李陽(yáng) 楊林 袁靜妮 杜茂

（上海交通大學(xué)，汽車電子技術(shù)研究所，上海 200240）

主題詞：電動(dòng)汽車 電驅(qū)動(dòng)橋 換擋品質(zhì) 控制策略

1 前言

電驅(qū)動(dòng)橋是針對(duì)電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)的一種機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車[1]。近年來(lái)，相比于采用固定速比的電驅(qū)動(dòng)橋，多擋AMT電驅(qū)動(dòng)橋因其降低了車輛對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池的要求，有利于提升整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，已成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。然而，目前常用的電驅(qū)動(dòng)橋由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)置而產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)，同時(shí)不利于整車電池系統(tǒng)的布置。

作為AMT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，換擋控制與車輛行駛平穩(wěn)性密切相關(guān)，換擋品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響駕乘舒適性甚至系統(tǒng)可靠性。換擋品質(zhì)主要體現(xiàn)在換擋時(shí)間和換擋沖擊度，如何縮短換擋時(shí)間、降低換擋沖擊度、提高車輛的動(dòng)力性和平順性是AMT換擋控制中的核心問(wèn)題。柴本本等[3]提出一種最優(yōu)控制策略，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償和采用非線性時(shí)間最優(yōu)控制對(duì)換擋電機(jī)進(jìn)行位置控制以優(yōu)化換擋過(guò)程，改善了換擋品質(zhì)；劉正偉[4]以換擋時(shí)間最短為目標(biāo)，對(duì)摘擋和掛擋階段進(jìn)行優(yōu)化控制，通過(guò)在Bang-Bang控制的基礎(chǔ)上加入一段自適應(yīng)控制，改善了傳感器采樣誤差造成的控制效果不佳的問(wèn)題；臺(tái)玉琢等[5]提出一種基于最優(yōu)控制序列和最優(yōu)軌跡的前饋控制和反饋控制相結(jié)合的控制方法，降低了換擋過(guò)程中的車輛沖擊度。然而，如何同時(shí)縮短換擋時(shí)間和降低換擋沖擊度，尚缺乏有效的控制策略。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種同軸式兩擋電驅(qū)動(dòng)橋，并以此為對(duì)象，在深入分析其換擋過(guò)程和換擋品質(zhì)影響因素的基礎(chǔ)上，提出改善換擋品質(zhì)的控制策略，并基于仿真軟件AMESim搭建換擋控制仿真模型，對(duì)提出的控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 同軸兩擋電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)橋采用由變形大速比行星輪齒輪系與圓柱齒輪系構(gòu)成的復(fù)合輪系，如圖1所示。采用同軸布置的結(jié)構(gòu)，具有2個(gè)擋位，通過(guò)同步器實(shí)現(xiàn)換擋控制，通過(guò)雙行星排實(shí)現(xiàn)主減速器功能，同時(shí)沒(méi)有離合器，可以減小尺寸，降低成本。該電驅(qū)動(dòng)橋不僅兩擋速比較大，而且兩擋速比級(jí)差可方便地控制在2以內(nèi)，因而既保證了行車過(guò)程中可順利換擋，又有利于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高速化和小型化，并提升車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。相對(duì)于目前常用的平行軸布置電驅(qū)動(dòng)橋，它還可有效避免電機(jī)側(cè)置引起的振動(dòng)，且為整車電池系統(tǒng)提供更大的布置空間，提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

圖1 電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力源的不同，可分為氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)3種類型，目前多采用電控電動(dòng)式。常用的減速機(jī)構(gòu)有蝸輪蝸桿、螺旋機(jī)構(gòu)、齒輪減速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)有螺旋機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、搖臂機(jī)構(gòu)等[6]。為滿足換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度、小沖擊、能自鎖、短行程等實(shí)際要求，并克服凸輪機(jī)構(gòu)等對(duì)制造加工精度要求高的問(wèn)題，本文采用具有自鎖功能的蝸桿傳動(dòng)作為減速機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)搖臂作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，如圖2所示。換擋電機(jī)的輸出扭矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速增扭，驅(qū)動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn)，搖臂下端位于撥叉頭凹槽中，將搖臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成撥叉的軸向移動(dòng)，進(jìn)而由撥叉帶動(dòng)同步器接合套向目標(biāo)擋位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換擋。其中，通過(guò)設(shè)計(jì)蝸桿的螺旋角小于蝸輪蝸桿間的摩擦角來(lái)保證自鎖，防止動(dòng)力反向傳遞，保證換擋可靠性。換擋電機(jī)采用可靠性高、壽命長(zhǎng)的直流無(wú)刷電機(jī)，具有響應(yīng)速度快、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，符合換擋過(guò)程中撥叉迅速起動(dòng)或制動(dòng)的要求[7]。

