電控機械式自動變速器時序重疊換擋系統設計與研究

周英超 常思勤 李 波

1.南京理工大學機械工程學院，南京，210094 2.山東理工大學交通與車輛工程學院，淄博，255049

0 引言

機械式自動變速器（automated mechanical transmission，AMT）在傳統定軸式機械變速器的基礎上增加了電控的自動離合器和自動換擋裝置，具有傳動效率高、繼承性好以及成本低等優點，是自動變速技術研究的熱點之一，被廣泛應用于各種緊湊型、運動型以及中型/重型車輛。與其他類型的自動變速器相比，現有AMT存在換擋過程動力中斷時間過長的問題，這嚴重影響了車輛的動力性和換擋品質［1］。

為了解決AMT換擋過程中動力中斷的問題，國內外研究人員提出了各種新型AMT結構［2］。KUROIWA等［3］開發了一種轉矩輔助型AMT結構，在換擋過程中，通過輔助離合器的接合而接通輔助的動力傳遞路線，將發動機的動力傳遞至車輪，從而彌補換擋過程中的動力中斷。NGO等［4］提出了一種在發動機與變速器輸出軸之間加裝基于慣性飛輪的行星齒輪動力分流機構。BARASZU等［5］設計了一種并聯混合動力傳動方案，在傳統AMT傳動系統的基礎上增加了一條由電機傳遞至半軸的動力傳遞路線。董悅航［6］提出了一種用于混合動力客車的電動變速驅動單元，驅動電機通過行星齒輪機構與變速器輸出軸耦合，從而在換擋過程中直接將電機驅動轉矩傳遞到車輪，實現動力不中斷換擋。然而，這些新型AMT都是通過添加輔助的動力傳遞路線來補償換擋過程的動力缺失，其結構和控制系統往往比較復雜，實際應用仍有諸多困難。

與上述文獻在換擋過程中對AMT進行動力補償的思路不同，本文采用加快換擋速度的方式來改善AMT動力中斷時間過長的問題，提出了一種利用電磁直線執行器直驅撥叉的時序重疊換擋系統，該方案旨在通過AMT無選擋過程的擋位切換以及摘擋與進擋過程的時序重疊控制，實現縮短AMT動力中斷時間的目的。

1 AMT動力中斷問題

隨著行駛環境的不斷變化，為了使發動機在理想的工況下工作，AMT需要頻繁地換擋以滿足車輛動力性和經濟性的需求。

如圖1所示，AMT的整個換擋過程主要分為如下三個部分［1］：首先，離合器分離，從發動機傳遞來的動力中斷；然后，擋位切換，摘除先前擋位，掛入目標擋位；最后，離合器再次接合，從發動機傳遞來的動力恢復。

圖1 AMT換擋過程中變速器傳遞扭矩變化Fig.1 The torque variation of gearshift process in AMT

在換擋過程中，離合器的分離中斷了發動機與車輪之間的動力傳遞，變速器傳遞的轉矩減小，并因受到行駛阻力而出現負轉矩，導致車輛在換擋期間前進加速度缺失，車輛動力性降低。在整個換擋過程中，動力中斷時間越長，車輛動力性損失就越嚴重。為了減少動力中斷對車輛動力性和舒適性的影響，應盡量縮短換擋時間。

2 AMT直驅撥叉式電控換擋系統方案

順序換擋系統的結構如圖2a所示，選擋執行器實現在不同空擋位之間的切換動作，換擋執行器實現在空擋位和不同擋位之間的切換動作。時序重疊換擋系統的結構如圖2b所示，每個換擋執行器與與其相連的執行機構組成單獨的換擋模塊，實現在一個空擋位和兩個擋位之間的切換動作。

