CN113574299A - 控制爪形离合器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过DC马达（15）控制爪形离合器（8.1、8.2）的方法，该DC马达被构造成经由致动器臂（20）来移动爪形离合器（8.1、8.2），该爪形离合器（8.1、8.2）包括具有一个或多个爪形件（21.1、22.1）的至少一个齿轮（21、22），所述爪形件被构造成接合滑动套筒（23）的一个或多个爪形件（23.1、23.2），该方法包括：向DC马达（15）供应脉宽调制电压，该脉宽调制电压具有由控制算法（10）提供的占空比，该控制算法（10）包括基于4阶轨迹规划算法生成致动器臂（20）的期望位置的轨迹规划器（11）、以及基于滑模理论的用于跟踪期望的臂位置的运动控制器。

Description

控制爪形离合器的方法
技术领域
在专用混合动力变速器（DHT）中，辅助动力源（诸如，电动马达）与燃烧发动机集成在一起，以改进燃料消耗、效率和驾驶性能。手自一体变速器（AMT）是动力系中的一种低成本解决方案，以在同步集成了不同动力源的轴的转速的同时传递所需求的扭矩。
背景技术
汽车和卡车中干式离合器的自动接合通常用于致动能量流管理。它们在改进安全性、舒适性、可靠性、换档质量和驾驶性能连同减少燃料消耗和污染物排放方面呈现了许多优势。基于诸如模糊逻辑、最优控制、反馈线性化和PI控制之类的技术，已在文献中提出了用于接合的几种控制算法。
用于齿轮换档的机械混合动力变速器中的替代方案是爪形离合器系统，其好处是允许两个轴以相同的速度转动而不会打滑并且比干式离合器磨损更少。在爪形离合器系统中应用自动控制，以便实现快速且平顺的接合。这两个性能目标是相互矛盾的。为了实现平顺的齿轮换档，齿轮接合持续时间应是长的，从而减少齿轮上的应力。另一方面，快速接合将增加爪形离合器冲击力，并且接合将不平顺。
已提出了用于爪形离合器接合的不同控制装置。由于电磁线圈的磁力所致，一个控制装置将爪形离合器构件从非连接位置朝向连接位置移动，并且离合器环帮助爪形件接合。文献中提出的第二选项是使用行程位置传感器的反馈用线性致动器和控制器移动自动变速器的齿轮。
在低成本系统中，爪形离合器没有同步锥体或环，这使系统简单且小巧。而且，控制算法局限于仅使用标准的传感器以保持低成本以及具有有限资源的微控制器以供实施。这些条件需要一种鲁棒且简单的位置控制算法来接合和脱离爪形离合器系统。
在带有干式离合器的变速器中，最主要问题是：
- 影响系统性能的干式离合器滑动，
- 招致高的更换成本的摩擦磨损。
在爪形离合器式变速器机构中，主要问题是：
- 快速且平顺的接合过程由于平顺接合而需要长的时间，并且快速接合增加爪形件中的冲击力，
- 同步锥或环支持接合过程，然而，更多的部件增加了成本。
期望一种不使用同步锥或环就能进行快速且平顺的接合的控制算法。
在文献中，已考虑到以下问题开发了不同的控制策略来接合和脱离离合器系统：
- 干式离合器的接合时间约为0.4 s和0.8 s，这不是很短并且驾驶员可以感知到换档。
- 要在低成本微控制器中实施的控制策略的高复杂性。
- 控制算法具有系统参数的高度依赖性。
仍然期望一种控制爪形离合器的改进的方法。
发明内容
根据本公开，提供了一种通过电动马达控制爪形离合器的方法，该电动马达被构造成经由致动器臂来移动爪形离合器，该方法包括：向电动马达供应脉宽调制电压，该脉宽调制电压具有由控制算法提供的占空比，该控制算法包括基于4阶轨迹规划算法生成致动器臂的期望位置的轨迹规划器、以及基于滑模理论的用于跟踪致动器臂的期望位置的运动控制器。
在示例性实施例中，轨迹规划器为运动控制器限定致动器臂的期望位置。
在示例性实施例中，致动器臂的期望位置是基于导出的加加速度曲线（jerkprofile）提出的。
在示例性实施例中，对于爪形离合器的接合过程，致动器臂的期望位置由三个阶段限定：接近、接触和插入。
在示例性实施例中，该三阶段式接合过程是在150 ms或更短时间内实施的。
在示例性实施例中，运动控制器应用限定滑动表面的滑模控制。
在示例性实施例中，滑模控制器包括基于二阶滑模控制器的超扭曲算法。
在示例性实施例中，滑模控制器独立于电动马达的马达电流以避免控制变量上的扭矩波动和颤振。
在示例性实施例中，减小的滑动表面对于滑模控制器被定义为用于致动器臂的位置的单个跟踪误差变量的函数。
