電動汽車AMT換擋過程控制研究現(xiàn)狀文獻綜述1.1換擋過程驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制研究換擋過程中驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制具有非線性特性，且要求精度高，響應(yīng)快，一直以來是國內(nèi)外學者研究的熱點。對于驅(qū)動電機在調(diào)速階段的主動控制研究則興起于上世紀80年代。MasdingP.W.，Lee等人首先開始對驅(qū)動電機的主動同步技術(shù)進行研究，在換擋過程中通過主動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)接合套與接合齒圈的同步，進而實現(xiàn)了無離合器式變速器系統(tǒng)的換擋控制[3~6]。張曉光等人提出一種滑模算法，將位置、速度滑?？刂破饕惑w化設(shè)計方法，并利用狀態(tài)變量之間的關(guān)系改進傳統(tǒng)的滑模面，消除了系統(tǒng)抖振，提高了系統(tǒng)動態(tài)性能和魯棒性[7]。鄒敏等提出一種前饋補償算法，將負載所需要的力矩以及負載慣量所產(chǎn)生的力作為總擾動，建立擾動前饋模塊，將總擾動辨識出來，并且補償?shù)剿俣拳h(huán)上，增強了系統(tǒng)的魯棒性[8]。范婷等提出一種自抗擾控制算法，將位置和速度控制結(jié)合，通過二階的自抗擾控制器進行控制，達到了較好的控制效果[9]。李濤等提出一種在線調(diào)整學習速率的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法。利用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習和逼近任意函數(shù)的功能，能夠?qū)ID控制參數(shù)進行在線整定，增強了調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性[10]。Zhu，Zhang提出一種基于線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）和極點配置的魯棒控制器，提高了電機的暫態(tài)響應(yīng)[11]。以上的一些智能算法或傳統(tǒng)與智能相結(jié)合的算法都取得了較好的控制效果，但這些算法沒有考慮轉(zhuǎn)速控制中變速箱控制器TCU與電機控制器MCU之間的CAN總線通訊時延，通訊網(wǎng)絡(luò)的加入會使得控制對象模型發(fā)生改變，使得上述依賴于控制對象而設(shè)計的控制算法效果降低，最終導(dǎo)致調(diào)速精度的降低和調(diào)速時間的增加，因此，有必要設(shè)計優(yōu)化算法降低通訊時延的影響以提高控制效果。調(diào)速階段的驅(qū)動電機控制需要電機控制器(MCU)和變速器控制器(TCU)共同參與，而在現(xiàn)代汽車中都是通過CAN總線(controllerareanetwork)實現(xiàn)控制器之間的通訊。由于帶寬的限制和控制器使用的增加，在通訊過程中會出現(xiàn)延遲，而該通訊延遲會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]，其工作原理圖如圖1-1所示。目前針對調(diào)速階段通訊延遲的驅(qū)動電機控制研究較少。鄧建球等提出一種狀態(tài)反饋控制器，采用錐互補線性化(CCL)算法求解了鎮(zhèn)定控制器的狀態(tài)反饋增益值，用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化[13]。錢偉等提出一種基于模型的預(yù)測控制方法用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中[14]。梁軍等提出一種PID-Smith延時補償控制器，提出了球桿網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的根據(jù)延時分段補償控制的策略及在線獲取當前延時的方法[15]。張琰，趙韓等人通過頻域分析優(yōu)化得到一組最佳的史密斯預(yù)估器模型，補償了發(fā)動機進氣-扭矩過程的時延[16]。Zhu，Zhang等人采用馬爾科夫鏈對通訊時延進行了理論上的建模，并且在其基礎(chǔ)上設(shè)計了轉(zhuǎn)速控制算法，仿真結(jié)果表明該算法獲得了更好的效果。Huang，Zhang等人提出一種基于動作等待（A&W）與擾動觀測的轉(zhuǎn)速控制器，前者用于時延的補償，后者用于增強系統(tǒng)的自抗擾性，并與PI控制器對比，仿真結(jié)果顯示該算法獲得了更小的超調(diào)量和更短的調(diào)速時間[16]。