3 換擋品質(zhì)控制策略

電驅(qū)動(dòng)橋的換擋過(guò)程如圖3所示，包括清扭矩階段、摘擋階段、同步調(diào)速階段、掛擋階段以及恢復(fù)扭矩階段。在摘擋后期，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始主動(dòng)同步調(diào)速。

圖2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖3 換擋流程

3.1 清扭矩階段

收到換擋指令后，在摘擋前通過(guò)清除驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，保證動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞，使換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)較容易摘入空擋，避免引起沖擊和噪聲。此階段對(duì)車輛沖擊度影響較大，沖擊度是評(píng)價(jià)換擋品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映車輛行駛的平順性，用車輛縱向加速度的變化率表示：

式中，a為車輛的縱向加速度；v為車輛速度。

清扭矩階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出與車輪端有確定的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，沖擊度可表示為[8]：

式中，ig為擋位速比；i0為雙行星排減速比；ηt為傳動(dòng)效率；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為車輛質(zhì)量；r為車輪半徑；Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩。

由式（2）可知，清除扭矩階段車輛的沖擊度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩變化率成正比關(guān)系，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩直接清零，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊度，影響駕駛的平順性。因此，清扭矩階段應(yīng)限制驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩變化率，抑制沖擊度：

由式（3）可得：

式中，jmax為最大可接受沖擊度。

德國(guó)對(duì)沖擊度的推薦值為jmax=10 m/s3，中國(guó)對(duì)沖擊度的推薦值為jmax=17.63 m/s3，取jmax=10 m/s3得到滿足沖擊度要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩最大變化速率[9]。在摘擋前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以扭矩模式按照上述扭矩變化速率將驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩減小到零，完成清扭矩過(guò)程。

3.2 摘擋階段

清除驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩后，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作帶動(dòng)撥叉移動(dòng)，使同步器到達(dá)空擋位置。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零且動(dòng)力鏈中斷，沖擊度為零。為了減小換擋時(shí)間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以最大速度進(jìn)行摘擋。

3.3 同步調(diào)速階段

摘擋完成后，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小同步器主、從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速差，調(diào)速后的電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)直接影響同步器機(jī)械同步過(guò)程，需向驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送合適的目標(biāo)調(diào)速指令，控制同步器兩端的轉(zhuǎn)速差。由于無(wú)動(dòng)力輸出，調(diào)速階段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致駕駛員感到整車動(dòng)力性不足，需盡量縮短調(diào)速時(shí)間，減小動(dòng)力中斷時(shí)間。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為：

式中，noutshaft為電驅(qū)動(dòng)橋輸出軸轉(zhuǎn)速；itarget為目標(biāo)擋位傳動(dòng)比；Δn為轉(zhuǎn)速修正量，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速完成到同步器開始機(jī)械同步的過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，取Δn=50 r/min[10]。

為了縮短調(diào)速時(shí)間，與通常摘擋完成到達(dá)空擋才開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)調(diào)速不同，本文提出一種“重疊同步調(diào)速”的控制方法，如圖4所示。以2擋摘空擋為例，接合套與接合齒圈分離后，在同步器向空擋移動(dòng)過(guò)程中就重疊地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)調(diào)速，由換擋控制器向驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出調(diào)速模式指令和上述目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以縮短換擋時(shí)間。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)重疊同步調(diào)速示意

3.4 掛擋階段

調(diào)速完成后，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入自由轉(zhuǎn)模式，保證動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)轉(zhuǎn)矩傳遞，利于掛擋完成，同時(shí)，換擋電機(jī)開始動(dòng)作，帶動(dòng)撥叉向目標(biāo)擋位軸向運(yùn)動(dòng)，完成掛擋動(dòng)作。掛擋過(guò)程中，同步器機(jī)械同步階段是影響換擋沖擊度的主要階段，此階段同步器傳遞的扭矩等于摩擦錐面間的摩擦力矩M，即

式中，F(xiàn)為換擋撥叉的軸向力；μ為摩擦因數(shù)；R為摩擦錐面平均有效半徑；α為摩擦錐面半錐角。

同步階段車輛的沖擊度為：

由式（6）、式（7）可得：

式中，J為同步器輸出端至車輪端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由式（8）可知，同步器機(jī)械同步階段的沖擊度大小與軸向換擋力的變化率成正比。因此，在掛擋階段，在保證快速完成掛擋的同時(shí)，應(yīng)控制好軸向換擋力的變化率，減小同步?jīng)_擊度。

摘擋和掛擋均通過(guò)對(duì)換擋電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)換擋電機(jī)的高精度控制，采用三閉環(huán)反饋控制，其控制原理如圖5a所示。其中，位置環(huán)為三閉環(huán)控制器的外環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為中間環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電流環(huán)通過(guò)控制輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波的占空比來(lái)控制換擋電機(jī)的輸入電壓，從而控制其電流和轉(zhuǎn)速[11]。

