KR102503258B1

KR102503258B1 - 동기화 및 기어시프트를 제어하는 방법

Info

Publication number: KR102503258B1
Application number: KR1020177030495A
Authority: KR
Inventors: 아브델말레크 멜루움
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2023-02-23
Also published as: JP2018513323A; JP6887386B2; FR3034834B1; FR3034834A1; WO2016162615A1; CN107532708A; KR20170135870A; CN107532708B; EP3280932B1; EP3280932A1

Abstract

차량의 구동 기계에 의해 구동되는 주 샤프트 상에서 회전하는 피니언(pinion)(6)의 동기화를 제어하는 방법으로서,
상기 주 샤프트는 동기화 메커니즘이 없는 평행 샤프트 기어박스의 보조 샤프트에 회전 가능하게 연결되며,
상기 피니언이 주 샤프트에 결합되기 전에, 상기 구동 기계에게, 상기 주 샤프트 및 상기 보조 샤프트 간의 감속 비율 K가 곱해진 보조 속도(w₂)와 주 속도(w₁) 간의 차이(σ)를 최소화하도록 계산된 토크 신호(

)에 의존하는 토크 명령(

)을 발송함으로써, 회전 피니언(6)의 동기화를 제어하며,
속도 차이(σ)를 최소화하기 위해 상기 구동 기계에 의해 공급된 에너지를 고려하는 중간 신호(T* ₁ )를 구성하기 위해, 계산된 토크

는 보조 샤프트의 가속도(

)에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 방법.

Description

동기화 및 기어시프트를 제어하는 방법

본 발명은 열적 구동 엔진 및/또는 전기 구동 기계와 같은 적어도 하나의 에너지원을 구비한 차량의 기어박스에서의 기어시프트의 제어에 관한 것이다.

본 발명은 차량의 구동 기계에 의해 구동되는 주 샤프트 상의 회전 피니언(pinion)의 동기화를 제어하는 방법으로서, 상기 주 샤프트는 동기화 메커니즘이 없고 평행 샤프트들을 갖는 기어박스의 보조 샤프트에 회전 가능하게 연결되며, 상기 피니언이 상기 주 샤프트에 결합되기 전에, 상기 구동 기계에게, 상기 주 샤프트 및 상기 보조 샤프트 간의 감속 비율이 곱해진 보조 속도 및 주 속도 간의 차이를 최소화하도록 계산된 토크 신호에 의존하는 토크 명령을 발송함으로써, 회전 피니언의 동기화를 제어하는 방법을 제안한다.

또한, 본 발명은 상기 샤프트 및 상기 피니언의 속도를 동기화하는 제1 단계 및 결합하는 제2 단계를 포함하는 기어 시프트 방법을 제안한다.

본 발명은 특히 전기 및 하이브리드 동력 장치에서, 동기화 링 없이 결합 수단을 이동시킴으로써 비율의 변화가 이루어지는 임의의 평행 샤프트 변속기에 적용 가능하다.

슬라이딩 기어를 피니언들에 고정시킴으로써 결합하는 시스템이 기계적 동기화 수단을 갖지 않는다면, 기어박스의 주 속도를 제어함으로써 회전 요소들이 동기화될 수 있다. 이러한 제어 형태는 토크 요동(torque jolt)을 피하기 위해 구동 기계에 의한 주 속도의 정확한 제어를 필요로 한다.

독일 공개공보 DE 10 2006 019 239는 피니언과 그것의 샤프트의 동기화를 제어하는 방법을 개시한다. 매끄러운 결합을 제공하기 위해, 전기 구동 기계의 토크는 속도 차이가 특정 임계값 이하로 감소될 때까지 일정한 높은 값으로 유지되며, 그 후에는, 샤프트와 피니언 간의 속도 차이에 비례한다.

