趙治國，何 露，鄭爭興，李學(xué)彥

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

干式離合器臺(tái)架執(zhí)行機(jī)構(gòu)模糊滑?？刂?/p>

趙治國，何 露，鄭爭興，李學(xué)彥

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引言

由于干式（電動(dòng)）離合器動(dòng)作靈敏、響應(yīng)快且控制精度較高，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）和干式雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）。但由于離合器磨損、執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在強(qiáng)非線性以及外界干擾，使得離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度難以保證。謝先平等［1］提出了一種專家PID算法，基于專家經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)離合器位置誤差以及位置誤差的變化率不斷修正PID參數(shù)，動(dòng)態(tài)控制性能也明顯改善；趙永勝、吳光強(qiáng)等［26］以無刷直流電機(jī)為離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并分析了控制器對(duì)外部擾動(dòng)的魯棒性，取得了較好的仿真效果，但是這些控制器的控制輸入量包含分離軸承位置信號(hào)的三階微分，在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)較為困難。為此，基于五速干式DCT，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)用干式電動(dòng)離合器，建立了離合器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。

1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)建模

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)由有刷直流電機(jī)、一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)助力機(jī)構(gòu)、膜片彈簧與壓盤組成。電機(jī)輸出端經(jīng)過一級(jí)齒輪減速到絲杠螺母輸入端，絲杠螺母的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，再由螺母推動(dòng)推動(dòng)分離軸承，實(shí)現(xiàn)離合器的分離或者結(jié)合。離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。1.1 離合器作動(dòng)電機(jī)建模

圖1 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

五速干式DCT的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為有刷直流電機(jī)，電機(jī)的等效電路如圖2所示。

圖2 電樞控制式直流電動(dòng)機(jī)等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律以及力矩平衡方程，可得：

Ua為電機(jī)的端電壓；Lo為電機(jī)電感；Ub為電機(jī)感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)；Kb為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；ω為離合器電機(jī)角轉(zhuǎn)速度；Imo為折合到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bmo為電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

考慮到直流電機(jī)的電感很小，忽略其影響，電機(jī)的力矩方程可整理成：

δ為執(zhí)行電機(jī)輸出端絲杠行程；x為離合器膜片彈簧小端位移；ω為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；L為螺桿螺紋導(dǎo)程。

聯(lián)立式（2）和式（3），可得出離合器小端位移x與電機(jī)電壓Ua的關(guān)系方程：

1.2 電機(jī)負(fù)載模型

圖3與圖4分別為離合器分離與結(jié)合時(shí)絲杠螺母的受力分析示意圖。

圖3 離合器分離時(shí)螺母受力圖

圖4 離合器接合時(shí)螺母受力圖

由于電機(jī)輸出端經(jīng)過一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)傳遞到絲杠螺母上，設(shè)齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為i1，則實(shí)際電機(jī)輸出端的等效負(fù)載力矩TL為：

設(shè)螺旋助力彈簧的助力為Fa；分離軸承反作用于螺母上的力為Fb對(duì)。則螺旋彈簧的作用力與絲杠行程δ的關(guān)系：

ks為螺旋彈簧彈性系數(shù)；x0為螺旋彈簧初始安裝壓縮量；x1為離合器徹底分離后壓盤具有最大升程時(shí)螺旋彈簧剩余的壓縮量。

再對(duì)絲杠螺母進(jìn)行受力分析［7］：

由于采用常閉式離合器，考慮到助力彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)離合器分離時(shí)，螺旋彈簧助力和分離軸承給螺母的力與運(yùn)動(dòng)方向相反：

當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)，螺旋彈簧助力與螺母運(yùn)動(dòng)相同，分離軸承施加螺母的力與運(yùn)動(dòng)方向相反：

D為螺桿平均直徑；φ為螺桿當(dāng)量摩擦角；α為螺桿螺紋升角。由于選擇的螺旋傳動(dòng)具有自鎖特性，故可以保證φ＞α。

2 模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制器

基于前述對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析可知：

2.2 模糊控制器

滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)不易受到系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動(dòng)，然而由于外界干擾以及系統(tǒng)建模不精確等原因，一方面導(dǎo)致系統(tǒng)在跟蹤精度上存在一定的誤差，另一方面在進(jìn)入滑模面后控制量并非嚴(yán)格按照滑模曲線滑動(dòng)，而是沿滑模面抖振。為了解決以上2個(gè)問題，通過設(shè)計(jì)模糊控制器來補(bǔ)償負(fù)載建模誤差，同時(shí)削弱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖振，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度［8］。模糊滑?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊滑?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制器的輸入變量為跟蹤誤差S與跟蹤誤差的變化率˙S，輸出變量為趨近率參數(shù)ε。

