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(yīng)的點(diǎn)波器設(shè)計(jì)高效、易操作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對混合動力車輛的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)械式自動變速器雖然傳動效率高,但要實(shí)現(xiàn)無沖擊換擋卻很難。本文中采用的行星齒輪機(jī)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(yùn)用混合動力系統(tǒng)中的電機(jī)輔助調(diào)速,實(shí)現(xiàn)該變速器的自動換擋,并對其換擋控制策略進(jìn)行了研究。1動力傳動路線1.1機(jī)械元件工作過程自動變速器傳動變速機(jī)構(gòu)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(shí)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(gòu)件的運(yùn)動形態(tài)獲取4個前進(jìn)擋和一個倒擋。變速機(jī)構(gòu)擋位與制動器和離合器關(guān)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(jī)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(jié)合的過程。因?yàn)樾行禽喯底兯倨髦懈餍D(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)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(zhuǎn)矩;ω為角速度;第一下標(biāo),s表示太陽輪,r表示齒圈,c表示行星架;第二下標(biāo),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(biāo)對應(yīng)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(zhuǎn)矩方程為TC=Pμ(ωC)ACrCsgn(ωC)(14)對于帶式制動器,轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)速度的符號。摩擦零件的滑轉(zhuǎn)率方程為{ωF1=ωs1ωF2=ωr2ωF3=ωs2ωE1=ωin-ωs1ωE2=ωin-ωr2(17)結(jié)合車輛模型和發(fā)動機(jī)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(jié)構(gòu)如圖2所示。3發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速控制PGAMT的換擋過程與帶有液力變矩器的AT既有共同點(diǎn),也有不同點(diǎn)。傳統(tǒng)的AT中由于使用了液力變矩器,使發(fā)動機(jī)和變速器的輸入軸變成液力連接。這樣,發(fā)動機(jī)和變速器一軸的轉(zhuǎn)速可以不同步,在低擋換入高擋的慣性相,發(fā)動機(jī)給變速器施加正向的轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生一個正向的轉(zhuǎn)矩沖擊。一般通過減小發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角來減小發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(jī)作為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋;(2)行星齒輪機(jī)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(jī)械自動變速器更容易實(shí)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(jìn)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?yàn)閯恿υ磁c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(zhuǎn)速更難自然下降,不進(jìn)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(jī)則成為變速器輸入軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的非常有力的工具。PGAMT的換擋過程協(xié)調(diào)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(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制。下面以升擋過程為例進(jìn)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(shí)現(xiàn)當(dāng)前擋位離合器平穩(wěn)過渡到目標(biāo)擋位離合器的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要分為以下幾個階段:①初始化,當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到期望擋位與當(dāng)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(jìn)入預(yù)充油狀態(tài),為下一階段的控制壓力升高做好準(zhǔn)備,這個階段持續(xù)一個預(yù)設(shè)的時間段;③進(jìn)入換擋的轉(zhuǎn)矩相,目標(biāo)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(dāng)目標(biāo)擋位離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩達(dá)到進(jìn)入當(dāng)前擋位離合器放松階段的臨界值或經(jīng)過一個預(yù)設(shè)的時間后,這一階段隨即結(jié)束;④進(jìn)入換擋過程的慣性相,當(dāng)前擋位離合器完全放開,目標(biāo)擋位離合器進(jìn)一步結(jié)合,結(jié)合的控制油壓應(yīng)先高后低,以減少結(jié)合末期的沖擊;⑤當(dāng)離合器滑轉(zhuǎn)率低于某一設(shè)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(jié)束,動力系統(tǒng)工作在目標(biāo)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(diào)節(jié)通過主油壓控制來實(shí)現(xiàn),各個離合器的油壓不能進(jìn)行單獨(dú)控制。