在示例性实施例中，减小的滑动表面是基于稳定项以渐近地到达滑动表面并避免高增益控制、以及基于积分项以拒绝未建模的动态并减少稳态误差。
在示例性实施例中，减小的滑动表面独立于系统参数（例如，R、L、kt、ke、J）和齿轮几何形状。
在示例性实施例中，使用超扭曲算法来计算用于估计占空比的控制变量。
根据本公开的方面，提供了一种布置结构，其包括变速箱和齿轮致动器，该变速箱包括多个齿轮、以及被构造成接合这些齿轮中的至少一个的爪形离合器，该齿轮致动器包括电动马达，该电动马达被构造成经由致动器臂来移动爪形离合器并被构造成通过上文所描述的方法来控制爪形离合器。
在示例性实施例中，变速箱是专用混合动力变速器。
本公开涉及一种方法，该方法通过用于DC马达的轨迹规划控制算法来控制爪形离合器以通过齿轮致动器传递力，以便接合和脱离爪形离合器系统。此外，所提出的控制算法可具有以下优势：
- 快速接合过程，例如150 ms或更短时间，
- 快速脱离过程，例如，150 ms或更短时间，
- 跟踪平滑的运动曲线以减小爪形件上的冲击，
- 要在低成本微控制器中实施的鲁棒且简单的控制算法，
- 不依赖于系统参数，
- 在没有同步锥或环的爪形离合器系统中的适用性。
附图说明
本发明将从下文中给出的详细描述和附图变得被更全面地理解，附图仅作为图示给出且因此不限制本发明，并且其中：
图1是带有爪形离合器的变速箱的示意图，
图2是变速箱的示意性透视图，
图3是轨迹规划控制算法、齿轮致动器和爪形离合器的系统架构的示意图，
图4是处于脱离位置中的爪形离合器的示意图，
图5A-C示出了处于不同位置中的爪形离合器的示意图，
图6是图示示例性接合和脱离曲线的示意图，
图7示出了图示基于导出的加加速度生成运动曲线的示意图，以及
图8是带有啮合齿轮的两级齿轮系的示意图，这些啮合齿轮联接到电动马达和旋转载荷。
具体实施方式
首先，呈现对其中实施控制算法的系统的介绍。图1中呈现了变速箱1（特别是专用混合动力变速器（DHT））的示意图。
变速箱1具有连接到燃烧发动机3的第一输入轴2，该燃烧发动机可以是具有成本效益的多点喷射系统。变速箱1的第二输入轴4可连接到第一电动驱动件5，例如，电动牵引驱动件。变速箱1的第三输入轴6可连接到第二电动驱动件7，例如，皮带起动发电机。变速箱1可允许电动驱动件5、7的高速应用。变速箱1可以是所谓的专用混合动力变速器（DHT），其允许简化变速器、齿轮的数量最少并且不需要启动或分离各元件。
变速箱1具有多个爪形离合器8.1、8.2，例如，两个爪形离合器8.1、8.2，以驱动多个档位S1-S4，例如，四个档位S1-S4。可为齿轮致动器提供电动控制单元以便驱动爪形离合器8.1、8.2。可使用下文中所呈现的控制算法来操作电动控制单元。
图2是变速箱1的示意性透视图。
出于简单性，控制算法是针对单个爪形离合器8.1来描述的，虽然控制算法也适用于两个爪形离合器8.1、8.2。图3中呈现了用于齿轮致动器和爪形离合器8.1、8.2的系统架构方案。
在示例性实施例中，系统架构包括主控制单元9，该主控制单元可以是提供换挡信号S的外部单元，诸如：
o 接合齿轮1，
o 接合齿轮2，
o 脱离。
示例性控制算法10包括轨迹规划器11和运动控制器12。轨迹规划器11为运动控制器12生成期望的臂位置。
系统架构的示例性电动拓扑结构13包括电压源14、DC马达15、H桥16和PWM接口17。电压源14向H桥16供应电压，从而为DC马达15供电。H桥16由通过PWM接口17生成的PWM信号控制。由运动控制器12基于滑模理论来计算PWM信号的占空比。
PWM接口17取决于由运动控制器12计算的占空比在H桥16中生成用于电源开关（例如，MOSFET或IGBT）的PWM信号。DC马达15向机械拓扑结构18提供扭矩。
机械拓扑结构18包括齿轮系19、致动器臂20和爪形离合器8.1。
齿轮系19放大来自DC马达15的扭矩并降低速度。致动器臂20将角运动变为线性运动。爪形离合器8.1是通过致动器臂20移动的部件。其功能是机械地接合或脱离变速箱1内部的不同齿轮。