2.2.1 輸入語言變量取值和論域

跟蹤誤差S∈｛很?。╒S）、小（S）、中（M）、大（B）、很大（VB）｝，其論域?yàn)椋?～5］；跟蹤誤差的變化率˙S∈｛很小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、很大（VB）｝，其論域?yàn)椋?～5］。

2.2.2 輸出語言變量取值和論域

趨近率參數(shù)ε∈｛很?。╒S）、?。⊿）、中（M）、大（B）、很大（VB）｝，其論域?yàn)椋?～120］。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩修正量ΔT∈｛很小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、很大（VB）｝，其論域?yàn)椋?～0.3］。

2.2.3 模糊推理規(guī)則表及輸入輸出間映射關(guān)系

上述模糊控制器的輸入和輸出量均采用三角形隸屬函數(shù)，根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)跟蹤誤差S比較大時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)離滑模面，需要一個(gè)大的趨近律參數(shù)ε以加快趨近速度；反之當(dāng)跟蹤誤差S與跟蹤誤差的變化率˙S都比較小時(shí)，則系統(tǒng)狀態(tài)離滑模面較近，且變化趨勢(shì)也靠近滑模面，此時(shí)需要一個(gè)較小的趨近律參數(shù)ε使趨近度變慢以減小抖振?；谏鲜鼋?jīng)驗(yàn)，模糊推理規(guī)則如表1所示。對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩修正量ΔT，同樣可以得到模糊修正關(guān)系，如表2所示。

表1 趨近率參數(shù)模糊推理規(guī)則表

表2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩修正量模糊推理規(guī)則表

3 仿真結(jié)果及分析

為了觀測(cè)離合器位置模糊滑模變結(jié)構(gòu)器的跟蹤效果，對(duì)干式DCT起步以及換擋過程的離合器分離軸承位置進(jìn)行跟蹤控制，并與傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制的效果進(jìn)行了對(duì)比，其仿真結(jié)果如圖6～13所示。

圖6 起步過程離合器位置模糊滑?？刂?/p>

圖7 起步過程離合器位置滑模變結(jié)構(gòu)控制

圖8 起步過程離合器電機(jī)電壓模糊滑?？刂?/p>

圖9 起步過程離合器電機(jī)電壓滑模變結(jié)構(gòu)控制

圖10 換擋過程離合器位移模糊滑?？刂?/p>

圖11 換擋過程離合器位移滑模變結(jié)構(gòu)控制

圖12 換擋過程離合器電機(jī)電壓模糊滑模控制

圖13 換擋過程離合器電機(jī)電壓滑模變結(jié)構(gòu)控制

圖6與圖7分別是采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制以及傳統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制，對(duì)干式DCT起步過程離合器分離軸承位移的跟蹤圖像?？梢钥闯?，采用模糊滑?？刂频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖振明顯減少，控制效果相比于傳統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制有較為明顯的提高。同時(shí)，在離合器分離軸承運(yùn)動(dòng)時(shí)，離合器位置跟蹤效果較為理想，誤差在5%以內(nèi)。圖8與圖9是離合器控制電機(jī)的電壓變化曲線，可以看出，在整個(gè)起步過程中，采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的電機(jī)電壓總體比較平穩(wěn)。

由圖10～圖13可以看出，采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振明顯減少，與此同時(shí)，離合器分離軸承位移的跟蹤效果較為理想，誤差在3%內(nèi)。

4 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的有效性，對(duì)其在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，臺(tái)架試驗(yàn)的方案如圖14所示。通過將模型自動(dòng)代碼生成后下載到TCU中，TCU輸出電機(jī)電壓來控制離合器電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)而控制離合器的接合，離合器位移信號(hào)反饋到TCU中實(shí)現(xiàn)離合器位移的閉環(huán)控制。

圖14 臺(tái)架試驗(yàn)方案

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架主要包含2套離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、3個(gè)同步器電機(jī)、換擋手柄、加速踏板和制動(dòng)踏板等，其中，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本采用與實(shí)車等效的結(jié)構(gòu)。

基于上述臺(tái)架，對(duì)干式DCT起步以及換擋過程離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，其結(jié)果如圖15～20所示。

