电动乘用车电控两挡AMT换挡策略研究

两挡AMT换挡执行机构原理

两挡AMT与普通传统车AMT相比，因为只有两个挡位，所以取消了选挡电动机，执行机构直接集成在箱体里面，从而减少了整个箱体的质量和体积。如图1所示为两挡AMT自动变速器总成，换挡机构的驱动力来自直流电动机，电动机采取脉宽调制的方式来控制转速，与直流电动机相连的为滚珠丝杠，丝杠上的螺母与丝杠通过滚珠相连。因为电动机旋转的转速高而转矩比较小，因此设计一个换挡摇臂，通过适当设计换挡摇臂的长度从而匹配好换挡力的大小。随着丝杠的转动，丝杠上的螺母带动换挡拨叉的左右摆动一定的角度，到达换挡的位置。


图1 两挡AMT自动变速器总成

1－换挡电动机 2－差速器 3－丝杠螺母 4－滚珠丝杠 5－换挡摇臂 6－位置传感器 7－输入轴 8－换挡拨叉轴总成

影响2AMT换挡品质因素研究

为简化模型，对传动系统作如下假设：忽略电动机轴的扭振和横向振动对系统的影响；将各元件视为刚性无阻尼的惯性元件，并以集中质量的形式表示；忽略系统其他运动副的间隙；假定车轮与地面间无滑转和滑移。基于以上假设，建立了株洲齿轮有限责任公司2T07系列2AMT变速器动力学模型示意图，如图2所示。

图2中W1表示输入轴的角速度，Mmr表示电动机输出转速的过程中受到的阻力矩（不含搅油阻力），Mor表示变速器运转过程中所受的搅油阻力矩。按图2所示分析影响2AMT换挡品质因素，将整个换挡过程分为4个部分研究，分别为摘挡、调速同步和挂挡。

1.摘挡过程分析

摘挡过程中电动机的转矩不会发生突变（转矩已经清除），因此摘挡过程中只需考虑摘挡力的影响。由图2中可以看出，摘挡前后电动机的阻力部分中搅油阻力是不一样的，因此对于高速旋转（电动机低转速为恒转矩），结合齿套如果过快拖出，将会使自由模式下电动机瞬间失去负载而有可能发生谐振，进而产生噪声并影响换挡的舒适性。

2.电动机调速和同步过程分析

电动汽车的电动机能够快速、精确地调速是电动汽车AMT与传统汽车AMT一个明显的区别。一般传统的策略是调节电动机转速到目标挡位对应的转速，进而迅速将挡位推进至目标挡位。

笔者对此种策略的挂挡也进行过很多次试验，此种策略换挡发生噪声、振动以及车辆抖动的概率非常高，原因主要有以下两个方面：

（1）转速调节不准确 因为2AMT本身用于低端乘用车，这就决定了电动乘用车受制于成本，变速器不可能用高端的转速传感器，因此导致传感器转速的测量本身就具有一定的误差。再考虑电动机本身的调速也有一定误差，所以在两个误差叠加时将会很大程度上放大误差，根据转速请求同步造成换挡噪声，甚至失败。

（2）控制策略不正确 针对第一点所述，现有条件下转速的调节是不准确的，因此直接挂挡的策略是不正确的。根据同步过程中的受力过程进行分析得到结论，从而制定更好的控制策略。

本文列举了两种情况分析了同步过程中受力分析，如图3所示是挤压同步环前齿套的转速高于接合齿的转速受力分析，图中Mfr为同步器摩擦阻力矩，Mer为车辆行驶过程中的阻力。图3中，由于同步齿套的转速高于接合齿的转速，同步环的摩擦阻力矩与其他阻力矩的方向相同，这些阻力矩共同作用，使同步器两端的转速达到一致；而在图4中，由于同步齿套的转速低于接合齿的转速，同步环的摩擦阻力矩与其他阻力矩的方向相反，摩擦阻力矩必须克服其他力矩将同步器齿套端的转速提高到与接合齿套的转速一致。

对比以上两种调速的控制策略，图3中的力是顺势进行，可以加快同步的时间，图4中的策略，由于电动汽车换挡过程中是带着电动机转子的转动惯量，因此仅仅依靠同步器的摩擦力矩达到同步，显然需要更长的时间。为了减少动力中断的时间，往往会努力缩短同步时间，采取图4策略同步换挡，会出现强制挂挡过程，从而造成冲击、噪声以及振动，降低了换挡品质。


图2 两挡乘用车AMT动力学模型示意

图3 挤压同步环钱齿套的转速高于接合齿的转速受力分析


图4 挤压同步环钱齿套的转速低于接合齿的转速受力分析

3.挂挡过程分析

挂挡过程在通过接合套的齿尖后受到的阻力很小，此过程不会有挂挡异响，但在接合齿圈与接合套齿轮壁碰撞时，会发出机械碰撞产生的异响，因此该过程影响换挡品质的因素在于挡位位置准确程度，以及接合齿圈与接合套齿轮碰撞时电动机换挡力的大小，电动机力过大造成碰撞就会有碰撞的异响。

2 AMT换挡控制策略的制定

依据上述研究可以将换挡过程分为四部分，对于电动机清除转矩和恢复转矩的控制策略本文不予分析，下面具体制定这4个部分的控制策略。

1.摘挡过程控制策略

如上分析，摘挡过程对换挡舒适性的影响在于噪声和振动，与摘挡力关系密切。对于摘挡终点位置的确定，考虑到电动机调速完成后会进入自由模式，图2中的Mmr等阻力矩会造成电动机转速快速下降，因此必须要迅速进入同步器同步过程，所以摘挡的终点必须选择在目标挡位的同步起始点，基于以上分析制定了如图5所示的控制策略。