图4是处于脱离位置（例如，致动器臂20的位置为0 mm）中的爪形离合器8.1的示意图，该爪形离合器具有插入距离ID和间隙距离CD。爪形离合器8.1包括：第一齿轮21，其具有一个或多个爪形件21.1；第二齿轮22，其具有一个或多个爪形件22.1；以及滑动套筒23，其布置在第一齿轮21和第二齿轮22之间并具有要接合在第一齿轮21的爪形件21.1之间的一个或多个爪形件23.1以及要接合在第二齿轮22的爪形件22.1之间的一个或多个爪形件23.2，其中，滑动套筒23要么在如图4中所示的空档位置中不接合到第一齿轮21和第二齿轮22中的任一者，要么仅接合到它们中的一者。插入距离ID是爪形件21.1、23.1或者22.1、23.2可以彼此接合的深度。间隙距离CD是当滑动套筒23处于空档位置中时爪形件21.1、23.1和22.1、23.2之间的间距。
第一齿轮21、第二齿轮22和滑动套筒23绕轴布置，其中，滑动套筒23可旋转地联接到所述轴并且第一齿轮21和第二齿轮22可以绕所述轴旋转。
致动器臂20的位置与滑动套筒23的位置相同，并且由致动器臂20将力施加到滑动套筒23。针对第一齿轮21的接合过程与针对第二齿轮22的接合过程相同。
该接合过程在图5A-C中示出并且具有三个阶段：
在图5A中所示的可被称为接近的第一阶段P1中，滑动套筒23沿着轴朝向第一齿轮21的爪形件21.1加速。
在图5B中所示的可被称为接触的第二阶段P2中，滑动套筒23接近所谓的接触点（kiss point），滑动套筒23减速直到它几乎接触第一齿轮21的爪形件21.1。在以低速移动之后，滑动套筒23和第一齿轮21的爪形件21.1之间存在一定的接触，该接触具有小的接触力大小。
在图5C中所示的可被称为插入的第三阶段P3中，滑动套筒23朝向第一齿轮21的施加力和合成速度逐渐增加，以便将第一齿轮21的每个爪形件21.1插入滑动套筒23的爪形件23.1之间的间隙中。最后，第一齿轮21和滑动套筒23以相同速度旋转。
脱离过程D更加简单，滑动套筒23朝向脱离位置加速，并且当滑动套筒23从第一齿轮21的爪形件21.1脱离并接近脱离位置时，它减速直到到达脱离位置且加速度为零。轨迹规划器11基于4阶轨迹规划算法生成致动器臂20的期望位置，其中导出的加加速度曲线被限定并四次求积分以获得运动曲线。
图6是将示例性接合和脱离曲线图示为致动器臂20的位置的期望轨迹的图。图7示出了图示如何基于导出的加加速度来生成运动曲线的示例的图。以这种方式，生成了快速且平滑的加速度曲线以减少冲击力。
为了设计运动控制器12，将DC马达15的离散时间模型呈现为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在这些等式中，状态x是：
θ 转子位置
ω 转子速度
i 电枢电流
τm 机械扭矩
参数是：
R 电枢电阻
L 电枢电感
kt 扭矩常数
ke 反电动势（CEMF）常数
J 马达惯量
TS 采样时间
u 电枢电压
τL被认为是载荷扭矩和未知扰动，且下标k是采样时刻。进一步地，电枢电压等于
Figure 995632DEST_PATH_IMAGE002
，其中VDC是电压源大小。
考虑到齿轮系19和惯性效应，使用当量惯量。假设是带有啮合齿轮G1、G2和G3、G4的两级齿轮系19，这些啮合齿轮联接到DC马达15和旋转载荷24，如图8中所示。
参考图8，N1-N4表示相应齿轮G1、G2、G3、G4的齿数。使用以下等式，有可能估计当量惯量：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中Jxx表示不同部件的转动惯量（kgm2）。N1/N2和N3/N4项是齿轮比的倒数。最后，Jload项将表示致动器臂20的变换后的转动惯量，在这种情况下其等于0，因为在致动器臂模型中已经考虑了致动器臂20的线性惯量。
看向当量惯量，很明显，马达惯量和第一齿轮惯量占主导地位，而其余齿轮的影响因减速而减小。(N1/N2)2和(N3/N4)2项相当小，这进而使乘以它们的惯量的影响最小化。因此，在DC马达15的数学模型中将马达惯量J替换为当量惯量Jeq。
在这种情况下，可使用角位置传感器来估计速度。角位置传感器可位于变速箱1和致动器臂20之间。在这种情况下，对于DC马达15的数学模型，必须考虑变速箱1的减速降低（reduction）。由于由DC马达15施加的功率在变速箱1的输入处和输出处是相同的，因此τ’m和ω’是变速箱1的输出处的扭矩和速度，它可以被写成：
Figure 305915DEST_PATH_IMAGE004