圖15 離合器位置模糊滑模控制階躍信號(hào)跟蹤結(jié)果

圖16 離合器位置滑模變結(jié)構(gòu)控制階躍信號(hào)跟蹤結(jié)果

圖17 起步過程離合器位移模糊滑?？刂聘櫧Y(jié)果

圖18 起步過程離合器位移滑模變結(jié)構(gòu)控制跟蹤結(jié)果

圖19 換擋過程離合器位移模糊滑?？刂聘櫧Y(jié)果

從圖15和圖16中可以看出，離合器實(shí)際位置與階躍信號(hào)的變化趨勢(shì)一致，但存在比較明顯的滯后。

由圖17～圖20可以看出，采用模糊滑模控制的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體跟蹤效果優(yōu)于采用傳統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制；同時(shí)，離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際位置基本上能夠較好地跟蹤起步及換擋過程中設(shè)定的離合器分離軸承位移的目標(biāo)曲線，但還是存在著一定的誤差，這主要因?yàn)殡x合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)臺(tái)架的加工和裝配精度造成的。

試驗(yàn)結(jié)果表明，起步以及換擋過程離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置跟蹤的誤差都在8%以內(nèi)，這也說明模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制算法能有效減小位置跟蹤誤差，同時(shí)減小了穩(wěn)態(tài)過程中的抖振現(xiàn)象，具有良好的魯棒性，可以滿足離合器位置跟蹤控制要求。

5 結(jié)束語

建立了臺(tái)架試驗(yàn)用干式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，為改善電動(dòng)式離合器位置跟蹤精度和魯棒性，設(shè)計(jì)了模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器并進(jìn)行離線和硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模糊滑模控制器響應(yīng)速度較快、魯棒性強(qiáng)、跟蹤精度高，同時(shí)減小了傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制在穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖振問題，能夠滿足DCT車輛對(duì)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)高性能的要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 謝先平，王旭東，余騰偉，等.自動(dòng)離合器精確位置跟蹤控制與起步控制研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（4）：117-121.

［2］ 趙永勝，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，等.汽車AMT自動(dòng)離合器的改進(jìn)模糊滑?？刂疲跩］.汽車工程，2006，28（8）：750-754.

［3］ 趙永勝，任衛(wèi)群，張?jiān)魄?，?汽車AMT自動(dòng)離合器的局部線性化模糊滑?？刂疲跩］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（1）：17-21.

［4］ 張德明，吳光強(qiáng).模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制在DCT電控離合器上的應(yīng)用［J］.汽車技術(shù)，2007（10）：1-6.

［5］ Abdelhameed M M.Enhancement of sliding mode controller by fuzzy logic with application to robotic manipulators［J］.Mechatronics，2005，15（4）：439-458.

［6］ Fung R F，Shaw C C，Wang A P.Region-wise linear fuzzy slidingmode control of the motor-mechanism systems［J］.Journal of Sound and Vibration，2000，234（3）：471-489.

［7］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［8］ 劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制Matlab仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

FuzzySlidingModeControlofDryClutchActuatoronTestBench

ZHAOZhiguo，HELu，ZHENGZhengxing，LIXueyan（CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter，TongjiUniversity，Shanghai201804，China）

基于五速干式DCT，搭建了干式離合器臺(tái)架執(zhí)行機(jī)構(gòu)，考慮其非線性時(shí)變特征，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并利用模糊控制器實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)載轉(zhuǎn)矩同時(shí)調(diào)整滑模趨近律參數(shù)，以提高控制精度同時(shí)削弱滑模變結(jié)構(gòu)控制穩(wěn)態(tài)的抖振現(xiàn)象。結(jié)合雙離合器式自動(dòng)變速器（DCT）的起步與換擋過程，進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。

干式離合器臺(tái)架模擬機(jī)構(gòu)；模糊滑?？刂疲挥布诃h(huán)仿真試驗(yàn)；雙離合器式自動(dòng)變速器

Based on five speed dry DCT，a dry clutch actuator is built；and taking into account the nonlinear and time variable characteristics of the clutch actuator，a sliding model controller is designed．And the fuzzy controller is used to compensate the load torque and adjust approaching parameters of the system，so as to improve the control precision and minimize the effects of the vibration phenomenon during the steady state．Then the HIL（hardware in the loop）test is conducted based on starting and shifting process of the DCT（dual clutch transmission）．

dry clutch bench simulation actuator；fuzzy sliding mode control；hardware in the loop test；dual clutch transmission

U463.212

A

10012257（2015）09002705

趙治國（1971－），男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)控制、混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)集成控制及新型傳動(dòng)系統(tǒng)控制等；何 露 （1991－），男，湖南株洲人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p離合器自動(dòng)變速器控制，通信作者。

20150515

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275355）