그러나, 이 방법의 정확도는, 특히 이 구동 기계가 열기관일 때, 구동 기계의 관성과 토크 제어 세트포인트에 대한 응답 시간에 의해 영향을 받는다. 결과적으로, 운전자는 결합을 완전히 파악할 수 없다. 실제로, 바퀴에서 운전자의 토크 요구를 계속해서 충족시키기 위해서, 속도 차이는 분당 30 회전의 범위에 매우 빨리 도달해야할 것이다. 주된 어려움은 가파른 경사면에 브레이크가 적용될 때 발생하는데, 이 방법은 결합 동안의 토크 요동(torque jolt)을 피할 수 없으므로, 다른 문제들 중에서도, 관여된 기계 부품들에 바람직하지 않은 마모를 유발한다.

본 발명은 결합 단계 동안 발생할 수 있는 토크 충격의 주원인을 제거하면서, 최단 시간에 2 개의 기어박스 샤프트들의 동기화를 제공하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 속도 차이를 최소화하기 위해 구동 기계에 의해 공급되는 에너지를 고려하는 중간 토크 신호를 구성하기 위해, 계산된 토크가 보조 샤프트의 가속도에 의해 보정될 것을 제안한다.

이러한 배치는 변속기에 도입된 에너지를 제어하여, 그것이 동기화에 필요한 에너지에 비해 과도하지 않게 할 수 있다.

제안된 방법은 모든 상황에서, 특히 브레이크가 가파른 내리막 경사면에 적용될 때, 비율을 완만하게 변경할 수 있다. 이는 결합 단계 동안 발생할 수 있는 토크 요동의 주요 원인을 제거한다. 이러한 방식으로, 결합 시스템의 기계 부품들의 과도한 마모가 방지된다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 비-제한적인 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 결합의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 방법의 논리적 개요이다.

도 1a 내지 도 1c는 기어 시프트 슬라이딩 기어(2) 및 그것의 슬리브(3), 작동 포크(operating fork)(4) 및 기어 피니언(6)을 개략적으로 도시한다. 또한 다이어그램들의 아래 부분들은 슬라이딩 기어 및 피니언의 톱니(2a, 6a)를 도시한다. 슬라이딩 기어(2) 및 피니언(6)은 차량의 에너지원(구동 기계)에 연결된 주 기어박스 샤프트(미도시) 상에서 동축을 갖는다. 피니언(6)은 차량의 휠들에 연결된 보조 기어박스 샤프트에 회전 가능하게 연결된다.

도 1a는 데드 센터에서 시스템의 초기 상태를 도시한다. 슬라이딩 기어(2)는 주 샤프트의 속도인 w₁로 회전한다. 피니언(6)은 w₁와 상이한 속도 w₂로 회전하며, 속도 w₂는 기어박스의 보조 샤프트에 의해 결정된다. 도 1b에서, 슬라이딩 기어(2)는 자신의 톱니들(2a)이 피니언(6)의 톱니들과 만날 때까지 이동한다. 회전 속도가 동일해지면, 즉 동기화 단계가 끝날 때, 슬라이딩 기어의 톱니들이 피니언의 톱니와 톱니 사이를 관통하여 기어와 결합(engaging)한다 : 이것은 피니언과 슬라이딩 기어의 결합 단계이다.

도 2에 도시된 방법에 대한 다음 설명에서, 다음 표기가 사용된다 :

w₁: 에너지원에 연결된 슬라이딩 기어(2) 및 주 샤프트의 속도;

T₁: 에너지원의 토크;

T _d1 : 에너지원의 저항 토크(알려지지 않은 외부 입력);

J ₁ : 슬라이딩 기어(2)의 샤프트와 관련된 관성;

w₂: 도달될 목표 역할을 하는 피니언(6)의 속도;

T _d2 : 피니언(6)의 저항 토크(알려지지 않은 외부 입력);

J ₂ : 피니언(6)과 관련된 관성;

K : 보조 샤프트 및 주 샤프트 간의 감속비

기어박스의 두 샤프트들이 초기 상태에서 완전히 분리되어 있다고 가정하고 기계학의 기본 원리를 적용하면, 다음과 같은 동적 모델이 획득된다 :

- 보조 샤프트에 대해 (피니언 6) :

, 보조 샤프트의 저항 토크

- 주 샤프트에 대해 (슬라이딩 기어(2)) :

, 엔진 토크 및 주 샤프트의 저항 토크의 합.