2.电动机调速控制策略


图5 摘挡空置策略

上文分析了调速不准的原因以及对换挡品质造成的影响，因此转速的请求必须按照理论分析的方法制定策略，而对于请求时机也要做系统分析。由于AMT的换挡必须要切断动力换挡，因此换挡要求时间越短舒适性越好，基于以上分析制定如下控制策略。

（1）电动机转速请求时机 因为要求换挡时间短，减少换挡动力中断的时间，理论上分析只要脱离挡位就可以开始请求驱动电动机调节到目标转速，这个脱离当前挡位的点就是当前挡位同步起始点。一旦检测到挡位的位置经过这个点，就可以开始请求电动机调节转速。

（2）电动机目标转速确定 本文第二部分分析了同步调速不准产生噪声和打齿的原因，因此请求转速的值应该为：



式中，Nreq 为请求的电动机转速，Ncal为计算的目标挡位需求转速，Offset为偏移量。实际运用中可以根据电动机的控制效果实时的调节Offset值的大小。
因此，在电动机转速控制调节中采取的控制示意如图6所示。

3.挡位同步过程控制策略

挡位的同步就是利用同步器使结合齿和接合齿套的转速一致，从而使挡位能够顺利地啮合进挡位。在换挡拨叉推换挡齿套轴向运动中，并不是力越大越好，这取决于同步器的时间周期的容量，比如10ms最大同步20r/min，在结合齿和接合齿套的转速相差100r/min时，强制用较大的轴向力推动拨叉就会造成异响。因此应该设置初始换挡力的大小，并在此基础上逐渐增加换挡力的大小，直到同步结束。如图7所示为控制策略示意图。


图6 1挡升2挡调速过程控制策略

4.挡位挂挡过程控制策略

前文分析了挂挡过程中影响换挡品质的因素，挂挡过程影响舒适的点在于接合齿和接合齿套壁的碰撞，因此制定的策略是电动机PWM在远离挡位时大，随着慢慢靠近目标挡位，PWM逐渐减少，到达目标挡位时PWM减小到0，这样就避免了接合齿轮壁和接合齿套壁的碰撞。如图8所示为1挡升2挡中挂挡的控制策略示意图。

换挡控制策略验证

为验证控制策略正确性和可靠性，选择了一款微型纯电动汽车作为换挡控制策略的验证对象，装载此款AMT变速器进行试验。整车参数见表1。将上述制策略，编写好程序刷入变速器控制器中，验证各个策略的正确性。

1.摘挡的控制策略验证


图7 1挡升2挡同步过程控制策略


图8 1挡升2挡挂挡过程控制策略

表1 装载AMT整车参数



图9 满占空比摘挡异响

如图9所示为将摘挡时电动机的占空比限制值设置为最大，其中ShiftPosAD为挡位位置传感器反馈的位置信息，PWMDC为电动机占空比大小，MotSpeed为驱动电动机转速，其中2 502.5～2 502.95ms为摘挡区间。PID调节器根据参数的设定将初始占空比设置为满占空比（最大占空比），在实际换挡过程中，驾驶人很明显地会听到摘挡时“砰”的一声，通过数据可以看出电动机的转速在摘挡的初始时有一定程度振动。而将摘挡初始占空比做一定限制时，驾驶人员就会感觉换挡很平顺，无任何噪声，通过如图10所示的数据曲线也不难看出，电动机的转速是没有突变的。


图10 限制占空比摘挡无异响

2.电动机调速控制策略验证

如图11所示为1挡升2挡实时采集到的数据，图中ReqSpeed为请求电动机转速，OutputSpeed为输出轴转速，ClearTrqFlag为清除扭矩标志。图中在2 502.75ms处即1挡同步点，清除扭矩标志改变进入转速请求模式，换挡时输出轴转速410r/min，对应的2挡转速2 747r/min，实际请求中，请求转速的偏移量为100r/min，即请求2 847r/min，可以看出在同步过程中，电动机转速会迅速下降80r/min，此过程中电动机的转速变化平稳，行驶过程中没有明显的异响或者振动。


图11 电动机调速过程

3.挡位同步和挂挡控制策略验证

如图12所示，在2 503.11ms开始进入同步过程，PWMDC从40%逐渐增大到60%，可以看出电动机的转速变化是平稳的。同步完成后电动机占空比按照设定的曲线随着挡位位置靠近2挡逐渐减少至0，通过驾乘感受和数据分析，此控制策略是正确的。

4.换挡耐久试验验证

将制定的控制策略编写程序并生成机器码刷入换挡耐久测试控制器，测试台架由电动机驱动电源、驱动电动机、2AMT变速器及负载惯性轮组成。台架实物照和上位机测试界面如图13所示，上位机用于记录测试换挡次数，显示系统故障码等。图中的上位机中界面中显示换挡次数已经达到了11万次，此时可以拆解变速器本体验证变速同步环的磨损情况（见图14）。

通过检查11万次换挡耐久后的变速器同步环，可以发现1挡和2挡的同步器基本无磨损，可判定此控制策略可靠，能够提高变速器使用寿命。


图12 同步挂挡过程


图13 台架实物


图14 拆解后的变速器1挡和2挡的同步环

结语

通过验证不难看出，制定的策略是可行的，达到了很好的换挡品质。虽然AMT为手动变速器改装而来，其换挡过程也必须按照手动变速器那样先踩离合再换挡，但AMT毕竟是一个自动换挡部件，因此换挡过程中动力中断时间和噪声大小成了评判AMT好坏的关键因素。本文制定了电动汽车AMT换挡控制策略，制定的策略从这两个因素考虑，能够很好地解决了这两个问题，而且此种控制策略也可以用于电动客车以及物流车AMT，因此，此策略成功设计应用具有很强的应用价值和实际意义。