基于malab的混合電動汽車換擋過程控制研究

基于malab的混合電動汽車換擋過程控制研究

液力變矩器和自適應的點波器設計高效、易操作的網(wǎng)絡系統(tǒng)對混合動力車輛的經(jīng)濟和使用方便性有重要影響。典型的自動換能器包括自動液位換能器、自動機械換能器、自動星輪換能器等。液力自動變速器因使用液力變矩器作為傳動和緩沖裝置,故其傳動效率不高;機械式自動變速器雖然傳動效率高,但要實現(xiàn)無沖擊換擋卻很難。本文中采用的行星齒輪機械式自動變速器(planetarygearingautomaticmechanicaltransmission,PGAMT)是通過去除傳統(tǒng)液力自動變速器中傳動效率較低的液力變矩器,保留其它自動換擋裝置而形成的,它兼?zhèn)湫行驱X輪變速器的換擋方便性和傳統(tǒng)手動變速器的高傳動效率。文中提出了運用混合動力系統(tǒng)中的電機輔助調速,實現(xiàn)該變速器的自動換擋,并對其換擋控制策略進行了研究。1動力傳動路線1.1機械元件工作過程自動變速器傳動變速機構是辛普森Ⅱ行星齒輪系,以1擋為例,其動力傳動路線見圖1中粗實線。變速器輸入端為1軸,輸出為齒輪PP。變速器通過制動器(F1,F2,F3)和離合器(El,E2)控制行星輪組中構件的運動形態(tài)獲取4個前進擋和一個倒擋。變速機構擋位與制動器和離合器關系見表1。2含單向分離器所采用的行星齒輪變速器只包含行星齒輪的機械部分。由于該變速器中不含單向離合器,所以換擋過程屬于從一組離合器分離到另一組離合器結合的過程。因為行星輪系變速器中各旋轉元件的慣量與變速器的輸入慣量和整車的慣量相比相對較小,故建模時未考慮變速器中各旋轉元件的慣量。2.1s1s1忽略齒間的嚙合間隙和摩擦力,穩(wěn)態(tài)行星輪系的各個輸入輸出轉矩和轉速的關系最后表示成如下形式:(ωs2ωr2)=A(ωs1ωc2),(Τs1Τc2)=-AΤ(Τs2Τr2)(1)(ωs1ωs2)=B(ωr2ωc2),(Τr2Τc2)=-BΤ(Τs1Τs2)(2)(ωr2ωs1)=C(ωs2ωc2),(Τs2Τc2)=-CΤ(Τr2Τs1)(3)(ωr2ωc2)=D(ωs1ωs2),(Τs1Τs2)=-DΤ(Τr2Τc2)(4)(ωs1ωc2)=E(ωr2ωs2),(Τr2Τs2)=-EΤ(Τs1Τc2)(5)(ωs1ωc2)=F(ωr2ωs1),(Τr2Τs1)=-FΤ(Τs2Τc2)(6)其中,A=1Rs2[-Rs1Rr21-Rr1Rr2Rs1Rs2Rr1Rs2](7)B=1Rs1Rs2[Rs2-Rr1Rs2-Rs1Rr2Rs1](8)C=1Rs1Rr2[-Rs1Rs2-Rr1Rs2-Rs21-Rr1Rr2](9)D=11-Rr1Rr2[Rs1-Rr1Rs2Rs1Rr2Rs2](10)E=1Rs1[1-Rr1Rr2-Rr1Rs2Rs1Rr2Rs1Rs2](11)F=1Rr1Rs2[1-Rr1Rr21-Rr1Rr2Rs2-Rs1Rs2](12){Rs1=Νs1/(Νs1+Νr1)Rr1=Νr1/(Νr1+Νs1)Rs2=Νs2/(Νs2+Νr2)Rr2=Νr2/(Νr2+Νs2)(13)式中:T為轉矩;ω為角速度;第一下標,s表示太陽輪,r表示齒圈,c表示行星架;第二下標,1表示第1組行星輪,即輸入行星齒輪組,2表示第2組行星齒輪組,即輸出行星齒輪組;N表示其下標對應齒輪的齒數(shù)。