一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，包括以下步骤：步骤1：确保电机主动同步，根据位移传感器的位移值确定结合套的位置；步骤2：变速器控制器发送目标转矩Tt给电机控制器；步骤3：电机控制器控制电机响应目标转矩Tt；步骤4：根据进挡过程失败原因制定电机转矩控制模式切换逻辑，并确定电机输出转矩Tm；步骤5：将电机转矩通过周期调控调至Tm，利用电机输出转矩Tm辅助结合套来拨动同步环实现成功进挡。该方法为装备AMT的并联混合动力车辆不分离离合器换挡过程控制中进挡失败提供了方法，提高了转速同步后进挡过程的成功率。
【专利说明】
一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及并联混合动力车辆换挡控制技术领域，尤其涉及一种应用于进挡过程 的电机转矩协调控制方法。
【背景技术】
[0002] 混合动力车辆需要先进的传动装置进行动力传递，自动机械式变速器(AMT)具有 体积小、效率高、成本低、结构简单和维修方便等优点，是目前国内外广泛应用于混合动力 车辆的良好传动型式之一。
[0003] 换挡过程控制是提高装备AMT的混合动力系统换挡品质的关键技术，很多学者、研 究人员都对混合动力系统换挡过程进行了研究。但是相关研究主要集中在换挡过程电机主 动转速同步上，而对于转速同步之后的进挡过程则少有涉及。进挡过程是指变速器输入轴 与输出轴转速同步并且目标挡位的选位位置到位以后，AMT控制换挡执行机构推动结合套 进入目标挡位的过程。换挡过程中，当转速差小于一定值时开始进挡过程。传统车辆换挡采 用分离离合器方式，进挡过程快速平稳。然而，装备AMT的并联混合动力车辆多采用不分离 离合器换挡技术，无论在进挡过程中电机保持转速模式还是切换至自由模式，转速同步后 都会出现进挡失败的现象。
[0004] 进挡过程中采用电机自由控制的换挡过程如图8-1所示，电机主动同步后从转速 模式切换至自由模式，输出力矩为零。此时有不等式Td多kT 2,因此，当结合套和同步环处于 图3位置时进低挡困难。
[0005] 进挡过程中采用电机转速控制的换挡过程如图8-2所示，电机主动同步后保持转 速控制模式。TCU(变速器控制器)发送目标转速至MCU(电机控制器），MCU(电机控制器)输出 一定力矩跟踪目标转速。由于传动系统的转速波动和CAN(控制器局域网络）总线信号传输 延迟，导致电机的转速跟踪效果总是滞后于目标转速信号。由于电机实际转速和目标转速 的偏差，使得电机控制器输出力矩，此力矩是未知且不可控的，会阻碍进挡过程。
[0006] 综上，有必要对装配AMT的并联混合动力车辆的进挡过程进行研究。并提出一种应 用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，以利用目标转矩辅助结合套拨转同步环实现进 挡。
【发明内容】
[0007] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方 法，用以解决现有装备AMT的并联混合动力车辆在转速同步后的进挡过程中结合套与同步 环出现锁止，导致进挡失败的问题，从而提高并联混合动力车辆不分离离合器进挡过程的 成功率。
[0008] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的:本发明提供一种应用于进挡过程 的电机转矩协调控制方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1:确保电机主动同步，根据位移传感器的位移值确定结合套的位置；
[0010] 步骤2:变速器控制器发送目标转矩Tt给电机控制器；
[0011] 步骤3:电机控制器控制电机响应目标转矩Tt;
[0012] 步骤4:根据进挡过程失败原因制定电机转矩控制模式切换逻辑，并确定电机输出 转矩Tm;
[0013] 步骤5:将电机转矩通过周期调控调至1"，利用电机转矩1?辅助结合套来拨动同步 环实现成功进挡。
