使其完成摘挡和挂挡过程。
所述同步轨迹优化为以提高AMT换挡品质为目的，计算出换挡电机输出转矩的最优控制轨迹。
其换挡过程由驱动电机与换挡电机共同协调完成。其换挡过程可以分为5个阶段：驱动电机转矩清零阶段、摘挡阶段、驱动电机调速阶段、挂挡阶段和驱动电机转矩恢复阶段。
当车速达到换挡点车速时开始换挡。首先，换挡电机预摘挡与驱动电机转矩清零进行第一次并行控制；接着，换挡电机单独工作完成当前挡位至目标挡位的过渡；当摘至空挡区域时，换挡电机减速与驱动电机调速进行第二次并行控制，一旦驱动电机调速完成，换挡电机转矩快速清零，使凸轮轴在惯性的作用下运动至空挡后部；然后，换挡电机控制接合套完成空挡至目标挡位的过渡；最后，当接合套运行至目标挡位区域时，与驱动电机转矩恢复进行第三次并行控制，换挡凸轮轴旋转至凸轮凹槽行程末端时换挡结束。
其换挡控制策略分别是驱动电机控制策略、换挡电机控制策略、挂挡过程控制策略。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。使用本发明的两挡AMT换挡过程控制策略，保证了良好的换挡品质，能够实现纯电动汽车两挡AMT的快速性、平顺性换挡。
附图说明
图1为本发明提供的两挡AMT纯电动汽车动力传动系统的结构图；
图2为本发明提供的两挡AMT纯电动汽车换挡执行机构三维图；
图3为本发明提供的两挡AMT纯电动汽车换挡过程控制策略流程图。
图4为本发明提供的挂挡过程同步器工作过程示意图。
图5为本发明提供的挂挡同步过程控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例：
本实施例以1挡升2挡为例，分别对换挡过程的驱动电机、换挡电机、挂挡过程的控制策略进行详细的阐述。
对于驱动电机来说，其工作模式分为三种：力矩模式、自由模式以及调速模式。换挡过程中驱动电机在清零阶段和转矩恢复阶段处于力矩模式，在调速阶段处于调速模式，其余阶段都处于自由模式。
以换挡冲击度为限制，确定驱动电机转矩清零过程和驱动电机转矩恢复过程的驱动电机转矩变化率；在驱动电机调速过程中，以将同步器主、从动端的转速差快速调节到较小范围为目的，确定驱动电机调速的目标转速。
对于换挡电机来说，在预摘挡过程中，换挡电机与驱动电机进行第一次协调控制，应控制换挡电机使拨叉销在驱动电机转矩清零完成前不得脱离当前挡位。一旦驱动电机完成转矩清零，换挡电机控制凸轮轴迅速进入1挡至空挡过渡区域以进入摘挡过程；
在摘挡过程中，换挡电机减速与驱动电机调速进行第二次并行协调控制，在驱动电机未完成调速之前，应控制换挡电机使拨叉销不得超越空挡区域凸轮行程。当驱动电机调速完成，控制换挡电机使凸轮轴迅速转过该阶段剩余行程。由摘挡过程在换挡凸轮轴上的动力学方程建立摘挡过程最优控制模型，计算出摘挡过程换挡电机输出转矩的最优控制轨迹。
对于挂挡过程，换挡电机与驱动电机转矩恢复过程进行第三次并行协调控制。驱动电机控制转矩恢复，同时换挡电机控制同步器挂入目标挡位，且应控制挂入目标挡位时的接合套速度不宜过大，以避免较大冲击。换挡凸轮轴旋转至凸轮凹槽行程末端时换挡结束。
本发明将同步器工作过程分为4个阶段：
同步锁止前消除间隙阶段、同步锁止阶段、同步锁止后消除间隙阶段以及挂入目标挡位阶段。
如图4所示。针对挂挡同步过程的四个阶段，对这四个阶段采用相应控制方法，以改善换挡品质。其控制流程图如图5所示。图5中s1代表同步锁止前消除间隙阶段位移，s2代表同步锁止后消除间隙阶段位移。此处根据挂挡行程为9mm，设定除同步锁止阶段之外的其余三个阶段位移量都为3mm。
第一阶段的控制算法是根据同步锁止前消除间隙阶段是一个空行程，接合套只受到定位销的微小阻力。由于上一阶段是驱动电机调速阶段，换挡电机与驱动电机并行控制，因此在进入挂挡同步阶段时，换挡凸轮轴具有一定的转速。据此，应控制换挡电机转矩使接合套快速移动以缩短该阶段的运动时间，但应保证同步环内锥面与齿圈外锥面接触时的速度不宜过大，以避免速度过大而产生打齿和较大冲击，影响换挡舒适性。因此，应精确控制接合套在该阶段的移动速度来避免打齿现象的发生。本发明采用PI控制器对该阶段进行控制，既能快速消除间隙，又能很好地控制速度，以避免打齿现象以及较大冲击。
第二阶段的控制算法的控制目标是在控制冲击度和单位面积滑磨功在最大容许值范围内的前提下，尽量减小同步时间。换挡时间越短，换挡冲击越大，滑磨功越小；换挡时间越长，换挡冲击越小，滑磨功越大。因此，各换挡品质评价指标之间相互制约，可以通过合理的控制策略，使各评价指标相互协调，获得综合最优的换挡品质。为改善换挡品质，本发明设计了基于庞特里亚金极小值原理的同步器同步锁止阶段最优控制方法，建立以换挡品质评价指标作为综合最优性能泛函，获得同步器同步锁止阶段最优换挡转矩轨迹。
其具体算法流程如下：
对同步器主、从动端进行受力分析，得出动力学方程：
式中，Jse：同步器主动端旋等效转动惯量(kg·m2)；
Jve：同步器从动端的等效转动惯量(kg·m2)；