其中ω’=ω/n且τ’m=n τm，其中n作为减速降低（reduction）；致动器臂20处的角位置也被表示为θ’=θ/n。根据用于测量的可用变量、致动器臂20的位置θ’，DC马达15的数学模型被定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
带有减小的滑动表面的滑模控制器
这个所提出的运动控制器的目标是避免系统参数（如R、L、kt、ke、J）的依赖性并且避免使用马达电流变量，以便减轻控制变量中的波动扭矩和颤振。运动控制器的输出变量是PWM接口17的占空比，图3图示了控制方案。为了描述控制综合，将状态变量、测量变量和要被控制的变量分别定义为
Figure 85653DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 480862DEST_PATH_IMAGE008
。
首先，将跟踪误差定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中θ’d,k是由轨迹规划器定义的致动器臂20的角位置的期望值，并且它是带有有界增量的适当有界化的信号。
然后，如下仅作为致动器臂20的位置的跟踪误差的函数来提出减小的滑动表面：
Figure 357551DEST_PATH_IMAGE010
。
添加稳定项c以便渐近地到达滑动表面并避免高增益控制，并且添加积分项cd以便拒绝未建模的动态并减少稳态误差。
然后，利用超扭曲算法（super-twisting algorithm）来计算控制变量u，该超扭曲算法是基于二阶滑模控制器并且被定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中γ作为超扭曲算法的状态，并且
Figure 180014DEST_PATH_IMAGE012
作为正控制增益。然后，闭环系统在有限时间内到达滑动流形s = 0，且因此致动器臂20的位置的跟踪误差趋于零。
图6中呈现了以度数为单位的期望的轨迹曲线，其中目标是使用所提出的滑模控制器在150 ms的时间内接合和脱离。
控制算法的性能是足够的，并且用于接合和脱离过程D的时间低于150 ms。
所提出的控制器（即，带有减小的滑动表面的滑模控制器）实施起来是简单的。此外，该控制器不需要马达电流变量（仅用于该控制器中的保护），并且对参数的了解也是不必要的。
根据本公开的方法（特别是带有减小的滑动表面的滑模控制器）允许快速且平顺地接合和脱离爪形离合器系统，例如具有以下特性：
- 接合过程在150 ms或更短时间内，
- 脱离过程D在150 ms或更短时间内，
- 作为爪形离合器系统的致动器的DC马达15的控制，
- 要在低成本微控制器中实施的鲁棒且简单的控制算法，
- 跟踪平滑的运动曲线以减小爪形件上的冲击，
- 不依赖于系统参数。
爪形离合器系统不需要具有同步锥或环，这使系统简单且小巧，且同时增加了接合的难度。控制算法提供了要在不同的爪形离合器几何形状中实施的灵活性。
可在其中位置将由作为致动器的DC马达15控制以用于跟踪快速且平滑的轨迹曲线的任何系统中应用该控制算法。其他应用可在无级变速器（CVT）中进行。
已在测试台上实施所提出的控制算法。测试台包括以下机械部件：
- 齿轮系19，其用于放大扭矩并降低DC马达15的速度，
- 致动器臂20，其用于将扭矩转换成力以便将力施加到爪形离合器8.1的换档拨叉，
- 爪形离合器8.1，其用于机械地接合或脱离变速箱1内部的不同齿轮。爪形离合器8.1包括两个齿轮21、22、滑动套筒23，该滑动套筒通过施加在换档拨叉上的力在毂上滑动。
此外，测试台包括不同的电气部件：
- DC马达15，其用于向齿轮系19提供扭矩，
- 角度传感器，其用于测量齿轮系19和致动器臂20之间的轴的位置，
- 电源电压14，
- 电动控制单元，其由h桥16、PWM接口17和微控制器集成，在其中实施轨迹规划器11和运动控制器12。
臂致动器的以度数为单位的期望的轨迹曲线在150 ms内应用接合过程的三个所提出的阶段：接近、接触和插入，并且脱离过程D也在150 ms内实施。
尽管存在插入时的扰动、机械公差和齿轮上的齿隙，结果还是呈现了在150 ms的时间内令人满意的接合和脱离。此外，控制算法能够根据插入时齿轮的未知相对位置来调整轨迹曲线，以在齿轮之间以不同的速度接合并以不同的扭矩载荷脱离。