[0014] 进一步地，步骤5所述实现成功进挡为:所述位移传感器的位移值发生变化。
[00?5]进一步地，步骤1所述电机主动同步为:输入轴当前转速与目标转速差小于20rpm。
[0016] 进一步地，步骤5所述周期调控过程为：
[0017]
[0018]其中，Tm为电机输出转矩，k为等效惯量比，ΤΑ路面阻力矩，Td为拨环力矩，N为电 机切换为转矩控制模式后的控制周期计数值，AT为电机最小变化值，"为变速器速比， 为进档时刻啮合齿轮转速，为进档时刻结合套转速9初始电机 转矩。
[0019] 进一步地，步骤4所述电机转矩控制模式切换逻辑，包括以下步骤：
[0020] 步骤41:判断啮合齿轮转速如f与结合套转速否满足;
[0021] 步骤42:若满足ω? < ω|，则继续判断是否同时满足电机为转速模式，目标挡位为 高挡，且|1'1|>卜(1|;若满足则电机切换为转矩模式，控制1' 1 = -〇(1+1^2)/(1-1〇，1?=1'1，然后 结束;若不同时满足电机为转速模式，目标挡位为高挡，且I h | > | Td |，则结束；
[0022] 步骤43:若不满足< ω|，则继续判断是否满足目标挡位为低挡;若满足，则电 机切换为转矩模式，控制电机转矩为Ti = (Td-kT2)/( Ι-k)，1?=!^，然后结束;若不满足，则继 续判断是否同时满足电机为转速模式，且ITi |> |Td|;
[0023] 步骤44:若同时满足电机为转速模式，且I Ti I > I Td I，则电机切换为转矩模式，控制 电机转矩为Ti = (Td-kT2) /(1 -k)，Tm= ?\，然后结束;若不同时满足，则结束。
[0024] 其中，为进挡时刻啮合齿轮转速，ω!为进档时刻结合套转速，Ti为输入轴力矩 等效到结合齿轮上的等效力矩，Td为拨环力矩，1?为电机输出转矩，其中k为等效惯量比，T 2 为路面阻力矩。
[0025] 本发明有益效果如下：
[0026] 为装备ΑΜΤ的并联混合动力车辆不分离离合器换挡过程控制中进挡失败提供了方 法，提高了转速同步后进挡过程的成功率。分析进挡过程结合套与同步环的位置关系，并且 根据动力学和运动学分析，推导出一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，控制换 挡执行机构推动结合套进入目标挡位，使进挡过程快速平稳。
[0027] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明 书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0028] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图 中，相同的参考符号表不相同的部件。
[0029] 图1是进挡过程电机转矩协调控制方法流程图；
[0030] 图2是同步器啮合过程不同阶段示意图；依据箭头依次为第一次自由运动-同步 起始阶段-同步阶段-拨转同步环阶段-第二次自由运动-二次冲击阶段-拨转啮合齿 轮阶段-最终自由运动；
[0031] 图3-1是当啮合齿轮转速大于结合套转速ω〗时，进档时刻结合套与同步环位置 关系图；
[0032] 图3-2是当啮合齿轮转速大于结合套转速ω如寸，拨转同步环时刻结合套与同 步环位置关系图；
[0033] 图4-1是当啮合齿轮转速小于结合套转速ω|时，进档时刻结合套与同步环位置 关系图；
[0034] 图4-2是当啮合齿轮转速小于结合套转速时，拨转同步环时刻结合套与同 步环位置关系图
[0035] 图5是当啮合齿轮转速大于结合套转速ωρ寸，传动系统当量动力学模型图；
[0036] 图6是当啮合齿轮转速小于结合套转速时，传动系统当量动力学模型图； [0037 ] 图7是当0>ai>ci2时进挡失败不意图；
[0038] 图8-1是基于与电机自由控制的换挡流程示意图；
[0039] 图8-2是基于与电机转速控制的换挡流程示意图；
[0040] 图8-3是基于与电机转矩控制的换挡流程示意图；