Ts：同步摩擦力矩(N.m)；
ωs：同步器主动端转速(rad/s)；
ωv：同步器从动端转速(rad/s)；
Tv：同步器从动端阻力矩(N·m)。
以同步器主动端转速ωs、同步器从动端转速ωv及其变化率作为状态向量。
状态向量：
以同步摩擦力矩Ts及其变化率作为控制向量。
控制向量：
根据公式(1.1)、(1.2)以及(1.3)可推导出状态方程。
状态方程：
且令：
由参数匹配和第二类冲击可解得u1、u2和Ts的取值范围。
初始条件：X(t0)＝X0(1.16)
式中，t0：同步锁止初始时间(s)
终端约束：
G[X(tf),tf]＝0(1.17)
式中：tf：同步锁止结束时间(s)；G：维可微函数。
以此建立以换挡品质评价指标作为最优性能泛函：
式中，J：性能泛函；
j：换挡冲击度(m/s3)；
K1、K2分别是滑摩功和冲击度的权重系数。
且令：
从公式(1.9)可以看出L(X,U,t)为积分型性能泛函、终端时刻自由、终端状态自由且控制受约束的最优控制问题。
应用庞特里亚金极小值原理，并引入协态变量λ，取哈密顿函数为：
H(X,U,λ,t)＝L(X,U,t)+λTf(X,U,t)(1.20)
最优性能泛函J取极小值的必要条件是X,U,λ,tf满足下面一组方程：
边界条件：H(tf)＝0(1.22)
横截条件：λ(tf)＝0(1.23)
解得到各控制向量和状态向量的最优轨迹：
式中，a：协态变量λ3的特征根，
由此可得到换挡电机转矩及其变化率最优轨迹：
第三阶段的换挡电机控制方法与第一阶段的控制方法类似，采用PI控制方法，尽量缩短该阶段的运动时间，且应控制好接合套速度，以避免较大冲击。
第四阶段的换挡电机控制方法与第一阶段的控制方法类似，采用PI控制方法，但该阶段应与驱动电机转矩恢复过程并行控制，以进一步缩短换挡时间。
至此，1挡升2挡的所有控制策略阐述完毕。
最后说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非限制，应该认识到在不脱离本发明主旨的情况下，本发明的技术人员可以对本发明作出不同程度的修改。
Claims (1)
1.一种基于同步轨迹优化的纯电动两挡AMT换挡控制方法，其特征在于:
包括一个安装在所述车辆上的两挡AMT纯电动动力传动系统；所述两挡AMT纯电动动力传动系统中包括永磁同步电机、两挡AMT、主减速器、差速器以及两输出半轴；所述AMT为普通AMT,其拥有两套啮合齿轮以组成自动变速器的两个挡位，并配有一个由小功率直流电机控制的换挡执行机构，控制换挡电机的旋转使同步器结合套左右移动，迫使同步器与1挡或2挡被动齿轮接合以达到挂上1挡或2挡的目的。
所述换挡执行机构由换挡电机、蜗轮蜗杆传动机构、带有凹槽的凸轮轴、换挡拨叉与同步器共同组成。当开始换挡时，蜗轮蜗杆传动机构将电机输出转矩减速增扭后传递到换挡凸轮轴上，换挡销位于凸轮螺旋凹槽内，将凸轮轴的旋转运动转化成轴向移动，进而拨动同步器结合套，使其完成摘挡和挂挡过程。
当车速达到换挡点车速时开始换挡，包括以下5个过程：
1〕预摘挡过程
此过程中，完成换挡电机预摘挡，驱动电机转矩清零；换挡电机与驱动电机需进行第一次协调控制：
1-1〕控制换挡电机使拨叉销在驱动电机转矩清零完成前不得脱离当前挡位。
1-2〕当驱动电机完成转矩清零，换挡电机控制凸轮轴迅速进入当前挡位至空挡过渡区域，以便进入摘挡过程
2〕摘挡过程
此过程中，换挡电机单独工作完成当前挡位至目标挡位的过渡；换挡电机减速与驱动电机调速进行第二次并行协调控制：
2-1〕在驱动电机未完成调速之前，需控制换挡电机使拨叉销不得超越空挡区域凸轮行程。
2-2〕当驱动电机调速完成，控制换挡电机使凸轮轴迅速转过该阶段剩余行程；换挡电机转矩快速清零，使凸轮轴在惯性的作用下运动至空挡后部；
由摘挡过程在换挡凸轮轴上的动力学方程建立摘挡过程最优控制模型，计算出摘挡过程换挡电机输出转矩的最优控制轨迹。
其动力学方程为:
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,Tsm是换挡电机输出转矩；
iw是蜗轮蜗杆传动比；
ηw是涡轮蜗杆传动效率；
Tf是滚动阻力矩；
是凸轮轴转动惯量；
是换挡凸轮转角变化率；
状态向量:
<mrow>
<mi>X</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
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<mtr>
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<msub>
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<mrow>
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<mi>m</mi>