参考列表
1 变速箱
2 第一输入轴
3 燃烧发动机
4 第二输入轴
5 第一电动驱动件
6 第三输入轴
7 第二电动驱动件
8.1、8.2 爪形离合器
9 控制单元
10 控制算法
11 轨迹规划器
12 运动控制器
13 电动拓扑结构
14 电压源
15 DC马达
16 H桥
17 PWM接口
18 机械拓扑结构
19 齿轮系
20 致动器臂
21 第一齿轮
21.1 爪形件
22 第二齿轮
22.1 爪形件
23 滑动套筒
23.1 爪形件
23.2 爪形件
24 旋转载荷
CD 间隙距离
D 脱离过程
G1 - G4 齿轮
ID 插入距离
N1 - N4 齿数
P1 第一阶段
P2 第二阶段
P3 第三阶段
S 换挡信号
S1 - S4 档位

Claims (14)

1.一种通过DC马达（15）控制爪形离合器（8.1、8.2）的方法，所述DC马达被构造成经由致动器臂（20）来移动所述爪形离合器（8.1、8.2），所述方法包括：向所述DC马达（15）供应脉宽调制电压，所述脉宽调制电压具有由控制算法（10）提供的占空比，所述控制算法（10）包括基于4阶轨迹规划算法生成所述致动器臂（20）的期望位置的轨迹规划器（11）、以及基于滑模理论的用于跟踪所述致动器臂（20）的期望位置的运动控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述轨迹规划器（11）限定用于所述运动控制器的所述致动器臂（20）的期望位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述致动器臂（20）的期望位置是基于导出的加加速度曲线提出的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，对于所述爪形离合器（8.1、8.2）的接合过程，所述致动器臂（20）的期望位置由三个阶段限定：接近、接触和插入。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，三阶段式接合过程是在150 ms或更短时间内实施的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述运动控制器应用滑模控制，其中，所述滑模控制限定滑动表面。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述滑模控制器包括基于二阶滑模控制器的超扭曲算法。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述滑模控制器独立于所述DC马达（15）的马达电流以避免控制变量上的扭矩波动和颤振。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，减小的滑动表面对于所述滑模控制器被定义为用于所述致动器臂（20）的位置的单个跟踪误差变量的函数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述减小的滑动表面是基于稳定项以渐近地到达所述滑动表面并避免高增益控制、以及基于积分项以拒绝未建模的动态并减少稳态误差。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述减小的滑动表面独立于系统参数（R、L、kt、ke、J）和齿轮几何形状。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，其中，使用所述超扭曲算法来计算用于估计占空比的控制变量。
13.一种布置结构，其包括变速箱（1）和齿轮致动器，所述变速箱（1）包括多个齿轮（21、22）、以及被构造成接合所述齿轮（21、22）中的至少一个的爪形离合器（8.1、8.2），所述齿轮致动器包括DC马达（15），所述DC马达被构造成经由致动器臂（20）来移动所述爪形离合器（8.1、8.2）并被构造成通过根据权利要求1至12中任一项所述的方法来控制所述爪形离合器（8.1、8.2）。
14.根据权利要求13所述的布置结构，其中，所述变速箱（1）是专用混合动力变速器。
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