도 2에 따르면, 차량의 구동 기계에 의해 구동되는 주 샤프트 상에서 회전하는 피니언(6)을 동기화하기 위한 참조 명령 신호(reference command signal)

를 생성함으로써, 주 샤프트 및 보조 샤프트의 동기화(기어 감속비 K가 고려됨)가 제어된다. 이 주 샤프트는 동기화 메커니즘이 없는 평행 샤프트 기어박스의 보조 샤프트에 회전 가능하게 연결된다. 참조 토크

는 이러한 두 개의 샤프트들 간의 감속 비율 K가 곱해진 보조 속도 w₂및 주 속도 w₁간의 차이(σ)를 최소화하도록 계산된 토크 신호

에 의존한다. 따라서, 피니언이 주 샤프트에 연결되기 전에 다음과 같이 구성된 토크 명령

이 구동 기계에 보내진다. 측정된 참조 신호

(보조 속도)가 감속비 K에 곱해져서, 상기 곱 K·

을 참조 신호

(주 속도)와 비교한다. 상기 차이 σ = K·

-

의 부호와 진폭은 열 또는 전기 구동 기계와 같은 에너지원의 입력에 적용할 수 있는 산출된 토크값

을 계산하는 것을 가능하게 한다. 토크

는 이러한 두 개의 샤프트들 간의 감속비 K가 곱해진 보조 속도 w₂와 주 속도 w₁ 간의 차이 σ를 최소화하도록 계산된다.

속도차 σ는 주 속도 목표에서 달성하고자하는 정확도를 나타내는 보정된 매개변수 ε와 비교된다. 정확도 ε는 목표와 동기화 단계가 끝날 때 획득된 주 속도 값 간의 허용된 속도 차이이다. σ > ε 또는 σ < -ε라면(동기화 단계가 끝날 때 목표로 하는 주 속도 w₁에서, 원하는 정확도 ε보다 절대값이 큰 차이 σ), 산출된 토크

는, 1 이상의 보정된 계수 α에 의해, 구동 기계의 최대 토크

및 최소 토크

와 제한된 보정 계수 α>1의 비율과 동일한 값들로 진폭이 제한된다. 값

/α 또는 값

/α 은 동기화를 위해 사용될 수 있는 구동 토크를 결정한다. 반대로, 차이 σ가 정확도 ε보다 절대값이 작은 경우, 유리하게는, 산출된 토크

는 다음 유형의 공식을 적용하여 매끄러워진다 :

.

이 단계 후에, 산출된 토크

는 (측정된 속도 w₂의 미분값인) 보조 샤프트의 가속도

에 의해 보정되며, 이로써, 속도 차이 σ를 최소화하기 위해 구동 기계에 의해 공급된 에너지를 고려한 중간 토크 신호 T* ₁ 를 구성할 수 있다.

도 2에 표시된 바와 같이, 가속도

는 속도 Kw₂의 측정치와 적분 모델 Kw_m의 측정치 간의 차이 e = Kw₂ - Kw_m에 기초하여 계산된다. 이 계산을 위해, 교정 가능한 이득 L _p 에 의해 가중된 속도 차이 e, 상기 차이 e의 적분에 제2 교정 가능한 이득 L _i 이 곱해진 값이 함께 더해진다.

가속도

가 주어지면, 필요하다면 계산된 토크 목표

를 조절하기 위해, 속도 차이 σ의 절대값은

와 보정될 파라미터 ε_t의 곱의 절대값과 비교될 수 있다. 따라서, 속도 차이 σ와, 보정된 파라미터 ε_t와 가속도

의 곱을 비교함으로써, 그리고 곱

x ε_t의 절대값이 속도 차이 σ의 절대값 보다 크다면, 가속도

에 의해 계산된 토크 신호

를 조정함으로써, 계산된 값

에서 중간 신호 T ₁ *로 이동한다. 이 조정은 시스템에 기여하는 에너지가 세트포인트에 도달하도록 한다 :

라면,

, 그렇지 않다면,

(이 때, 0 ≤β≤ 1).

