AMT換擋電機精確跟蹤控制

申業 吳光強，2 羅先銀

（1.同濟大學；2.東京大學生產技術研究所）

AMT換擋電機精確跟蹤控制

申業1吳光強1，2羅先銀1

（1.同濟大學；2.東京大學生產技術研究所）

介紹了AMT換擋執行系統的結構和原理，并對AMT換擋機構與電機進行分析與建模；基于變結構滑模控制原理，構造了換擋機構電機的非線性系統滑模控制器，使被控電機具有高精度的跟蹤品質和較強的抗干擾能力。通過對2擋升3擋理想運動曲線跟蹤控制仿真表明，滑模控制比傳統PID控制跟蹤精度高、響應速度快、抗干擾能力強，其不僅提高了掛擋過程換擋品質，而且又能保證同步器壽命。

1 前言

當前市場上常見的自動變速器主要有3種：AT、CVT和AMT[1]。AMT是在原有機械式變速器和干式離合器的基礎上加裝微機控制的自動操縱機構。由于原有的機械傳動結構基本不變，因此AMT具有傳統手動變速器傳動效率高、成本低、易于制造等優點，同時也具有操縱方便的自動變速功能，且經濟、方便、安全、舒適[2]。

掛擋過程作為AMT換擋過程中一個重要環節，其控制策略對同步器的使用壽命和換擋時間有較大影響，同時也影響AMT換擋舒適性。因此，AMT掛擋過程的精確控制對提高AMT系統可靠性起著重要作用。Walker[3]對同步器與換擋執行機構進行了建模，但是沒有考慮對執行機構推動撥叉的行程進行精確控制；王洪亮[4]提出了換擋過程的控制策略，然而對于同步器結合的不同階段，沒有給出具體的控制方法；任玉平[5]采用模糊控制的方法，建立模糊控制規則，但對換擋電機沒有確定精確跟蹤控制目標的方案。

2 換擋執行系統的結構及其數學模型

2.1 換擋執行系統的結構與原理

換擋執行系統是換擋控制系統（圖1）的一部分，其采用機電一體化驅動控制機構，主要集成有角位移傳感器的換擋電機、換擋減速機構等。換擋電機采用額定電壓12 V的永磁直流有刷電機，并通過自動變速器控制器（TCU）的電機脈寬調制轉速控制。角位移信號由裝載到電機輸出軸的角位移傳感器采集并送到TCU形成閉環系統。蝸輪蝸桿和齒輪2級減速機構可以將電機的旋轉運動轉換成換擋過程所需的運動，同時實現較大減速比，以獲得適當的速度和足夠的換擋力，帶動換擋撥叉。

2.2 換擋過程分析

換擋過程第1階段如圖2a所示，撥叉向左推動結合套，結合套通過止動銷帶動同步環往左移動，消除滑塊、結合套、同步環及齒圈之間的間隙，使同步環與齒圈緊密接觸。

換擋過程第2階段如圖2b所示，撥叉繼續向左推結合套，壓緊同步環與齒圈，通過同步環與齒圈之間的摩擦力矩來減少兩者之間的轉速差，直至兩者轉速相同為止。

換擋過程第3階段如圖2c、圖2d所示，同步環與齒圈已經同步，同步環的鎖止作用消失，只需將結合套繼續左移，實現與齒圈的接合[6]。

實際換擋時在同步環與結合齒圈之間會產生摩擦力矩，使同步環轉一個角度并與花鍵轂底槽接觸，此過程中如果換擋動作速度過快，會出現結合套的輪齒直接與同步環輪齒嚙合的現象而造成打齒。假設換擋執行機構的運動速度有一個最大上限值，在達到該最大速度值之前，為了得到最短的換擋時間，換擋執行機構首先加速運動，再減速緩沖，從而實現在最短的換擋時間內完成換擋動作且不會產生同步沖擊，由此得到理想角位移曲線（圖3）。