Cao等人介紹了電動汽車機械自動變速器的CAN總線控制系統(tǒng)，在考慮到CAN通訊過程中數(shù)據(jù)包容量和利用率的限制的基礎(chǔ)上建立通訊延遲的數(shù)學模型，并提出了一種基于Lyapunov穩(wěn)定性準則的滑?？刂破髋c離線優(yōu)先級調(diào)度的協(xié)同設(shè)計方法來改變通訊過程的特性，進而保證調(diào)速過程的穩(wěn)定性，最終通過仿真驗證了該方法可以有效的消除通訊延遲對調(diào)速過程的影響[17]。該團隊在另一項研究中提出了一種自適應(yīng)滑模控制器與模糊動態(tài)采樣周期調(diào)度策略相結(jié)合的協(xié)同設(shè)計方法，以解決CAN通訊帶寬限制帶來的調(diào)速過程實時性變差的問題，并通過仿真進行了驗證[18]。上述研究對調(diào)速階段的CAN通訊延遲進行了理論建模，并設(shè)計了較為復(fù)雜的控制算法，但這些研究都缺少進一步的實驗驗證。但在該研究中未對通訊延遲出現(xiàn)的規(guī)律和時長進行討論，而這會影響到執(zhí)行-等待控制算法中執(zhí)行階段和等待階段的時間分配。因此，有必要對CAN通訊延遲的規(guī)律進行分析，并根據(jù)延遲規(guī)律設(shè)計易于應(yīng)用的調(diào)速階段控制策略，以消除通訊延遲對調(diào)速過程的不利影響。王大方等人以短途純電動車無同步器AMT為研究對象，在調(diào)速階段提出了一種電制動和PI控制相結(jié)合的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制方法，實驗表明該控制算法可以縮短了電機轉(zhuǎn)速下降的時間[26]。沈文臣等人以裝備AMT的單軸并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，提出了一種在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩和同步器摩擦力矩共同作用下的接合齒圈和接合套之間轉(zhuǎn)速差調(diào)節(jié)方式。實驗結(jié)果表明，該方式可以降低同步器的磨損，縮短動力中斷的時間[27]。陳紅旭等人通過對電動汽車無同步器AMT掛擋特性的研究，發(fā)現(xiàn)僅通過驅(qū)動電機的主動同步控制，不能同時縮短動力中斷時間和減小換擋沖擊，接合套和接合齒圈的相對角度是阻礙接合套和接合齒圈接合并產(chǎn)生換擋沖擊的主要因素。在上述分析的基礎(chǔ)上，運用極小值原理和混雜系統(tǒng)優(yōu)化控制方法設(shè)計了主動對齒控制算法，通過控制驅(qū)動電機主動調(diào)節(jié)接合套和接合齒圈的相對角度，有效抑制了換擋沖擊，并縮短了動力中斷時間，實現(xiàn)了接合套和接合齒圈的快速平穩(wěn)接合[28]。田豐等人為實現(xiàn)電動汽車無同步器AMT的換擋過程中的主動對齒控制，提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)矩切換控制算法，該控制算法在調(diào)速階段開始時先控制驅(qū)動電機輸出最大轉(zhuǎn)矩以縮小接合套與接合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差，在轉(zhuǎn)速差降低到一定范圍內(nèi)時根據(jù)兩者之間轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)角差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小，當轉(zhuǎn)角差小于目標轉(zhuǎn)角差時主動同步過程結(jié)束，實驗結(jié)果表明該算法可以實現(xiàn)接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的雙同步[29]。圖1-1電動汽車機械自動變速器CAN總線控制系統(tǒng)框圖1.2換擋過程換擋執(zhí)行機構(gòu)控制研究換擋執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)具有非線性而導(dǎo)致控制效果差，針對此問題相關(guān)學者進行了以下研究，對于換擋電機的控制精度，丁然然使用了模糊控制算法用于換擋電機的控制，仿真證明了模糊算法可以有效的適應(yīng)摩擦系數(shù)，具有較好的適應(yīng)性和魯棒性[19]；劉家發(fā)采用積分分離PID控制，即根據(jù)給定位置與反饋位置之差將控制分為2個階段，提高了系統(tǒng)的控制精度[20]。Yoshinori.Taguchi等通過在AMT換擋過程中采用干擾觀測器實現(xiàn)對換擋執(zhí)行機構(gòu)的前饋和反饋并行的魯棒控制，使系統(tǒng)在保證快速性的前提下又能保證魯棒性，并通過仿真和試驗驗證了算法可靠性和有效性[21]。