[0041 ]图9是电机转矩控制示意图；
[0042] 图10是电机转矩控制模式切换逻辑示意图；
[0043] 其中为进挡时刻啮合齿轮转速，为进档时刻结合套转速，为进档时刻同 步环转速，F为换挡力，Tf为摩擦力矩，Td为拨环力矩;1为发动机、电机和离合器惯量当量到 啮合齿轮的转动惯量，J2为整车惯量当量到结合套的转动惯量，Jd为整车惯量当量到同步环 的转动惯量，T、为拨环力矩Td作用到同步环上的反作用力，!^为输入轴力矩等效到结合齿 轮上的等效力矩，T 2s路面阻力矩，d为同步环凸起部，e为花键毂通槽，W1为任意时刻的啮合 齿轮转速，ω 2为任意时刻结合套转速，α为摩擦锥面角的一半，Θ为锁止角的一半，αι为同步 环角减速度，α2为结合套角减速度，af为进档时刻同步环减速度，(1/为进档时刻结合套减速 度，ω in为输入轴转速，ω in_des为目标转速。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并 与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
[0045] 换挡过程中的同步器的啮合过程分为八个步骤，如图2所示，其中同步阶段及以前 的过程为同步过程，拨转同步环阶段及以后的阶段属于进挡过程，进挡失败现象首先出现 在拨转同步环阶段，
[0046] 本实施例以混合动力车辆为例进行描述在进挡过程中拨转同步转阶段的的电机 转矩协调控制方法。该方法的流程图如图1所示，
[0047] 步骤1:确保电机主动同步，根据位移传感器的位移值确定结合套的位置；
[0048] 步骤2:变速器控制器发送目标转矩Tt给电机控制器；
[0049] 步骤3:电机控制器控制电机响应目标转矩Tt;
[0050] 步骤4:根据进挡过程失败原因制定电机转矩控制模式切换逻辑，并确定电机转矩 Tm；
[0051] 步骤5:将电机转矩通过周期调控调至1"，利用电机转矩1?辅助结合套来拨动同步 环实现成功进挡。
[0052]输入轴当前转速和目标转速差为Aw<20rpm时同步器开始进挡过程，如图3和图4 所示。当啮合齿轮转速大于结合套转速ωΡ寸，在进挡时刻，如图3-1所示，啮合齿轮通过 摩擦作用带动同步环相对于结合套超前转过一个角度，直至同步环下锥面与通槽上锥面接 触，如图3-2所示，此时，结合套齿与同步环齿错开半个齿厚不能啮合。通过换挡力F，对结合 套施加拨环力矩Td，试图使同步环向后退转。但是由于啮合齿轮对同步轮施加的摩擦力矩T f 会阻止同步环向后退换，并且在同步器设计时，保证转速同步前Tf>Td，所以拨转同步环阶段 结合套与同步环保持图3-2的锁止关系。当啮合齿轮转速小于于结合套转速cop寸，如图 4-1所示，啮合齿轮通过摩擦作用带动同步环相对于结合套落后一个角度，直至同步环上锥 面与通槽下锥面接触，如图4-2所示，此时，结合套齿与同步环齿错开半个齿厚不能啮合。通 过换挡力F，对结合套施加拨环力矩Td，试图使同步环向前转动。但是由于啮合齿轮对同步 轮施加的摩擦力矩T f会阻止同步环向后退换，并且在同步器设计时，保证转速同步前Tf>Td， 所以拨转同步环阶段结合套与同步环保持图4-2的锁止关系
[0053]由于车辆的动力传动系统可以认为是一个多刚体系统，建模时忽略阻尼和弹性环 节，以集中质量表示。忽略轴和齿轮惯量，将传动系模型输入轴等效到同步器主动端，将输 出端等效到同步器从动端，可以得到图5和图6所示传动系统当量动力学模型。对进挡时刻 ，进入拨转同步环阶段形成图5位置，此时啮合齿轮与同步环锁止，结合套需要 带动同步环和啮合齿轮一起旋转半个齿宽。忽略Jd，根据拨转同步环阶段动力学方程，令换 挡力F不变，那么Td不变，进挡时间很短，假设^呆持不变。而且在图5的位置，拨转同步环运 动学条件是：
[0054] 1)同步环角减速度<^大于结合套角减速度α2;
[0055] 2)结合套相对于同步环转动半个齿厚。可用式(2)、（3)表示如下：
[0056] I αι I > I a·? I 日 0>α9>αι (9.)