본 발명의 다른 양태에 따르면, 속도 차이의 절대값이 원하는 정확도의 절대값 ε보다 작다면, 보정된 이득 K _i 이 곱해진 속도 차이 σ를 적분하기 위한 작업이 활성화된다. 이득 K _i 은 0이 아닌 값 K _i _# 을 갖는다. 반대로, K _i 는 0이고, 적분된 보정항 역시 0이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중간 토크 신호 T ₁ *는 이 적분 항에 의해 보정되어, 인가된 토크 신호 T _1appli 를 제공한다.

그 다음, 최종 “리미터(limiter)”에서 인가된 토크 T _1appli 를 구동 기계의 최대 토크 T _lmax 및 최소 토크 T _lmin 의 값들 사이로 제한함으로써, 구동 기계에 대한 토크 명령 신호 T _lref 가 획득된다. 이러한 제한은, 필요하다면 적분항에 의한 중간 신호 T _i _* 의 보정 후에, 인가된 토크에 대해 수행된다. 이에 따라, 인가된 토크 T _1appli 가 구동 기계의 최소 토크

및 최대 토크

사이에 놓여있는지를 판단하기 위해 인가된 토크 T _1appli 가 모니터링된다. 그렇지 않은 경우, 이러한 값들 중 하나에 포화된다.

이 계산에 기초하여, 제안된 제어 방법은 2 개의 주요 단계 A 및 B, 그리고 다양한 단계들로 분류될 수 있다.

제1 단계(A)는 기어 감속비를 고려하면서, 샤프트(피니온)의 속도 w₁를 샤프트(피니온)의 속도 w₂와 동기화하여, 참조 신호

를 생성하는 것으로 구성된다. 이 참조 신호를 생성하는데 필요한 다양한 단계들은 다음과 같다 :

a) 도 2의 블록 A에서, 측정된 기준 신호

(샤프트(피니온)(2)의 속도)에 감속비 K를 곱함으로써, 산출된 토크 신호

를 구성하는 단계로서, 이로써, K x

는 참조 속도

(샤프트(피니온)(1)의 속도)와 비교될 수 있는, 구성하는 단계; 상기 에러 s = Kw₂ - w₁ 의 부호와 진폭에 따라, 에너지원(예를 들어, 전기 기계)의 입력에 인가할 토크값을 계산하는 단계;

b) 블록 B에서 가속 신호

를 구성하는 단계; 이 측정의 강점은 견고함에 있다. 왜냐하면, 신호의 미분은 그것의 다이나믹 레인지에 대한 지식 없이, 그리고 측정 노이즈를 보상하는 필터를 이용하여 생성되기 때문이다;

c) 블록 C에서, 시스템이 속도 차이 σ를 감소시키는데 필요한 에너지를 갖는지 여부를 결정함으로써, 중간 토크 신호

를 구성하는 단계 : 이 경우, 초과 에너지를 방지하기 위해 에너지가 감소된다(또는 취소된다);

d) 속도 에러가 -ε와 ε 사이에 놓인다면, 블록 D로부터 생성된 중간 토크 신호

에 적분항을 추가함으로써, 인가된 토크 신호

를 생성하는 단계;

e) 인가된 토크 신호

가 값

및 값

사이에 놓여있는지 여부를 검사하기 위해, 인가된 토크 신호

를 모니터링하는 단계; 이 경우가 아니라면, 신호

는 포화되고, 동시에, 모터 단자들(motor terminals)에 인가될 참조 신호

를 생성하기 위해 적분기가 차단된다.

회전 요소가 동기화될 때, 제안된 기어 시프트 방법의 제2 단계(또는 결합 단계)가 수행될 수 있으며, 이 단계에서, 슬라이딩 기어는 “열린” 위치에서 “닫힌” 위치로 이동된다.