2.2滑動角速度值公式對于片式離合器和制動器,轉矩方程為TC=Pμ(ωC)ACrCsgn(ωC)(14)對于帶式制動器,轉矩方程為TB=PABrB(eμ(ωB)θB-1)sgn(ωB)(15)摩擦因數(shù)為μ(ω)={0.1545ω=00.0631+0.0504e-0.033|ω|ω≠0(16)式中:ω為滑動角速度;P為離合器或制動器驅動活塞壓力;AC、AB分別為離合器片和制動帶活塞面積;rC、rB分別為離合器片和制動帶的有效半徑;θB表示制動帶的包角;sgn(ωC)、sgn(ωB)分別為離合器和制動帶滑轉速度的符號。摩擦零件的滑轉率方程為{ωF1=ωs1ωF2=ωr2ωF3=ωs2ωE1=ωin-ωs1ωE2=ωin-ωr2(17)結合車輛模型和發(fā)動機模型,最后使用MATLAB/Simulink建立的變速器換擋過程仿真模型的總體結構如圖2所示。3發(fā)動機輸出轉速控制PGAMT的換擋過程與帶有液力變矩器的AT既有共同點,也有不同點。傳統(tǒng)的AT中由于使用了液力變矩器,使發(fā)動機和變速器的輸入軸變成液力連接。這樣,發(fā)動機和變速器一軸的轉速可以不同步,在低擋換入高擋的慣性相,發(fā)動機給變速器施加正向的轉矩,產(chǎn)生一個正向的轉矩沖擊。一般通過減小發(fā)動機點火提前角來減小發(fā)動機的輸出轉矩。對于PGAMT,它與傳統(tǒng)AT的主要區(qū)別在于,動力源與變速器一軸的連接為直接連接,如圖3所示。使用PGAMT可帶來以下優(yōu)勢:(1)可以利用電機作為轉矩和轉速調節(jié)的執(zhí)行器,有助于換擋過程中主動與從動元件的同步,使變速器在無液力變矩器的情況下實現(xiàn)平穩(wěn)換擋;(2)行星齒輪機械變速器在換擋過程中只有離合器和制動器的控制,不存在齒輪的嚙合問題,換擋控制較一般機械自動變速器更容易實現(xiàn),并可利用現(xiàn)有的液力自動變速器的電液換擋控制裝置進行換擋過程的控制。PGAMT的傳動效率比液力變矩器高,但控制方式必須做出修改。因為動力源與變速器一軸接近剛性連接,這樣在換擋的慣性相,變速器輸入軸的轉速更難自然下降,不進行有效控制將會帶來比傳統(tǒng)AT更大的沖擊。而圖3中的電機則成為變速器輸入軸轉速和轉矩調節(jié)的非常有力的工具。PGAMT的換擋過程協(xié)調控制過程主要包括兩部分:(1)對變速器的換擋油壓和換擋執(zhí)行電磁閥的控制;(2)對發(fā)動機和電機的轉矩與轉速協(xié)調控制。下面以升擋過程為例進行說明。(1)換擋控制時序離合器油壓的控制是換擋過程中實現(xiàn)當前擋位離合器平穩(wěn)過渡到目標擋位離合器的關鍵環(huán)節(jié),主要分為以下幾個階段:①初始化,當控制系統(tǒng)檢測到期望擋位與當前擋位不相等時,此步驟激活,用于初始化換擋需要的變量;②變速器各個壓力元件進入預充油狀態(tài),為下一階段的控制壓力升高做好準備,這個階段持續(xù)一個預設的時間段;③進入換擋的轉矩相,目標擋位的離合器壓力按一定的速率增加到換擋的初始壓力,壓力的增加速率通過斜坡函數(shù)控制,當目標擋位離合器的傳遞轉矩達到進入當前擋位離合器放松階段的臨界值或經(jīng)過一個預設的時間后,這一階段隨即結束;④進入換擋過程的慣性相,當前擋位離合器完全放開,目標擋位離合器進一步結合,結合的控制油壓應先高后低,以減少結合末期的沖擊;⑤當離合器滑轉率低于某一設定值時,控制離合器的執(zhí)行油壓上升到最終值來鎖定離合器,換擋過程結束,動力系統(tǒng)工作在目標擋位。以上5個階段可以表示成圖4的形式。對于本文中所用的變速器,其換擋離合器或制動器的執(zhí)行油壓調節(jié)通過主油壓控制來實現(xiàn),各個離合器的油壓不能進行單獨控制。