圖2 兩種換擋系統的結構Fig.2 The structure of two gearshift systems

圖3 換擋過程對比Fig.3 Gearshift process comparison

以2擋至3擋換擋過程為例，順序換擋方式和時序重疊換擋方式換擋過程的對比如圖3所示，整個過程始于離合器完全分離，直至離合器再次接合。順序換擋包括三個步驟：首先，換擋執行器動作，從2擋摘擋至空擋（N1）；然后，選擋執行器動作，從空擋（N1）選擋至空擋（N2）；最后，換擋執行器再次動作，從空擋（N2）掛擋至3擋。由于這三個步驟必須依次進行，即便每個步驟所用時間都降至最短，依舊難以獲得足夠短的換擋時間。時序重疊換擋包括兩個步驟：換擋執行器2動作，從2擋摘擋至空擋（N2）；換擋執行器1動作，從空擋（N1）掛擋至3擋。這兩個步驟在時序上同時進行，與順序換擋相比，時序重疊換擋取消了選擋階段，節省了選擋動作的時間，摘擋階段與掛擋階段在時序上重疊，從而實現換擋時間的縮短［7］。

圖4所示為時序重疊換擋系統的三維模型。每一個換擋執行器分別與一個換擋撥叉相連，單獨控制一個同步器實現在兩個擋位與空擋之間的摘擋和掛擋動作。

圖4 時序重疊換擋系統三維模型Fig.4 The 3D model of the time-overlapping gearshift system

換擋執行器采用了動圈式電磁直線執行器，其內部結構如圖5所示，主要由永磁體、動圈、外磁軛、內磁軛以及連接板等部件組成［8］。與旋轉電機結合減速、運動轉換機構的電控機械式換擋執行器［9］相比，電磁直線執行器取消了減速和運動轉換的中間環節，降低了系統結構的復雜程度，提高了換擋機構的可控性和定位精度。

圖5 電磁直線執行器結構Fig.5 The structure of the electromagnetic linear actuator

3 換擋系統模型

基于電磁直線執行器的時序重疊換擋系統是一個多物理場相互耦合的復雜系統，各子系統之間的耦合關系如圖6所示。

圖6 換擋系統耦合關系Fig.6 The coupling relations of the gearshift system

當在電磁直線執行器的動圈施加激勵電壓U時，相應產生電流I，載流線圈在磁場中受到洛倫茲力作用，產生的電磁驅動力加載到機械子系統，從而使與動圈相連的換擋部件產生運動。反之，由于磁場的作用，動圈受到與運動速度v成比例的反電動勢Eemf作用于電路子系統，進而影響線圈電流I，引起電磁力Fm的變化，在摩擦阻力Ff和換擋阻力Fd的共同作用下又會再次影響動圈結構的運動速度v，形成耦合關系。

4 執行器性能分析

執行器性能測試系統的結構如圖7所示，由DSP作為控制器，上位機通過以太網發送控制指令至DSP控制器，功率驅動模塊接收相應的控制信號驅動電磁直線執行器動作，相應的傳感器采集位置、力和電流等信號，通過以太網傳輸至上位機進行存儲和分析。

圖7 執行器性能測試系統Fig.7 Performance testing system

通過實驗與計算得到的樣機主要參數如表1所示，可以看出，由于系統結構的簡化，執行器的運動質量得以減小，系統的電氣時間常數值和機械時間常數值較小，動態響應速度較快。

表1 換擋執行器系統主要參數Tab.1 The main parameters of the gearshift actuator

定義同步器空擋位置為0，則同步器同步位置為4 mm情況下，電磁力與電流特性的實驗結果如圖8所示，電流與電磁力呈現較好的線性關系，電磁直線執行器具有較好的力控制性能。

圖8 力-電流特性曲線Fig.8 Measured force-current characteristics

圖9所示為在30 V電壓激勵下執行器位置響應仿真和實驗曲線的對比結果。從圖9中可以看出，實驗測量和仿真結果較為接近，驗證了執行器參數辨識的有效性。

圖9 執行器動態特性曲線Fig.9 Dynamic characteristics of the actuator

5 時序重疊控制策略

摘擋和掛擋過程時序重疊控制策略的流程圖見圖10。換擋過程開始，控制單元讀取摘擋執行器的位置信號，判斷摘擋過程所處階段，在摘擋第一階段，接合套與上一擋位齒圈仍然嚙合，因此以接合套與上一擋位齒圈完全脫離的位置作為與摘擋第二階段的分界點。