[0057]
(3)
[0058] 由式(2)结合拨转同步环阶段动力学方程得拨环力矩Td必须满足：
[0059]
(4)
[0060] 令 1^ = 1/(1+J2)，其 4
式⑷等 效于：
[0061] Td^kT2+(l-k)Ti (5)
[0062] 当满足条件(2)后，由式(3)，并对拨转同步环阶段动力学方程进行积分，得拨转时 间为：
[0063]
(6)
[0064] 其中，心为发动机、电机和离合器惯量当量到啮合齿轮的转动惯量，J2为整车惯量 当量到结合套的转动惯量，1为发动机惯量，J m为电机惯量，为离合器从动盘惯量，ig为变 速器速比，i。为主减速器速比，Ti为输入轴力矩等效到结合齿轮上的等效力矩，Td为拨环力 矩，其中k为等效惯量比，Τ 2*路面阻力矩，t。为拨转时间，h为齿厚，R为结合套内花键和锁环 花键的分度圆半径。
[0065] 从式(5)可以看出拨转同步环条件与等效惯量比k密切相关。对于传统车辆换挡过 程，由于采用分离离合器换挡方式，k~0且1' 1 = 0,故不等式（5)成立。对于并联混合动力车 辆，采用了不分离离合器换挡技术，由于发动机和电机的惯量增加了输入轴惯量，是传统车 辆的24.5倍。传统车辆和本试验对象换挡过程中k值的对比如表1所示。
[0066] 表1为传统车辆和本试验对象换挡过程中k值的对比
[0067]
[0068] 不等式(5)在低挡和爬坡时将无法成立，这时拨转同步环失败(低挡指1、2、3挡，高 挡指4、5挡）。从式(6)可以看出，换挡时k值增加也会延长进挡时间。若0> αι>α2，拨转同步环 失败，结合套与同步环将保持同步转动，如图7示意图所示。并联混合动力车辆换挡时输入 轴惯量增加是导致转速同步后进挡困难甚至失败的根本原因。
[0069] 若进挡时刻wf < Wf，如图6所示，拨转同步环阶段结合套与同步环的相对位置 关系如图6所示，得拨环力矩Td须满足
[0070] Td^-kT2-(l-k)Ti (7)
[0071] 得拨转时间为：
[0072]
(8)
[0073] 在传统车辆换挡中，不等式(7)成立。在并联混合动力车辆中，若进挡时电机采用 自由模式，不等式(7)成立;若电机采用转速模式调速，转速跟踪控制的精度和动态响应滞 后会引起电机转矩方向和大小不断变化，挂高挡时可能使式(7)不成立，拨转同步环失败。
[0074] 进1挡、3挡和5挡的时候时结合套向左结合，其他与进2、4挡时情况相同。
[0075] 电机转矩控制示意图如图9所示，根据位移传感器值确定结合套位置，TCU控制器 发送目标转矩Tt给电机控制器，电机控制器控制电机相应目标转矩，根据换挡过程失败原 因制定电机转矩控制模式切换逻辑确定电机输出转矩Im，如图10所示的电机转矩控制模式 切换逻辑示意图，优选地，步骤4所述电机转矩控制模式切换逻辑，包括以下步骤：
[0076] 步骤41:判断啮合齿轮转速&)|与结合套转速#1是否满足
[0077] 步骤42:若满足ω? < ω|，则继续判断是否同时满足电机为转速模式，目标挡位为 高挡，且|1'1|>卜(1|;若满足则电机切换为转矩模式，控制1' 1 = -〇(1+1^2)/(1-10，1?=1'1，然后 结束;若不同时满足电机为转速模式，目标挡位为高挡，且I Ti | > | Td |，则结束；
[0078] 步骤43:若不满足< ω25,则继续判断是否满足目标挡位为低挡;若满足，则电 机切换为转矩模式，控制电机转矩为Ti = (Td-kT2)/( Ι-k)，1?=!^，然后结束;若不满足，则继 续判断是否同时满足电机为转速模式，且ITi |> |Td|;
[0079] 步骤44:若同时满足电机为转速模式，且I Ti I > I Td I，则电机切换为转矩模式，控制 电机转矩为Ti = (Td-kT2) /(1 -k)，Tm= ?\，然后结束;若不同时满足，则结束。
[0080] 其中，为进挡时刻啮合齿轮转速，为进档时刻结合套转速，Ti为输入轴力矩 等效到结合齿轮上的等效力矩，Td为拨环力矩，1?为电机输出转矩，其中k为等效惯量比，T2 为路面阻力矩。