因此當前擋位離合器和目標擋位離合器的油壓配合關系通過液壓系統(tǒng)換擋控制順序閥的開啟時序和油路的結構設計來實現(xiàn)。在仿真中,為了簡化系統(tǒng)模型,當前擋位離合器和目標擋位離合器的油壓控制按照單獨控制進行,兩者的配合關系可以調節(jié)。(2)電機的發(fā)電阻力轉速控制對應于上述的換擋過程的5個階段實施電機和發(fā)動機的轉矩與轉速控制。在第③階段,如果動力系統(tǒng)工作在純發(fā)動機驅動狀態(tài),就增加電機的發(fā)電阻力轉矩,如果工作在混合驅動狀態(tài),則先降低電機驅動轉矩,必要時降低發(fā)動機轉速,或使電機轉入發(fā)電狀態(tài)。在第④階段的恰當時刻,進一步降低變速器的輸入轉矩到期望的水平,并根據(jù)當前的車速和目標擋位的傳動比,運用電機調節(jié)變速器的輸入轉速到期望值。其中轉矩的調節(jié)可以運用事先設定的形狀函數(shù)進行控制。第⑤階段換擋結束時,恢復變速器的輸入轉矩到駕駛員當前的期望值。4模擬對滑動齒輪機械自動換擋過程的模擬4.1電機換擋時電機轉速的特性對于升擋過程控制的仿真,以1擋升到2擋的過程為例說明。其它擋位的升擋過程類似。圖1中的離合器E1分離,E2結合,兩個離合器油壓控制的起始變化和趨勢如圖5所示。換擋過程的5個階段與換擋過程中油壓的變化相對應,其中的標號①~⑤與圖4中的標號相同。仿真采用定步長改進的歐拉算法,仿真步長為0.01s。圖6為換擋前后發(fā)動機由3000r·min-1變?yōu)?650r·min-1的轉速變化。圖7為有無電機調速控制時變速器輸出轉矩的比較。其中的實線是無電機進行換擋過程的調速控制,使用離合器油壓按照預定的曲線變化進行開環(huán)控制,通過降低發(fā)動機輸出轉矩來改變變速器的轉矩輸出。由于是開環(huán)控制方式,即使采用了降低發(fā)動機轉矩的辦法,變速器的輸出轉矩的波動仍然比較大,換擋期間最大轉矩為598N·m,最小轉矩為461N·m,變化幅度為137N·m。圖7中的虛線部分是采用了電機調速閉環(huán)控制策略后變速器輸出轉矩的變化情況,可以看出采用電機調速閉環(huán)控制后,換擋期間變速器輸出轉矩最大為551N·m,最小為512N·m,變化幅度為39N·m,較無電機調速的變化幅度減小98N·m,減小了71.5%。圖8為采用電機輔助調速閉環(huán)控制進行換擋時,變速器輸入轉矩的變化情況。圖9為換擋過程中電機轉矩的變化情況。兩圖轉矩變化相加的結果是發(fā)動機的轉矩,由于電機在換擋時工作于發(fā)電狀態(tài),吸收了部分發(fā)動機轉矩,從而使變速器輸入轉矩下降,為換擋創(chuàng)造了條件,而發(fā)動機轉矩在換擋過程中基本保持不變。4.2電機轉速、轉速開環(huán)控制以4擋降到3擋為例,降擋過程中汽車處于滑行且用電機進行再生制動,這是混合動力汽車所特有的。仿真結果如圖10~圖12所示。圖10為換擋前后變速器輸入轉速的變化。圖11為降擋過程中電機轉矩的變化。圖12中實線為有電機輔助調速閉環(huán)控制的結果,變化范圍是-226~-178N·m,變化幅度48N·m;虛線為只有換擋離合器油壓開環(huán)控制的結果,其變化范圍是-255~-159N·m,變化幅度96N·m,變化幅度較調速閉環(huán)控制高1倍。可以看出采用電機輔助調速閉環(huán)控制能夠有效降低變速器輸出軸在換擋過程中的轉矩波動。5自動轉速傳動利用并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的電機作為控制的執(zhí)行器,通過電機輔助調速閉環(huán)控制進行行