高智等基于線性二次最優(yōu)控制和滑模控制，實現(xiàn)對換擋電機的位置最優(yōu)控制，通過仿真與試驗對照的方法，驗證該控制方法可以改善AMT的換擋品質(zhì)[22]。在電動汽車機械自動變速器的換擋過程中，除了需要對驅(qū)動電機進行主動控制外，在掛擋階段對換擋執(zhí)行機構(gòu)的控制也至關(guān)重要。掛擋階段所需要的時間和產(chǎn)生的沖擊對換擋品質(zhì)有著直接的影響。對掛擋階段的動力學進行深入的研究有助于找到影響換擋品質(zhì)的關(guān)鍵因素，并得到掛擋階段的控制規(guī)律。目前，國內(nèi)外對機械自動變速器掛擋過程的建模和分析方面做了許多有益的工作，為換擋執(zhí)行機構(gòu)的控制策略設(shè)計和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。J.Kim等人根據(jù)同步器中接合套的位移將掛擋過程分為11個階段，并利用鍵合圖的方法建立了各階段的動力學模型，分析了在掛擋過程中傳遞到換擋桿上的沖擊[35]。該團隊在另一項研究中根據(jù)所建立的掛擋過程動力學模型分析了換擋桿速度對換擋力峰值的影響，仿真結(jié)果表明，當換擋桿速度增加時，第一次換擋力峰值也會增加，而第二次換擋力峰值則不一定增加[36]。Liu等人通過動力學仿真軟件ADAMS建立同步器掛擋過程模型，通過仿真研究了同步環(huán)錐面、摩擦系數(shù)、換擋力對掛擋過程的影響，根據(jù)仿真結(jié)果將接合套與接合齒圈的接合過程分為順齒接合、逆齒退回接合、逆齒直接接合、直接接合等四種情況，并指出兩者在接合時越接近齒尖對齒尖接觸，換擋沖擊越大，掛擋時間越長[37]。程瀟驍?shù)热嗽贛atlab/Simulink環(huán)境下應(yīng)用Poisson碰撞理論建立了有同步器AMT換擋沖擊模型，分析了換擋力對接合套齒在掛擋過程中的運動軌跡以及掛擋沖擊的影響因素，對掛擋過程中非同步打齒現(xiàn)象進行了詳細的推導(dǎo)，并得到了避免非同步打齒的臨界換擋力解析式[38]。李曉春基于所建立的同步器ADAMS動力學模型討論了花鍵齒鎖止角和棱線角等設(shè)計參數(shù)對二次沖擊的影響，并以降低二次沖擊力峰值為目標對參數(shù)進行了優(yōu)化[39]。王陽等人根據(jù)建立的AMT換擋過程動力學模型分析了產(chǎn)生換擋沖擊的機理，根據(jù)該機理確定了換擋執(zhí)行機構(gòu)在不同掛擋階段的最大速度峰值，以避免換擋沖擊的產(chǎn)生[40]。Duan等人針對無同步器AMT掛擋階段建立了彈簧-阻尼接觸模型，對接合套與接合齒圈發(fā)生碰撞時整車加速度和沖擊度的變化進行了分析，揭示了接合套與接合齒圈的接觸與碰撞機理[41]。陳紅旭等人針對電動汽車AMT換擋過程，應(yīng)用多體動力學和泊松恢復(fù)系數(shù)理論建立了混雜自動機模型，對掛擋過程中接合套與同步環(huán)、接合套與接合齒圈的相互作用進行了深入地分析。將掛擋過程分為“機械同步起作用”、“機械同步不起作用”、“非同步打齒”三種情況，并確定了每種情況的邊界條件。以換擋動力中斷時間和換擋最大沖量作為換擋品質(zhì)的評價指標，分析接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差、換擋力對換擋品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明減小接合套與接合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差可以縮短動力中斷時間；當轉(zhuǎn)速差過大時會使動力中斷時間和換擋沖擊大幅增加；增大掛擋階段的換擋力可以縮短動力中斷時間，但是會增大換擋沖擊。最終根據(jù)動力中斷時間和換擋沖擊的加權(quán)分析得到了轉(zhuǎn)速差與換擋力的最佳控制區(qū)域[42~45]。黃菊花等人建立了純電動汽車CLAMT的ADAMS虛擬樣機模型，將同步時間、沖擊度和滑磨功作為換擋品質(zhì)的評價指標并分析了其影響因素，仿真結(jié)果表明在沖擊度符合要求的前提下，增大換擋力、換擋力變化率或提高驅(qū)動電機調(diào)速精度均可以提高換擋品質(zhì)[46]。參考文獻[1]葛文慶,李波,趙彥峻,等.基于直接驅(qū)動和自增力技術(shù)的AMT換擋系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(09):1-7.[2]楊競衡.電動汽車的電氣傳動系統(tǒng)[J].電氣傳動,1999(4):3-10.[3] 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