[0081] 确定了 Tm后将电机转矩通过周期调控调至Tm，利用电机转矩1"辅助结合套来拨动 同步环实现成功进挡，其中初始电机转矩通过以下公式进行周期调控直至达到T m:
[0082]
⑴
[0083]式（1)首项为初始电机转矩值，第二项为变化值。其中，ΔΤ为电机最小变化值，N为 电机切换为转矩控制模式后的控制周期计数值。当检测到位移传感器位移值变化时停止转 矩控制，来拨动同步环实现成功进挡。
[0084]综上所述，本发明实施例提供了一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法， 分析进挡过程结合套与同步环的位置关系，并且根据动力学和运动学分析，推导出一种应 用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，控制换挡执行机构推动结合套进入目标挡位，使 进挡过程快速平稳。
[0085]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:确保电机主动同步，根据位移传感器的位移值确定结合套的位置； 步骤2:变速器控制器发送目标转矩Tt给电机控制器； 步骤3:电机控制器控制电机响应目标转矩Tt; 步骤4:根据进挡过程失败原因制定电机转矩控制模式切换逻辑，并确定电机输出转矩 Tm； 步骤5:将电机转矩通过周期调控调至1"，利用电机输出转矩1?辅助结合套来拨动同步 环实现成功进挡。2. 根据权利要求1所述应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，其特征在于，步骤5 所述实现成功进挡为:所述位移传感器的位移值发生变化。3. 根据权利要求1所述应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，其特征在于，步骤1 所述电机主动同步为:输入轴当前转速与目标转速差小于20rpm。4. 根据权利要求1所述应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，其特征在于，步骤5 所述周期调控过程为：其中，Tm为电机输出转矩，k为等效惯量比，ΤΑ路面阻力矩，Td为拨环力矩，N为电机切 换为转矩控制模式后的控制周期计数值，AT为电机最小变化值，"为变速器速比，ω|为进 档时刻啮合齿轮转速，为进档时刻结合套转速初始电机转矩。5. 根据权利要求1所述应用于进挡过程的电机转矩协调控制方法，其特征在于，步骤4 所述电机转矩控制模式切换逻辑，包括以下步骤： 步骤41:判断啮合齿轮转速cof与结合套转速是否满足itff < ; 步骤42:若满足，则继续判断是否同时满足电机为转速模式，目标挡位为高 挡，且Ih| > |Td|;若满足则电机切换为转矩模式，控制Tf-Ud+kTd/a-k) ，然后 结束;若不同时满足电机为转速模式，目标挡位为高挡，且I Ti | > | Td |，则结束； 步骤43:若不满足< ω|，则继续判断是否满足目标挡位为低挡;若满足，则电机切 换为转矩模式，控制电机转矩为，然后结束;若不满足，则继续判 断是否同时满足电机为转速模式，且li^slTdl; 步骤44:若同时满足电机为转速模式，且|IM > |Td|，则电机切换为转矩模式，控制电机 转矩为Ti = (Td-kT2) /(1 -k)，Tm= ?\，然后结束;若不同时满足，则结束。 其中，为进挡时刻啮合齿轮转速，ω|为进档时刻结合套转速，Ti为输入轴力矩等效 到结合齿轮上的等效力矩，Td为拨环力矩，1?为电机输出转矩，其中k为等效惯量比，T2为路 面阻力矩。
【文档编号】B60W10/08GK105946848SQ201610410922
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】胡宇辉, 席军强, 吴洪振, 陈慧岩
【申请人】北京理工大学