圖10 時序重疊控制策略Fig.10 Time-overlapping control strategy

同時，控制單元讀取掛擋執行器的位置信號zg，判斷掛擋過程所處的階段，實施相應的控制策略。預同步階段與摘擋第一階段以及同步階段和摘擋第二階段可能存在時序重疊。若預同步階段完成過早，而摘擋過程第一階段尚未完成，此時開始同步階段的動作會造成兩個擋位之間運動干涉，這是不允許發生的；若預同步階段提前完成后等待摘擋第一階段完成再繼續掛擋過程，此時由于待掛入擋位同步器錐面之間間隙已經消除，二者之間存在滑摩現象，這種控制方式會造成同步器摩擦錐面的提前過度磨損，縮短同步器的使用壽命。預同步階段的起始時間應嚴格按照時序要求進行控制，從而保證掛擋過程的預同步階段完成后可立即進入同步階段。由于換擋過程依據各換擋元件的相對位置進行劃分和控制，因此，換擋執行器依照時序要求進行快速精確的位置控制，對于保證時序重疊換擋系統的性能尤為重要。

6 位置復合控制器

電磁直驅換擋系統中換擋元件與執行器直接相連，在提高響應速度和增大系統剛度的同時，運動控制過程易受到換擋過程中各種不確定因素的影響。常規的PID控制方法無法滿足執行器位置控制的需求［10］。各種擾動抑制方法，比如自適應控制、魯棒控制、滑模變結構控制等，雖然這些方法最終都能抑制擾動，保證系統跟蹤控制的魯棒性，但是它們本質上和常規PID控制相同，都是依靠誤差反饋控制方式來抑制系統的擾動，只有在跟蹤誤差產生后才調整控制量，在大擾動情況下，動態調節過程相對緩慢，不滿足系統動態響應的要求［11］。二自由度控制方法由前饋控制器和反饋控制器組成，設計過程滿足分離性原理，前饋控制的引入能夠提高執行器位置控制的精度和帶寬，反饋控制用以補償系統參數不確定性和外部干擾所引起的跟蹤誤差，因此，二自由度控制器具有更好的系統響應和擾動抑制特性［12］。

本文結合微分平坦前饋和線性自抗擾控制理論設計了一種基于二自由度控制理論的位置復合控制器用于換擋執行器的位置控制，其結構如圖11所示，主要由參考模型、前饋控制器、反饋控制器和擴張狀態觀測器四部分組成。

圖11 位置復合控制器結構Fig.11 Structure of position compound controller

6.1 參考模型設計

參考模型的作用主要體現在兩個方面：①因為基于微分平坦的前饋控制器的設計涉及目標軌跡的速度和加速度的未來信息，這對于階躍輸入的設定值來說難以實現，本文利用參考模型預先設計參考軌跡，產生連續光滑的三路參考信號以實現前饋控制器的設計；②當設定值為階躍信號時，由于被控系統具有一定的慣性，被控量的變化不可能產生突變，若直接利用設定值與被控量之間的誤差來計算控制量的話，會引起被控系統產生較大的超調，嚴重時甚至損壞被控系統。根據被控系統控制量的工作范圍，利用參考模型對輸入階躍信號的平滑作用使系統輸入得到合理的過渡，在線生成參考軌跡，并通過系統控制量對其跟蹤控制，能夠有效地減少超調現象，改善系統的控制性能。

離散形式的參考模型表達式如下：

式中，h為位置環采樣時間；ξ、ωn分別為期望的系統阻尼比和帶寬；r為設定值；zd、vd和ad分別為位置、速度和加速度參考信號。

6.2 擴張狀態觀測器設計

構造擴張狀態觀測器，對系統的位置和速度狀態變量以及總和擾動進行估計。系統擴張狀態觀測器離散形式的表達式如下：

式中，z1為位置估計值；z2為速度估計值；z3為系統總和擾動的估計值；α1、α2、α3為狀態觀測器參數；ke為電機系數；m為運動部件質量；R為執行器線圈電阻；c為阻尼系數。

6.3反饋控制器設計

反饋控制律UB利用參考模型輸出的參考信號與擴張狀態觀測器輸出的狀態估計之間的差值，以及擴張狀態觀測器估計的總和擾動來產生控制量，從而利用動態補償線性化的方式使非線性換擋系統轉化為線性系統，具體表達式如下：