2.3 換擋執行器建模

換擋執行機構采用永磁直流有刷電機，其基本原理如圖4所示。

根據基爾霍夫定律與牛頓第二定律，建立換擋執行器電機的電壓平衡方程和運動基本方程：

式中，Jm為折算到電動機軸上總的轉動慣量，kg·m2；Dm為電機阻尼，N·s/rad；Tl為折算到電動機轉軸上的負載轉矩；Uma為電動機電樞電壓；Tma為電機輸出力矩；θ為電動機角位移；Ima為電樞電流；Rma為電樞回路總電阻；Lma為電樞回路總電感；kme為反電動勢系數，V·s/rad；kmt為轉矩常數，N·m/A。

對于換擋執行器有:

式中，Fl為換擋阻力；r為齒輪齒條中齒輪半徑；ig為換擋執行機構蝸輪蝸桿傳動比；iw為換擋執行機構齒輪傳動比；ηg為換擋執行機構蝸輪蝸桿效率；ηw為換擋執行機構齒輪效率。

公式（1）和公式（2）聯立可得：

化簡后可得：

其中：

由式（4）可以得出該系統具有非線性，記：

其中，v=DUma為輸入量，o（θ¨）替代式（4）等號右邊除第1項以外的其他項，包含不確定換擋阻力Fl。該阻力主要為換擋開始時解除定位銷（圖5）的阻力Fpin、同步器作用力Fsyn和其他系統阻力。

Fpin的大小是由定位銷彈簧剛度和與其對應的定位坑的尺寸決定的。

其中，

最終可得：

式中，x為結合套軸向行程；x0為結合套起始位置；x1為結合套脫開定位銷的位置；x2為換擋完成位置；Fspr為彈簧力；Ff為初始階段摩擦力；f為摩擦系數；Ff0為其他摩擦力；xspr為彈簧壓縮行程；kspr為彈簧剛度；Rpin為定位銷淺坑的半徑；rpin為定位銷頭部的半徑。

由于該過程歷時很短，假設結合套勻速運動，那么結合套受到的阻力Fpin與時間的關系如圖6所示。

Fsyn是換擋執行機構作用在同步器摩擦錐面上軸向力的反作用力，可通過同步器參數以及同步時間計算得到[7]：

式中，rsyn為同步器摩擦錐面平均半徑；fsyn為同步器工作錐面間的摩擦系數；αsyn為同步器摩擦錐面半錐角；ωe為發動機角速度；tsyn為同步時間；ig（n）、ig（n+1）為n和n+1擋傳動比；Jsyn-in為離合器從動盤、第1軸與第2軸常嚙合齒輪連接在一起轉動的轉動慣量。

因為車輛工況變化多樣，解除定位銷的阻力Fpin作用時間相對較短，大小較Fsyn要小，所以定義的估計為：

3 滑模控制器設計

對于選換擋機構，不同車速和不同擋位所需的換擋力不同，因此造成建模的不精確性，這對非線性控制系統有很大的不利作用。滑模控制是根據系統狀態偏離滑模面的程度來變更控制器結構，使系統按照滑模面規定的規律來運行的一種控制方法。這種控制方法具有較高的魯棒性和較強的抗干擾能力。對于換擋執行機構電機：

滑動條件：

即轉化跟蹤θ≡θd的問題為系統軌線必須停留在曲面S（t）上[8]。

為了滿足滑動條件，需加上一個不連續項，即：

這種方法得到的跟蹤控制規律在通過曲面時是不連續的，在實際控制中會得到控制抖振。為了消除該抖振，需要把控制輸入修正到連續化的邊界層中[8]，即：

其中，

由此可得滑模控制規律：

4 仿真結果分析

在換擋過程中，從2擋升到3擋作用時間較其他情況時間長、工況不確定。因此，對換擋執行機構在不同工況下對圖3中的理想運動曲線進行跟蹤，并與單閉環PID控制器進行比較，觀察控制器仿真特性，仿真結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在阻力比較小的情況下，應用PID控制器與應用滑模控制器的電機跟蹤誤差不是很大，但在0.3 s時PID出現超調現象，這在換擋執行機構中是應該避免的。為了模擬真實情況，把2擋升3擋時同步器的阻力變為原來的2倍，得到結果如圖8所示。

