CN111474848B

CN111474848B - 一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法

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Publication number: CN111474848B
Application number: CN202010308603.3A
Authority: CN
Inventors: 王皖君; 李赵春; 陈薇
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Anhui Rem Industrial System Co ltd
Priority date: 2020-04-18
Filing date: 2020-04-18
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2040-04-18
Also published as: CN111474848A

Abstract

本发明公开了一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，包括：将电机的实际转速转换为实际角速度，根据实际角速度和实际扭矩来设置扰动观测器，实时估计影响电机转速的扰动量；将目标转速转换为目标角速度，并根据目标角速度与实际角速度的误差值构造滑模面；设置滑模转速控制器，在滑模转速控制器中引入观测的扰动量，模拟机械转动惯量抑制扰动对转速的影响，得到扭矩控制量；变频器根据扭矩控制量自动调节变频电机的电磁扭矩，使得电机在受到同步摩擦扭矩作用时保持转速稳定。本发明通过干扰观测器估计同步摩擦扭矩对电机的扰动，设计滑模转速控制器，并引入估计的扰动量来模拟机械转动惯量抑制转速波动，达到减小转速波动的目的。

Description

一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法

技术领域

本发明涉及机械转动惯量电模拟，具体涉及一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法。

背景技术

同步器是手动变速器的关键部件之一，其作用是在变速器换挡时，通过同步器的摩擦接触，使同步环和接合齿圈的转速逐渐达到同步，再将接合套与待接合齿圈接合。采用同步器可以减小变速器换挡过程中换挡齿轮之间产生的冲击，延长齿轮的使用寿命，让车辆换挡过程变得更加平顺。同步器的性能与换挡冲击、换挡平顺性、换挡力、换挡时间等变速器技术指标直接相关。随着汽车工业的发展，主机厂对同步器的性能要求越来越高。为了保证产品质量、提高产品性能、降低制造成本和提高新产品研发能力，生产企业非常重视同步器性能和疲劳试验。与装车道路试验相比，台架试验具有不受环境因素影响、周期短、成本低、效率高、试验工况容易控制等优点，研究机构广泛采用变速器同步器试验台进行疲劳试验和性能试验。

为了模拟变速器同步器的实际工况，现有试验台通常采用电机拖动变速器的输出端，模拟车辆行驶时变速器车辆端的转速。驱动控制电机的变频器普遍采用双闭环控制结构，即内环为扭矩控制环，外环为转速控制环，控制器通常为比例积分(PI)控制器。其中扭矩控制环的作用是提高系统的快速性，及时抑制影响电机扭矩的干扰；转速控制环的作用是抑制调速系统内部和外部扰动，保证转速跟踪目标转速。

在实际换挡过程中，由于车辆质量较大，具有较大的平动惯性，车速几乎不会因为同步器中出现同步摩擦扭矩而发生变化，但对于变速器同步器试验台中的电机，试验时换挡产生的同步摩擦扭矩对于电机是一个突加的强负载扰动，由于电机的转动惯量远小于车辆等效到变速器输出轴的转动惯量，同步摩擦扭矩会造成电机转速下降，反之，当同步摩擦扭矩消失，则会使电机转速上升，而转速PI控制器在转速变化时主要是利用积分控制来消除扰动导致的输出转速变化，这是一种被动且响应速度较慢的控制方式，这会导致试验转速短时剧烈波动，但同步器性能试验是通过采集同步过程中的特征数据进行评价，且换挡同步时间很短，一般仅为0.3～1.2秒，而在此期间电机转速波动最剧烈，此时采集的同步器特征数据将严重失真，可信度较差。

针对电机控制系统不能抑制同步摩擦扭矩造成的转速波动，为了能满足变速器同步器试验对转速稳定性的要求，以及调速系统控制器参数能够快速适应各种不同工况，传统试验台通常采用机械惯性飞轮模拟汽车的等效惯量，但高速旋转的机械飞轮对加工精度、动平衡、装配工艺和支撑轴承的要求极高，并存在一定的安全隐患。电模拟是指取消机械飞轮，通过控制试验台架中电机的转速或扭矩，模拟机械飞轮的储能特性，使受到外部扰动时转速保持稳定。与机械飞轮组模拟相比，电模拟具有简单、便捷、成本低和高附加值等优点，但现有变频调速技术和机械转动惯量电模拟控制方法无法满足变速器同步器试验台对转速稳定性的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，本变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法通过干扰观测器估计同步摩擦扭矩对电机的扰动，设计滑模转速控制器，并引入估计的扰动量来模拟机械转动惯量抑制转速波动，达到减小转速波动的目的。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，包括配置测速光电编码器的变频电机、配有现场总线接口的变频器和实时控制系统，还包括扰动观测器和滑模转速控制器，包括以下步骤：