결론적으로, 본 발명은 속도 차이를 매우 빠르게 감소시켜서 분당 약 30 회전의 값에 도달하게 한다. 상기 방법은 토크 조정에도 불구하고 2 개의 샤프트들의 결합의 다음 단계가 사용자에게 만족스럽도록 한다(즉 결합은 최소의 토크 요동(torque jolting)을 갖는다). 특히, 상기 언급된 제동의 바람직하지 않은 경우에 대응하는 것과 같은 램프-형(ramp-type) 궤적을 모니터링할 수 있다. 마지막으로, 목표 속도로의 수렴은 (예를 들어, 액추에이터 및/또는 구동 기계의 관성 및 응답 시간, 또는 임의의 지연과 같은) 시스템의 고유 파라미터들에 의존하지 않으므로, 이 방법을 견고하게 한다. 본 방법은, 에너지원이 전기 기계인지 또는 열 엔진인지 여부, 감속 모드에서 작동하는지 여부, 그리고 바퀴에 토크를 전달하는지 여부와 관계없이, 동기화에 사용되는 모든 유형의 에너지원에 유효하다.

Claims

차량의 구동 기계에 의해 구동되는 주 샤프트 상의 회전 피니언(pinion)(6)의 동기화를 제어하는 방법으로서,
상기 주 샤프트는 동기화 메커니즘이 없고 평행 샤프트들을 갖는 기어박스의 보조 샤프트에 회전 가능하게 연결되며,
상기 피니언이 주 샤프트에 결합되기 전에, 상기 구동 기계에게, 상기 주 샤프트 및 상기 보조 샤프트 간의 감속 비율 K가 곱해진 보조 속도(w₂)와 주 속도(w₁) 간의 차이(σ)를 최소화하도록 계산된 토크 신호(
)에 의존하는 토크 명령(
)을 발송함으로써, 회전 피니언(pinion)(6)의 동기화를 제어하며,
속도 차이(σ)를 최소화하기 위해 상기 구동 기계에 의해 공급된 에너지를 고려하는 중간 신호(T*₁ )를 구성하기 위해, 계산된 토크
는 보조 샤프트의 가속도(
)에 의해 보정되고,
속도 차이(σ)는 가속도(
)와 보정된 파라미터(ε_t)의 곱과 비교되며,
상기 곱(
xε_t)의 절대값이 속도 차이(σ)의 절대값 보다 크다면, 산출된 토크 신호(
)가 조정되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가속도
는 속도(Kw₂)의 측정치와 적분 모델(Kw_m)의 측정치 간의 차이(e = Kw₂ - Kw_m)에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
동기화 단계가 끝날 때 목표로 하는 주 속도(w₁)에서 원하는 정확도(ε)의 절대값 보다 상기 차이(σ)의 절대값이 크다면, 산출된 토크 신호(
)의 크기는 구동 기계의 최대 토크(
) 및 최소 토크(
)와 제한된 보정 계수(α)의 비율과 동일한 값들로 제한되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
동기화 단계가 끝날 때 목표로 하는 주 속도(w₁)에서 원하는 정확도(ε)의 절대값 보다 상기 차이(σ)의 절대값이 작다면, 산출된 토크(
)는 평탄해지는(smoothing) 것을 특징으로 하는 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
속도 차이(σ)의 절대값이 원하는 정확도(ε)의 절대값보다 작다면, 구동 기계에 의해 인가된 토크(T_1appli )의 값은 0이 아닌 보정된 이득(K_i )과 상기 차이(σ)를 적분하여 중간 토크(T*₁ )를 보정함으로써 설정되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 구동 기계의 토크 명령(T_1ref )은 상기 인가된 토크 신호(T_1appli )를 상기 구동 기계의 최대 토크(T_lmax ) 및 최소 토크(T_lmin ) 사이로 제한함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2의 기어 시프트 방법으로서,
상기 기어 시프트 방법은, 상기 피니언을 샤프트에 결합하는 제2 단계 이전에, 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 제1 동기화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 시프트 방법.