式中，k0、k1為比例控制系數。

6.4 前饋控制器設計

基于微分平坦的前饋控制器設計方法主要有兩種：微分幾何方法和直接分析法。由于系統階數較少，此處采用比較直觀的直接分析法。由于電路系統的響應時間明顯短于機械系統的響應時間，因此可以將其忽略，只考慮機械系統的作用。

動態補償線性化后的機械系統可表示為

系統的輸入變量可以通過輸出變量位置信號z及其導數表示：

根據參考模型的輸出信號，得到機械系統的前饋控制器表達式：

7 仿真與實驗結果分析

圖12所示為本文串級二自由度位置控制器有無前饋環節時執行器位置變化對比曲線。圖13所示為兩種情況下的執行器位置誤差變化曲線。從圖12、圖13可以看出，有前饋控制的情況下，系統的動態響應迅速，動態誤差明顯小于無前饋控制的動態誤差。

圖12 有無前饋環節條件下位置變化曲線Fig.12 Position curves with and without feedforward controller

圖13 位置誤差變化曲線Fig.13 Position error curves

假定系統參數按下式隨機變化：

式中，λ為滿足正態分布的隨機函數，λ∈[-1'1]；R0、L0、ke0、m0和c0分別為相應參數的名義值。

在上述系統參數隨機變化的情況下，系統位置誤差曲線如圖14所示，可以看出，系統參數的隨機變化并未對位置誤差造成較大的影響，位置控制系統對參數變化的魯棒性較強。

圖14 參數隨機變化條件下位置誤差曲線Fig.14 Position error curves with uncertain parameters

為了驗證控制系統在參數不確定和較大的外部負載力作用下系統的魯棒性，在上述隨機變化系統參數的基礎上，在25～30 ms的時間段內作用不同的階躍負載。圖15所示為在不同階躍負載和不確定參數的條件下換擋系統的執行器位置變化曲線。在負載力增大至200 N時，系統仍可以在一定時間內恢復至平衡位置，最大動態誤差約為7.8%。

圖15 外部負載力和參數隨機變化條件下位置變化曲線Fig.15 Position curves with different external load force and uncertain parameters

為了驗證基于電磁直線執行器的時序重疊換擋系統的可行性，建立如圖16所示的換擋試驗臺。試驗臺架主要包括驅動電機、換擋執行器、變速器、直線位置傳感器、轉矩傳感器、轉速傳感器、慣量盤以及各種連接部件等。

在被同步轉速差為500 r/min，慣量盤轉動慣量為0.01 kg·m2的條件下，對2擋至3擋的換擋過程進行實驗。

圖17所示為2擋至3擋的時序重疊換擋過程的實驗結果。從圖17中可以看出，該系統能夠實現摘擋過程和掛擋過程的同步進行，時序重疊時間約為20 ms。在摘擋第一階段完成時，掛擋預同步過程尚未完成，因此同時掛入兩個擋位運動而產生運動干涉的情況不會發生，掛擋預同步過程完成可立即進入同步階段。表2所示為時序重疊換擋方式與兩種采用順序換擋方式的方案在不同換擋階段的時間對比，時序重疊換擋方式換擋時間明顯縮短，數值上約等于掛擋階段所需的時間，有效地縮短了AMT換擋過程動力中斷的時間。

圖17 時序重疊控制實驗結果Fig.17 Test results of the time-overlapping gearshift controller

表2 不同換擋階段的時間對比Tab.2 Duration comparison for different gearshift phases ms

8 結論

（1）通過分析AMT動力中斷問題的主要影響因素，以縮短換擋時間為出發點，提出了一種時序重疊換擋系統，采用電磁直線執行器作為動力源，使得系統結構簡單緊湊，運動質量下降。

（2）執行器的性能測試結果表明了系統具有較好的力控制性能和動態特性，適用于快速的時序重疊換擋控制過程。

（3）提出了時序重疊換擋系統的控制策略，結合微分平坦前饋和線性自抗擾控制器設計了一種基于二自由度控制理論的位置復合控制器，仿真結果驗證了位置復合控制器的快速動態響應特性和對不確定的系統參數和外部負載力的擾動抑制能力。

（4）通過臺架試驗實現了時序重疊的換擋操作，時序重疊時間約為20 ms，整體換擋時間縮短超過15%，有效地縮短AMT換擋過程動力中斷時間。

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