(1)将变频电机的动力线和光电编码器信号线均与变频器连接，变频器通过现场总线接口和实时控制系统连接；

(2)设置变频器的控制模式为带编码器的扭矩闭环控制；

(3)设置变频器与实时控制系统的通信报文，使得实时控制系统能通过现场总线接口控制变频器和变频电机，包括启动变频电机、停止变频电机、从变频器中读取变频电机的实际转速n、实际电磁扭矩T_e以及向变频器发送扭矩控制量T_e ^*；

(4)实时控制系统将步骤(3)中变频电机的实际转速n转换为实际角速度ω，根据实际角速度ω和实际电磁扭矩T_e来设置扰动观测器，实时估计影响变频电机转速的扰动量

(5)实时控制系统将试验目标转速n_ref转换为目标角速度ω_ref，并根据目标角速度ω_ref与步骤(4)中的实际角速度ω的误差值e构造滑模面s；

(6)根据步骤(5)中的滑模面s设置滑模转速控制器，在滑模转速控制器中引入观测的扰动量

模拟机械转动惯量抑制扰动对转速的影响，得到扭矩控制量T_e ^*；

(7)实时控制系统通过现场总线接口向变频器发送步骤(6)得到的扭矩控制量T_e ^*；

(8)变频器根据扭矩控制量T_e ^*自动调节变频电机的实际电磁扭矩T_e，使得变频电机在受到同步摩擦扭矩作用时变频电机的实际转速n快速、稳定跟踪目标转速n_ref。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(4)中的扰动观测器采用广义比例积分观测器，该扰动观测器的输入为变频电机的实际电磁扭矩T_e和实际角速度ω，输出为扰动观测器估计的扰动量

其模型为：

其中，

为电机实际转速的估计值，

分别表示估计扰动量

的一阶、二阶导数，k₀、k₁、k₂和k₃为观测器参数。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(5)中的变频电机的目标角速度ω_ref与实际角速度ω的误差e表示为e＝ω_ref-ω，构造的滑模面s为：

其中，c为增益系数，α为幂次系数，c＞0，0＜α＜1，sgn(·)为标准符号函数。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(6)中的滑模转速控制器输出的扭矩控制量T_e ^*为：

其中，

v＝-(k_T+η)sgn(s)；

式中，u_eq为等效控制量，v为切换控制量，u_n为v经过低通滤波器处理后的输出，参数T为低通滤波器截止频率，k_T和η为切换增益参数，满足k_T≥T·L_d，η＞0，L_d为上确界。

作为本发明进一步改进的技术方案，其中实际转速n的单位为r/min；实际电磁扭矩T_e的单位为N·m；扭矩控制量T_e ^*的单位为N·m；实际角速度ω的单位为rad/s；目标转速n_ref的单位为r/min；目标角速度ω_ref的单位为rad/s。

上述的变速器同步器试验台机械转动惯量电模拟控制方法，所述变速器同步器试验台包括变频电机、测速光电编码器、联轴器、扭矩传感器、传动轴、变速器、换挡机械手、离合器从动盘；测速光电编码器设置在变频电机尾部，电机输出轴通过联轴器与扭矩传感器联接，扭矩传感器通过传动轴与变速器输出轴联接，换挡机械手与变速器的换挡杆联接，离合器从动盘设置在变速器的输入轴上。

本发明的有益效果：本发明提供的变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，在现有变频调速的技术上，通过设计扰动观测器根据电机的标称机械动力学模型采用实际扭矩和实际角速度估计电机受到的扰动，采用滑模控制器代替PI控制器根据进行转速控制，并引入估计的扰动量来模拟机械转动惯量抑制转速波动，实时控制系统同时实现转速闭环控制和机械转动惯量电模拟，调速系统存在参数摄动和受到外部干扰时，具有良好的转速稳定性，采用本方法可以降低变速器同步器试验台的机械结构，提高自动化程度和试验技术水平。

附图说明

图1是采用采用电模拟惯量稳定转速的变速同步器试验台结构示意图。

图2是采用机械飞轮模拟惯量稳定转速的变速器同步器试验台结构示意图。

图3是本发明一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法的原理图。

图4是惯量电模拟与PI控制器、惯量机械模拟时的转速升速过程比较图。

图5是出现同步摩擦扭矩时惯量电模拟与PI控制器、惯量机械模拟的转速波动比较图。

图6是出现同步摩擦扭矩时惯量电模拟与PI控制器、惯量机械模拟扭矩控制量比较图。

图7是扰动估计值与扰动实际值的比较图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式做出进一步说明：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，以使本发明的优点和特征更能易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明确的界定。