考慮到掛擋過(guò)程不同階段同步器運(yùn)動(dòng)特性不同，為避免單一控制方法無(wú)法適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的變化而導(dǎo)致控制效果不理想，將整個(gè)掛擋行程根據(jù)同步鎖止點(diǎn)和同步解鎖點(diǎn)分為同步前階段、同步階段以及同步后階段，采用分段閉環(huán)控制，如圖5b所示。同步前階段以同步鎖止點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，跟隨目標(biāo)位移曲線進(jìn)行閉環(huán)控制；同步階段基本占空比保證同步階段換擋力的下限值，同時(shí)對(duì)輸出占空比的變化率進(jìn)行限制，以此控制換擋力的變化率，從而控制同步階段的沖擊度；同步后階段與同步前階段類似。

圖5 換擋電機(jī)三閉環(huán)分段控制

3.5 恢復(fù)扭矩階段

掛擋完成后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)切換到轉(zhuǎn)矩模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出端與車輪間存在與清扭矩階段相同的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，沖擊度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩變化率成正比關(guān)系。因此，在掛擋完成后，根據(jù)駕駛意圖確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)扭矩，按照滿足沖擊度要求的最大驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩變化率逐漸恢復(fù)到目標(biāo)扭矩。

4 電驅(qū)動(dòng)橋換擋品質(zhì)控制策略仿真

4.1 電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)AMESim模型

為對(duì)控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，本文基于多學(xué)科仿真軟件AMESim建立電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)及車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖6所示。采用模塊化設(shè)計(jì)，包括整車模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、齒輪傳動(dòng)模塊、同步器模塊、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，各模塊的主要參數(shù)如表1所示。通過(guò)在AMESim模型中加入Simulink接口模塊，其輸出接口代替AMESim模型中的控制信號(hào)端口，其輸入接口連接到AMESim模型的傳感器信號(hào)端口，從而構(gòu)成AMESim與Simulink聯(lián)合仿真閉環(huán)模型[12]。

圖6 電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)AMESim模型

表1 仿真模型主要參數(shù)

4.2 控制策略仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的換擋品質(zhì)控制策略的有效性，基于搭建的聯(lián)合仿真模型進(jìn)行升、降擋仿真測(cè)試。為了更明確地體現(xiàn)控制策略的改善效果，以現(xiàn)有換擋控制策略（如文獻(xiàn)[13]中的策略）為基礎(chǔ)，選取摘擋完成后空擋位置開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)調(diào)速、換擋電機(jī)單段閉環(huán)控制的控制方法作為對(duì)照組。

4.2.1 升擋過(guò)程仿真

升擋過(guò)程仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7中，擋位狀態(tài)0、1、2、3分別代表空擋、1擋、2擋以及換擋過(guò)程中，電機(jī)控制模式1、2、3分別代表轉(zhuǎn)矩模式、轉(zhuǎn)速模式和自由轉(zhuǎn)模式。由圖7可知，升擋過(guò)程依次經(jīng)過(guò)1擋、空擋、2擋，驅(qū)動(dòng)電機(jī)依次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩模式、轉(zhuǎn)速模式、自由轉(zhuǎn)模式，最后恢復(fù)到轉(zhuǎn)矩模式。同時(shí)，升擋過(guò)程中，由于存在動(dòng)力中斷，車速會(huì)出現(xiàn)小幅度下降。對(duì)照組中，同步器到達(dá)空擋位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始調(diào)速，而本文提出的方法在摘擋過(guò)程中同步器到達(dá)空擋前，驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入調(diào)速模式，通過(guò)重疊同步調(diào)速，縮短了換擋時(shí)間。本文提出的換擋品質(zhì)控制策略和對(duì)照組控制策略的升擋時(shí)間分別為0.337 s和0.413 s，升擋過(guò)程中的最大沖擊度分別為4.70 m/s3和4.98 m/s3。與對(duì)照組相比，提出的控制策略升擋時(shí)間縮短18.4%，最大沖擊度降低5.6%。

4.2.2 降擋過(guò)程仿真

降擋過(guò)程仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，降擋過(guò)程依次經(jīng)過(guò)2擋、空擋、1擋，本文提出的控制策略和對(duì)照組控制策略降擋時(shí)間分別為0.387 s和0.427 s，降擋過(guò)程中的最大沖擊度分別為5.43 m/s3和6.48 m/s3。與對(duì)照組相比，提出的控制策略降擋時(shí)間縮短9.4%，最大沖擊度降低16.2%。

圖7 升擋過(guò)程仿真結(jié)果

圖8 降擋過(guò)程仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種同軸兩擋電驅(qū)動(dòng)橋的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，在對(duì)其換擋過(guò)程和影響換擋品質(zhì)的因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了改善換擋品質(zhì)的控制策略。利用AMESim搭建了電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的換擋仿真模型，并與Simulink聯(lián)合仿真對(duì)換擋控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的換擋品質(zhì)控制策略與對(duì)照組控制策略相比，升、降擋時(shí)間和最大沖擊度均有較大幅度下降，換擋品質(zhì)得到有效改善。