在換擋機構所受到的阻力變為原來2倍的情況下，滑模控制的系統跟蹤誤差變化不大，精度仍能保證。但是PID控制下的系統跟蹤最大誤差增大了80%，是總行程的7.2%，同時超調現象繼續變大。與真實情況相比，圖7和圖8都沒有考慮撥叉換擋開始時、退出自鎖機構時機構中的定位銷與定位銷淺坑形成的阻力Fpin。考慮該阻力后，仿真結果如圖9所示。

由圖9可知，在較大擾動的情況下，滑模控制下的電機跟蹤誤差變化不大，仍能保持很好的跟蹤特性。

從圖7～圖9中可以明顯看出，在3種工況下，滑模控制比PID控制響應更快速，跟蹤性能更好。PID控制中為了達到快速響應，出現了超調現象，這在換擋控制中是應該避免的。然而，在應用了滑模控制器之后基本沒有出現超調現象。當負載增大的情況下，PID控制響應變慢，響應時間變長，跟蹤誤差變大了80%；而滑模控制下系統仍然能保持很好的跟蹤特性，跟蹤誤差變化不大。圖8在負載模擬中考慮了撥叉帶動結合套開始運動，退出定位銷機構時，機構中的鎖止鋼球與定位銷淺坑形成的阻力。在該擾動情況下，可以看出滑模控制的跟蹤誤差明顯比PID控制下的誤差要小，具有很強的魯棒性。

總體比較，滑模控制比PID控制的跟蹤精度高、響應速度快、抗干擾能力強，適用于AMT難以測量換擋阻力且對精度要求很高的換擋執行器中。

5 結束語

分析了AMT換擋機構的結構，建立AMT換擋執行器的電機模型和動力學模型。根據滑模控制方法論，設計了滑模控制器。仿真結果表明，該方法比傳統PID控制具有更高的跟蹤精度、更快的響應速度、更好的魯棒性。

1LiaoChenglin，Zhang Junzhi，Lu Qingchun.Coordinated powertraincontrolmethodforshiftingprocessofautomated mechanical transmission in the hybrid electric vehicle. JixieGongchengXuebao，ChineseJournalofMechanical Engineering，2005（12）：37～41.

2孔慧芳.電控機械式自動變速器中傳動與控制的關鍵技術研究：[學位論文].安徽：合肥工業大學，2007.

3Walker，Nong Zhang.Engagement and control of synchroniser mechanismsindualclutchtransmissions.Mechanical Systems and Signal Processing，2012（1）:320～332.

4王洪亮，劉海鷗，關超華，等.重型車輛AMT換擋過程控制方法研究.汽車工程，2009，31（6）:540～544.

5任玉平，葛安林.全電式AMT選換擋系統模糊控制方法.汽車技術，2004，（8）:11～14.

6何忠波，梁憲福，韓正軍，等.AMT換擋過程動力學建模及換擋品質影響因素分析.軍械工程學院學報，2004，16（6）:45～49.

7關文迭.汽車構造.北京：清華大學出版社，2004，238～240.

8Jean-JeacquesE.Soltine，Applied nonlinedcontrol.Massachusetts，Prentice Hall，1991.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年6月20日。

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《汽車技術》雜志編輯部

Precise Tracking Control of AMT Electric Shift Actuator

Shen Ye1，Wu Guangqiang1，2，Luo Xianyin1
（1.Tongji University;2.Institute of Industrial Science，the University of Tokyo）

Structure and operating principle of AMT shifting actuator are described in the paper.After analysis and modeling of the shifting actuator in the AMT，a non-linear system sliding mode controller of the gearshift motor is constructed based on the control principle of variable structure sliding mode，which enables the controlled motor to have high precision tracking quality and strong anti-jamming capability.The stimulation of the ideal motion curve tracking control of upshifting from gear 2 to gear 3 shows that the sliding mode control has higher precision，faster response speed and better anti-jamming capability compared with PID control tracking，it not only improves the shifting quality，but also prolongs the service life of the synchronizers.

AMT,Shifting actuator,Motor,Sliding mode control

AMT換擋執行機構電機滑模控制

U463.212

：A

：1000-3703(2014)01-0024-05