如图1所示，本发明给出的一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，所述变速器同步器试验台包括测速光电编码器1、变频电机2、联轴器3、扭矩传感器5、传动轴6、换挡机械手7、变速器8、离合器从动盘9；测速光电编码器1设置在变频电机2的尾部，变频电机2输出轴通过联轴器3与扭矩传感器5联接，扭矩传感器5通过传动轴6与变速器8的输出轴联接，换挡机械手7与变速器8的换挡杆联接，离合器从动盘9设置在变速器8的输入轴上。与本发明所述的变速器同步器试验台相比，如图2所示的采用机械飞轮模拟惯量稳定转速的变速器同步器试验台在变频电机2输出轴和扭矩传感器5之间设置有机械飞轮4。参见图3，一种变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法，还包括配有现场总线通信接口的变频器、实时控制系统，本发明的特征在于设置有扰动观测器和滑模转速控制器，包括以下步骤：

步骤1)：将变频电机的动力线、编码器信号线与变频器连接，变频器通过现场总线通信接口和实时控制系统连接；

步骤2)：设置变频器的控制模式为带编码器的扭矩闭环控制；

步骤3)：设置变频器与实时控制系统的通信报文，使得实时控制系统能通过现场总线控制变频器和变频电机，包括启动变频电机、停止变频电机、从变频器中读取变频电机的实际转速n(r/min)、实际电磁扭矩T_e(N·m)以及向变频器发送扭矩控制量T_e ^*(N·m)；

步骤4)：实时控制系统将步骤3)中电机的实际转速n(r/min)转换为实际角速度ω(rad/s)，根据实际角速度ω(rad/s)和实际电磁扭矩T_e(N·m)来设置扰动观测器，实时估计影响电机转速的扰动量

步骤5)：实时控制系统将试验目标转速n_ref(r/min)转换为目标角速度ω_ref(rad/s)，并根据目标角速度ω_ref(rad/s)与步骤4)中的实际角速度ω(rad/s)的误差值e构造滑模面s；

步骤6)：根据步骤5)中的滑模面s设置滑模转速控制器，在滑模转速控制器中引入观测的扰动量

模拟机械转动惯量抑制扰动对转速的影响，得到扭矩控制量T_e ^*(N·m)；

步骤7)：实时控制系统通过现场总线接口向变频器发送步骤6)得到的扭矩控制量T_e ^*(N·m)；

步骤8)：变频器根据扭矩控制量T_e ^*自动调节变频电机的实际电磁扭矩T_e(N·m)，使得变频电机在受到同步摩擦扭矩作用时实际转速n(r/min)快速、稳定跟踪目标转速n_ref(r/min)。

在具体实施例中，步骤4)中的扰动观测器采用广义比例积分观测器，该观测器的输入为电机的实际电磁扭矩T_e(N·m)和实际角速度ω(rad/s)，输出为观测器估计的扰动量

其模型为：

其中，

为电机实际转速的估计值，

分别表示估计扰动量

的一阶、二阶导数，k₀、k₁、k₂和k₃为观测器参数，只要合理选择k₀、k₁、k₂、k₃使得特征多项式D(s)＝s⁴+k₀s³+k₁s²+k₂s+k₃的根全部位于在复平面的左半平面，则可以使得观测器收敛。

作为本发明的一种优化方法：所述步骤5)中电机的目标角速度ω_ref(rad/s)与实际角速度ω(rad/s)的误差表示为e＝ω_ref-ω，构造的滑模面s为：

其中，c为增益系数，α为幂次系数，c＞0，0＜α＜1，sgn(·)为标准符号函数，通过设计合适的增益系数c和幂次系数α可以在滑模面上实现转速误差e以有限时间收敛到零，选择较大的增益系数c时收敛速度越快，选择较小的幂次系数α时稳态误差越小。

在具体实施例中，步骤6)中的滑模转速控制器输出的扭矩控制量为：

其中，

v＝-(k_T+η)sgn(s)；

式中，u_eq为等效控制量，v为切换控制量，u_n为v经过低通滤波器处理后的输出，参数T为低通滤波器截止频率，k_T和η为切换增益参数，满足k_T≥T·L_d，η＞0。

在具体实施例中，本发明设置的扰动观测器和滑模转速控制器的步骤如下所示：

步骤a：电机的标称机械动力学模型为：

式中，d(ω,t)＝aω(t)+δ，表示各类扰动的总和；

其中，

ω(t)为电机实际角速度(rad/s)，T_e为电机实际电磁扭矩(N·m)，J为整个电机轴上的转动惯量(kg·m²)，B为轴系的粘滞摩擦系数(N·m/rad·s-¹)，T_L为变速器换挡时产生的同步摩擦扭矩，对于电机为未知的负载扭矩(N·m)。

