基于HIL的AMT离合器启动控制算法设计

韩祥 刘忠途

摘要：分析电控机械式变速器（AMT）离合器接合过程评价指标，针对评价指标的矛盾性，提出模糊控制的算法，以小型电动汽车AMT为例，利用MATLAB/Simulink与PXI软硬件系统，开发AMT硬件在环仿真试验台，并将设计的模糊控制算法在硬件在环试验台上进行测试。结果表明：所设计的控制算法能够正确反映驾驶员的起步意图，同时冲击度、滑磨功在推荐的范围之内，为后续AMT控制器的开发提供打下基础。

关键词：AMT;模糊控制;硬件在环

引言

近年来，为了满足人们对驾驶舒适及安全的需求，电控机械式自动变速器（AMT）得到广泛的使用。对于AMT，起步接合的控制策略是其中的关键技术。起步控制是一个复杂的非线性控制问题，既要求起步平稳，冲击度小，又要求起步能够反映驾驶员的意图，离合器滑磨功小，延长AMT的使用寿命。因此对于离合器启动控制算法的研究是十分必要的。

本文以用于小型电动汽车的两档AMT为例，针对AMT车辆离合器的接合过程，首先通过MATLAB/SIMULINK建模，加入模糊控制算法进行离线仿真，然后搭建将真实AMT置于仿真回路的硬件在环仿真试验台，最后通过硬件在环试验平台验证控制算法的有效性，避免直接在车上测试的风险，节约前期功能开发时间。

1.接合过程评价指标

1.1 冲击度

冲击度用来衡量车辆起步和换挡时的舒适性，以汽车起步过程中的汽车纵向加速度的变化率来表征[1]。其计算公式如下：

（1-1）

其中为汽车质量，分别为主减速比与变速器传动比，分别为传动系效率与车辆旋转质量换算系数，为离合器工作面数，为摩擦片有效半径，为摩擦系数，为比例系数。

由式（1-1）可知，冲击度与车辆自身参数及离合器的接合速度有关，只要合理的控制接合速度便能够控制车辆的冲击度。在舒适性行驶情况下，冲击度的上限值 j为[2]。

1.2 滑磨功

滑磨功是离合器主从动盘摩擦片间滑动摩擦力所做功的大小[1]。滑磨功计算公式如下：

（1-2）

由式（1-2）可知，滑摩功的大小与离合器接合过程所传递的摩擦转矩，接合时间以及主从动盘的转速差有关。

离合器接合时间越长，滑摩功越大，但是接合过程也越平稳，产生的冲击度j 就越小;如果降低离合器的接合时间，虽然能够减小滑摩功，但也会导致冲击度的增加，这便是离合器两个性能指标的矛盾所在。

2.算法设计

针对离合器接合过程两个指标的相互矛盾性，设计模糊控制算法。该控制算法要体现驾驶员的起步意图，而起步意图是通过油门踏板的开度及其变化率来体现。另外，由上面分析可知，离合器主从动盘转速差对滑磨功有较大影响，因此要得出理想的接合速度，还要考虑离合器主从动盘的转速差。

所设计的模糊控制器分为两层，第一层模糊控制器通过驾驶员的油门开度及油门开度变化率获取驾驶员起步意图;第二层模糊控制器通过由第一层获得的起步意图以及主从动盘的转速差来获得理想的离合器接合速度。

油门开度 K 的基本论域设为[0，1]，油门开度变化率 EK的基本论域设为[-3，3]，选取油门开度及驾驶员起步意图I的论域设为{0，1，2，3，4，5，6}，油门开度变化率的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

定义转速比d为离合器主从动盘转速差与主动盘的比值。选取转速比及离合器接合速度 V 的论域均为{0，1，2，3，4，5，6}。隶属度函数选用高斯型。模糊控制规则如表1，表2所示。

表 1  起步意图控制规则

起步意图I

油门开度K

VS

S

M

B

VB

油门开度变化率Ek

NB

VS

VS

VS

VS

VS

NM

VS

VS

VS

S

S

NS

VS

S

S

M

M

O

VS

S

M

B

VB

PS

S

M

B

B

VB

PM

M

B

B

VB

VB

PB

B

B

VB

VB

VB

表 2  离合器接合速度控制规则

离合器接合速度V

起步意图I

VS

S

M

B

VB

离合器转速比d

VS

S

M

B

LB

VB

LS

LS

S

M

LB

VB

S

LS

LS

M

B

LB

M

VS

LS

S

M

LB

B

VS

LS

S

M

LB

LB

VS

VS

LS

S

B

VB

VS

VS

LS

LS

S

在主机上利用Simulink建立电动机、离合器以及执行机构模型。进行离线仿真后，加入I/O模块，将控制算法模型编译，生成代码，并下载到PXI中。

3.硬件在环仿真试验台

为了验证模糊控制算法的有效性，搭建AMT硬件在环仿真试验台。该仿真试验台由小功率电机驱动AMT，AMT的输出轴连接小功率负载电机。由PXI控制变频器，进而控制驱动电机与负载电机，通过各种传感器采集AMT的输入轴转速、输出轴转速、扭矩等信号，将这些信号由数据采集卡导入软件模型中进行分析计算。该试验台可以模拟AMT起步过程，观察离合器主从动盘转速、传递扭矩并实时显示。

在进行硬件在环仿真试验前，应对离合器执行机构进行测试检验[3]，避免出现硬件故障，同时检测各系统的性能;最后将被控硬件与实时仿真系统PXI连接。

4.试验结果与分析

对两档AMT进行硬件在环试验，获得起步性能实时采样图。采用不同的起步意图，对试验数据进行分析处理，计算每次起步时的冲击度与滑磨功，获得每次起步离合器主从动盘转速达到一致时的时间，得出平均接合速度值，如表3所示。

表 3  不同起步意图下的测试数据

起步意图

接合时间（s）

接合速度平均值（mm/s）

冲击度均方根值（）

滑磨功（KJ）

慢

1.704

9.268

5.143

5.021

中

1.442

10.952

7.830

4.697

快

1.218

12.967

9.275

4.068

由上表可知，驾驶员起步意图越强烈，该模糊控制器控制下的离合器接合速度平均值越大，接合时间越短，充分体现了驾驶员的起步意图。同时，接合速度越大，冲击度也越大，相应的滑磨功越小，冲击度的最大值小于推荐的最大值10，满足舒适性的要求。该算法对各种起步意图均有较强的自适应性。

5.结论

（1）分析了离合器接合过程中的评价指标，得出评价指标的矛盾性，

（2）针对评价指标的矛盾性，提出模糊控制的控制算法

（3）建立了AMT硬件在环仿真试验台，在试验台上运行模糊控制算法，对不同起步意图下的试验结果进行了对比分析，验证AMT离合器模糊控制算法的有效性，为后续进行TCU开发奠定基础。

参考文献：

[1]徐石安，江发潮.汽车离合器[M].北京：清华大学出版社，2005：200-204

[2]李勇，常思勤，魏英俊.基于转速/转矩控制的 AMT 换挡策略[J].中国机械工程， 2011，22（15）：1880-1885

[3]范光强.金属带式无级变速器电控单元硬件在环仿真研究[D].镇江： 江苏大学， 2009.