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</mtr>
<mtr>
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<mover>
<mi>&Gamma;</mi>
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<mi>m</mi>
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</mtable>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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</mrow>
控制变量:u＝Tsm(1.3)
状态方程:
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<mi>X</mi>
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<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
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<mtr>
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<mtr>
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
边界条件:x1(tf)＝Γ2(1.5)
式中，tf：摘挡阶段末端时刻(s)；
Γ2：摘挡阶段末端凸轮轴角位移(rad)。
容许条件：-Tsm_max≤Tsm≤Tsm_max(1.6)
式中，Tsm_max：换挡电机最大输出转矩(N·m)。
应尽量快地完成摘挡，以减少该过程的工作时间，因此本文以时间最优为目标，建立如下性能指标：
最终解得摘挡过程换挡电机输出转矩的最优控制轨迹：
Tsm(t)＝Tsm_max(1.8)
3〕驱动电机调速过程
4〕挂挡过程
换挡电机控制接合套完成空挡至目标挡位的过渡；当接合套运行至目标挡位区域时，换挡电机与驱动电机转矩恢复过程进行第三次并行协调控制。驱动电机控制转矩恢复，同时换挡电机控制同步器挂入目标挡位
4-1〕同步锁止前消除间隙阶段：采用PI控制器对该阶段进行控制，快速消除间隙；
其输入参数为同步环转过一个齿宽的时间t,控制参数为接合套移动速度vsleeve。精确控制了接合套的移动速度。
4-2〕同步锁止阶段：基于庞特里亚金极小值原理控制换挡电机转矩及其变化率最优轨迹：
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1.9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：t0是同步锁止初始时间(s)；
a是协调变量的特征根。
4-3〕同步锁止后消除间隙阶段以及挂入目标挡位阶段：控制方法与同步锁止前消除间隙阶段类似。
5〕驱动电机转矩恢复过程
换挡电机与驱动电机第三次并行控制
需要控制驱动电机的转矩变化率来限制冲击度：
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>m</mi>
</msub>
</mrow>
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<mrow>
<msub>
<mi>ig</mi>
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</msub>
</mrow>
</mfrac>
<msub>
<mi>j</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>10</mn>
<mi>&delta;</mi>
<mi>m</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>ig</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msub>
<mi>i</mi>
<mn>0</mn>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1.10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
换挡凸轮轴旋转至凸轮凹槽行程末端时换挡结束；驱动电机转矩恢复。
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