基于HIL的AMT離合器啟動控制算法設計

韓祥 劉忠途

摘要：分析電控機械式變速器（AMT）離合器接合過程評價指標，針對評價指標的矛盾性，提出模糊控制的算法，以小型電動汽車AMT為例，利用MATLAB/Simulink與PXI軟硬件系統，開發AMT硬件在環仿真試驗臺，并將設計的模糊控制算法在硬件在環試驗臺上進行測試。結果表明：所設計的控制算法能夠正確反映駕駛員的起步意圖，同時沖擊度、滑磨功在推薦的范圍之內，為后續AMT控制器的開發提供打下基礎。

關鍵詞：AMT;模糊控制;硬件在環

引言

近年來，為了滿足人們對駕駛舒適及安全的需求，電控機械式自動變速器（AMT）得到廣泛的使用。對于AMT，起步接合的控制策略是其中的關鍵技術。起步控制是一個復雜的非線性控制問題，既要求起步平穩，沖擊度小，又要求起步能夠反映駕駛員的意圖，離合器滑磨功小，延長AMT的使用壽命。因此對于離合器啟動控制算法的研究是十分必要的。

本文以用于小型電動汽車的兩檔AMT為例，針對AMT車輛離合器的接合過程，首先通過MATLAB/SIMULINK建模，加入模糊控制算法進行離線仿真，然后搭建將真實AMT置于仿真回路的硬件在環仿真試驗臺，最后通過硬件在環試驗平臺驗證控制算法的有效性，避免直接在車上測試的風險，節約前期功能開發時間。

1.接合過程評價指標

1.1?沖擊度

沖擊度用來衡量車輛起步和換擋時的舒適性，以汽車起步過程中的汽車縱向加速度的變化率來表征[1]。其計算公式如下：

（1-1）

其中為汽車質量，分別為主減速比與變速器傳動比，分別為傳動系效率與車輛旋轉質量換算系數，為離合器工作面數，為摩擦片有效半徑，為摩擦系數，為比例系數。

由式（1-1）可知，沖擊度與車輛自身參數及離合器的接合速度有關，只要合理的控制接合速度便能夠控制車輛的沖擊度。在舒適性行駛情況下，沖擊度的上限值?j為[2]。

1.2?滑磨功

滑磨功是離合器主從動盤摩擦片間滑動摩擦力所做功的大小[1]。滑磨功計算公式如下：

（1-2）

由式（1-2）可知，滑摩功的大小與離合器接合過程所傳遞的摩擦轉矩，接合時間以及主從動盤的轉速差有關。

離合器接合時間越長，滑摩功越大，但是接合過程也越平穩，產生的沖擊度j?就越小;如果降低離合器的接合時間，雖然能夠減小滑摩功，但也會導致沖擊度的增加，這便是離合器兩個性能指標的矛盾所在。

2.算法設計

針對離合器接合過程兩個指標的相互矛盾性，設計模糊控制算法。該控制算法要體現駕駛員的起步意圖，而起步意圖是通過油門踏板的開度及其變化率來體現。另外，由上面分析可知，離合器主從動盤轉速差對滑磨功有較大影響，因此要得出理想的接合速度，還要考慮離合器主從動盤的轉速差。

所設計的模糊控制器分為兩層，第一層模糊控制器通過駕駛員的油門開度及油門開度變化率獲取駕駛員起步意圖;第二層模糊控制器通過由第一層獲得的起步意圖以及主從動盤的轉速差來獲得理想的離合器接合速度。

油門開度?K?的基本論域設為[0，1]，油門開度變化率?EK的基本論域設為[-3，3]，選取油門開度及駕駛員起步意圖I的論域設為{0，1，2，3，4，5，6}，油門開度變化率的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

定義轉速比d為離合器主從動盤轉速差與主動盤的比值。選取轉速比及離合器接合速度?V?的論域均為{0，1，2，3，4，5，6}。隸屬度函數選用高斯型。模糊控制規則如表1，表2所示。

表?1??起步意圖控制規則

起步意圖I

油門開度K

VS

S

M

B

VB

油門開度變化率Ek

NB

VS

VS

VS

VS

VS

NM

VS

VS

VS

S

S

NS

VS

S

S

M

M

O

VS

S

M

B

VB

PS

S

M

B

B

VB

PM

M

B

B

VB

VB

PB

B

B

VB

VB

VB

表?2??離合器接合速度控制規則

離合器接合速度V

起步意圖I

VS

S

M

B

VB

離合器轉速比d

VS

S

M

B

LB

VB

LS

LS

S

M

LB

VB

S

LS

LS

M

B

LB

M

VS

LS

S

M

LB

B

VS

LS

S

M

LB

LB

VS

VS

LS

S

B

VB

VS

VS

LS

LS

S

在主機上利用Simulink建立電動機、離合器以及執行機構模型。進行離線仿真后，加入I/O模塊，將控制算法模型編譯，生成代碼，并下載到PXI中。

3.硬件在環仿真試驗臺

為了驗證模糊控制算法的有效性，搭建AMT硬件在環仿真試驗臺。該仿真試驗臺由小功率電機驅動AMT，AMT的輸出軸連接小功率負載電機。由PXI控制變頻器，進而控制驅動電機與負載電機，通過各種傳感器采集AMT的輸入軸轉速、輸出軸轉速、扭矩等信號，將這些信號由數據采集卡導入軟件模型中進行分析計算。該試驗臺可以模擬AMT起步過程，觀察離合器主從動盤轉速、傳遞扭矩并實時顯示。

在進行硬件在環仿真試驗前，應對離合器執行機構進行測試檢驗[3]，避免出現硬件故障，同時檢測各系統的性能;最后將被控硬件與實時仿真系統PXI連接。

4.試驗結果與分析

對兩檔AMT進行硬件在環試驗，獲得起步性能實時采樣圖。采用不同的起步意圖，對試驗數據進行分析處理，計算每次起步時的沖擊度與滑磨功，獲得每次起步離合器主從動盤轉速達到一致時的時間，得出平均接合速度值，如表3所示。

表?3??不同起步意圖下的測試數據

起步意圖

接合時間（s）

接合速度平均值（mm/s）

沖擊度均方根值（）

滑磨功（KJ）

慢

1.704

9.268

5.143

5.021

中

1.442

10.952

7.830

4.697

快

1.218

12.967

9.275

4.068

由上表可知，駕駛員起步意圖越強烈，該模糊控制器控制下的離合器接合速度平均值越大，接合時間越短，充分體現了駕駛員的起步意圖。同時，接合速度越大，沖擊度也越大，相應的滑磨功越小，沖擊度的最大值小于推薦的最大值10，滿足舒適性的要求。該算法對各種起步意圖均有較強的自適應性。

5.結論

（1）分析了離合器接合過程中的評價指標，得出評價指標的矛盾性，

（2）針對評價指標的矛盾性，提出模糊控制的控制算法

（3）建立了AMT硬件在環仿真試驗臺，在試驗臺上運行模糊控制算法，對不同起步意圖下的試驗結果進行了對比分析，驗證AMT離合器模糊控制算法的有效性，為后續進行TCU開發奠定基礎。

參考文獻：

[1]徐石安，江發潮.汽車離合器[M].北京：清華大學出版社，2005：200-204

[2]李勇，常思勤，魏英俊.基于轉速/轉矩控制的?AMT?換擋策略[J].中國機械工程，?2011，22（15）：1880-1885

[3]范光強.金屬帶式無級變速器電控單元硬件在環仿真研究[D].鎮江：?江蘇大學，?2009.