因此當(dāng)前擋位離合器和目標(biāo)擋位離合器的油壓配合關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在仿真中,為了簡化系統(tǒng)模型,當(dāng)前擋位離合器和目標(biāo)擋位離合器的油壓控制按照單獨(dú)控制進(jìn)行,兩者的配合關(guān)系可以調(diào)節(jié)。(2)電機(jī)的發(fā)電阻力轉(zhuǎn)速控制對應(yīng)于上述的換擋過程的5個階段實(shí)施電機(jī)和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。在第③階段,如果動力系統(tǒng)工作在純發(fā)動機(jī)驅(qū)動狀態(tài),就增加電機(jī)的發(fā)電阻力轉(zhuǎn)矩,如果工作在混合驅(qū)動狀態(tài),則先降低電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,必要時降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,或使電機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)。在第④階段的恰當(dāng)時刻,進(jìn)一步降低變速器的輸入轉(zhuǎn)矩到期望的水平,并根據(jù)當(dāng)前的車速和目標(biāo)擋位的傳動比,運(yùn)用電機(jī)調(diào)節(jié)變速器的輸入轉(zhuǎn)速到期望值。其中轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)可以運(yùn)用事先設(shè)定的形狀函數(shù)進(jìn)行控制。第⑤階段換擋結(jié)束時,恢復(fù)變速器的輸入轉(zhuǎn)矩到駕駛員當(dāng)前的期望值。4模擬對滑動齒輪機(jī)械自動換擋過程的模擬4.1電機(jī)換擋時電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng),其中的標(biāo)號①~⑤與圖4中的標(biāo)號相同。仿真采用定步長改進(jìn)的歐拉算法,仿真步長為0.01s。圖6為換擋前后發(fā)動機(jī)由3000r·min-1變?yōu)?650r·min-1的轉(zhuǎn)速變化。圖7為有無電機(jī)調(diào)速控制時變速器輸出轉(zhuǎn)矩的比較。其中的實(shí)線是無電機(jī)進(jìn)行換擋過程的調(diào)速控制,使用離合器油壓按照預(yù)定的曲線變化進(jìn)行開環(huán)控制,通過降低發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來改變變速器的轉(zhuǎn)矩輸出。由于是開環(huán)控制方式,即使采用了降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的辦法,變速器的輸出轉(zhuǎn)矩的波動仍然比較大,換擋期間最大轉(zhuǎn)矩為598N·m,最小轉(zhuǎn)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(jī)調(diào)速閉環(huán)控制策略后變速器輸出轉(zhuǎn)矩的變化情況,可以看出采用電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制后,換擋期間變速器輸出轉(zhuǎn)矩最大為551N·m,最小為512N·m,變化幅度為39N·m,較無電機(jī)調(diào)速的變化幅度減小98N·m,減小了71.5%。圖8為采用電機(jī)輔助調(diào)速閉環(huán)控制進(jìn)行換擋時,變速器輸入轉(zhuǎn)矩的變化情況。圖9為換擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化情況。兩圖轉(zhuǎn)矩變化相加的結(jié)果是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩,由于電機(jī)在換擋時工作于發(fā)電狀態(tài),吸收了部分發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩,從而使變速器輸入轉(zhuǎn)矩下降,為換擋創(chuàng)造了條件,而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩在換擋過程中基本保持不變。4.2電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行再生制動,這是混合動力汽車所特有的。仿真結(jié)果如圖10~圖12所示。圖10為換擋前后變速器輸入轉(zhuǎn)速的變化。圖11為降擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化。圖12中實(shí)線為有電機(jī)輔助調(diào)速閉環(huán)控制的結(jié)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(jié)果,其變化范圍是-255~-159N·m,變化幅度96N·m,變化幅度較調(diào)速閉環(huán)控制高1倍?？梢钥闯霾捎秒姍C(jī)輔助調(diào)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(zhuǎn)矩波動。5自動轉(zhuǎn)速傳動利用并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的電機(jī)作為控制的執(zhí)行器,通過電機(jī)輔助調(diào)速閉環(huán)控制進(jìn)行行