进一步，考虑变速器同步器试验台中电机的内部参数不确定对转速控制稳定性的影响，用于转速控制器设计的电机机械动力学模型为：

其中，T_e*为扭矩闭环控制给定量(N·m)；d(ω,t)＝b(T_e-T_e*)+ΔbT_e+(a+Δa)ω+δ，表示集总扰动，Δb为b的变化量，Δa为a的变化量，包括电机运行过程中转动惯量的变化、粘滞摩擦及其不确定性、电机扭矩闭环控制误差和外部干扰，在实际调速系统中存在上确界L_d，满足|d(ω,t)|≤L_d。

步骤b：将电机的标称动力学模型进行高阶扩展，集总扰动d(ω,t)的一、二阶导数分别为d₁(ω,t)、d₂(ω,t)，标称动力学模型扩展后可表示为：

根据所述扩展的标称动力学模型，可设计如下广义比例积分观测器：

其中，

为观测器估计的扰动量，

分别表示估计扰动量

的一阶、二阶导数，k₀、k₁、k₂和k₃为观测器参数，需合理选择，并满足特征多项式D(s)＝s⁴+k₀s³+k₁s²+k₂s+k₃的根全部位于在复平面的左半平面，则可以使得观测器收敛。

步骤c：定义目标角速度ω_ref(rad/s)与实际角速度ω(rad/s)的误差为e＝ω_ref-ω，误差的变化率

可表示为：

根据角速度误差e及误差的变化率

构造终端滑模面s为：

步骤d：设计滑模转速控制器为：

式中，

v＝-(k_T+η)sgn(s)；

其中，u_eq为等效控制量，v为切换控制量，u_n为v经过低通滤波器处理后的输出，参数T为低通滤波器截止频率，k_T和η为切换增益参数，满足k_T≥T·L_d，η＞0。

步骤e：证明本发明给出的转动惯量电模拟控制方法的稳定性，定义如下Lyapunov函数为V＝0.5s²，将滑模转速控制器输出的扭矩控制量T_e*代入终端滑模面s，得到：

其中，

表示扰动观测误差；扰动观测器收敛时，

有界，存在k_ed＞0，使得

对Lyapunov函数求导，可得：

可以看出，只要取k_T≥T·L_d≥T|u_n(t)|_max≥T|u_n(t)|，有

由Lyapunov函数稳定性理论可知，本发明提供的滑模转速控制器可以保证系统稳定。

继续证明扰动观测器的收敛性：

定义

将所述扩展的标称动力学模型与广义比例积分扰动观测器相减，可得：

误差方程表示为：

其中，σ(t)表示集总扰动的三阶导数，变速器在换挡过程中产生的同步摩擦扭矩对于电机是多项式形式的扰动，满足σ(t)＝0，只要选择k₀、k₁、k₂、k₃使特征多项式D(s)＝s⁴+k₀s³+k₁s²+k₂s+k₃的根全部位于在复平面的左半平面，则可以使得观测器收敛，在一个较佳的实施例中，可以按远离虚轴的重极点进行配置。

根据以上的稳定性分析，所设置的滑模控制器是稳定的，调速系统受到外部扰动时，能模拟机械转动惯量抑制扰动对转速的影响，转速误差能快速收敛到零。

为了进一步说明本实施例中变速器同步器试验台的机械转动惯量电模拟控制方法的优越性，我们将本发明方法与PI控制器、机械飞轮模拟惯量方案的控制效果进行对比。从图4可以看出，本发明给出的机械转动惯量电模拟方法可以实现目标转速(1000rpm)的快速有效跟踪，而采用PI控制器时存在较大的超调量，采用机械飞轮模拟惯量时不仅超调量大，而且稳定时间长；从图5可以看出，在变速器换挡产生同步摩擦扭矩时，采用本发明给出的机械转动惯量电模拟方法，转动波动范围仅在999rpm～1003rpm，而且转速误差迅速收敛到0，实际转速能及时跟踪目标转速，仅采用PI控制器时，转速波动量最大，而采用机械飞轮模拟转动惯量时，转速波动量有所减小，但转速稳定时间较长；从图6可以看出，本发明给出的扭矩控制量响应最快，只是一开始幅值较大，但很快趋于稳定，而采用PI控制器和机械飞轮模拟惯量时稳定时间较长；从图7可以看出，本发明提供的方法对系统扰动的估计值比较精确。综合对比可知，本发明提供的机械转动惯量电模拟方法可以保证变速器同步器试验台试验转速稳定。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。