电机与AMT集成的汽车机电复合传动系统平顺换档机理及控制

Integrated motor AMT is a high efficiency and low cost automotive powertrain and has broad application prospect. To reveal the coordinate mechanism of integrated motor-AMT (Automatic Mechanic Transmission) during smooth gear shifting and address the robust control issue of the system, by constructing the inertia-elasticity-damping multibody dynamic model, this project is going to study the optimized region of the kinetic parameters & structure parameters of the master-slave gears, and determine the optimal target trajectory of smooth gear shifting control. Using the electric motor in hybrid powertrain as the main actuator to modulate the rotational speed and torque, and considering the model parameter perturbation, delay from sensors and actuators, delay from CAN message transmit and the mechanical elasticity and damping, by designing a system state observer with the rotational speed and acceleration, and a close loop controller as well to address the system coordinate operation mechanism during the automatic smooth gear shifting. Designing a robust and fast control algorithm to reduce torque interruption of the drive train to minimum value in spite of the uncertainties of the system model and the variety of the operation condition from the road load. Based on optimization control theory, study the optimized control strategy and designing method of the gear shifting schedule which combine the economy and drivability. Eventually, the project will provide a systematical support for the designing and control of the integrated motor AMT transmission system.

电机与AMT集成的机电复合传动系统是一种高效率低成本的汽车驱动系统，具有广阔的应用前景。但是由于该系统的平顺快速换档的系统协调运行机理尚不清楚，控制算法还不完善，存在换档不平顺和工况适应性不足的问题。通过揭示换档品质与档位切换组件的动力学和结构参数的关系，确定换档品质控制的最优动力学参数目标轨迹；阐明系统在模型参数摄动、传感器和执行器延迟、CAN网络信号延迟以及系统的惯量、弹性和阻尼的综合影响下，进行发动机和电机的转矩与转速协调控制，实现快速摘档、快速主动同步、无冲击快速进档的系统机电复合传动协调运行机理，并建立相应系统模型；提出系统状态观测算法和系统闭环鲁棒控制算法，实现在系统部件特性不确定性及外部各种极端工况影响下的稳定、快速和平顺换档控制；基于最优控制理论提出兼顾经济性与驾驶性的最佳换档规律制定方法，为电机与AMT集成的电动汽车机电复合传动系统的设计和控制提供系统的理论支撑。

针对发动机间隙性做功和瞬态转矩波动特征较难模拟问题，建立了发动机瞬态转矩波动模型，模拟了缸内压力高频激励引起的曲轴扭矩波动，为传动系统减振控制提供了基础；针对电机快速精确转矩输出的问题，考虑电机电磁场耦合作用机理，建立了电机瞬态转矩控制模型，为运用电机进行转矩补偿提供了基础；针对混合动力系统中无传感器的转矩反馈问题，建立了传动系统轴系转矩观测模型，为轴系振动控制提供了反馈基础；针对变速器换挡主动同步控制问题，分别进行了模糊PID算法、滑模控制算法以及模型预测控制算法在混合动力传动系统中的主动减振控制技术研究，为电机与AMT组成的混合动力系统自动平顺换挡控制提供了解决方案。. 以东风商用车公司混合动力重型卡车为对象，采用模糊PID控制方法，进行了系统AMT的主动同步换挡控制研究。升挡过程中，对比非主动同步控制，使用电机调速的同步器接合时间降低0.093s，冲击度由28.64m/s3降低为2.7m/s3；在离合器结合阶段，实现了快速消除间隙-柔和滑摩-迅速接合的离合器控制效果，冲击度由20m/s3降低到0.76m/s3；相对有离合器参与，无离合器分离的电机调速换挡耗时间缩短0.342s，动力恢复更快速。同时对利用电机带动发动机启动，并用无离合器的方式进行模式切换的过程进行仿真，切换时间较短，冲击度较小。针对PID的控制鲁棒性差的问题，基于MPC进行了电机-AMT系统换挡过程协调控制，根据控制需求（快速性和平顺性）进行约束设计，控制的最大换挡冲击由19.68m/s³降至8.13m/s³，平均换挡时间从712ms缩短到485ms，平均滑摩损失由9309.00J下降到315.82J。相对PID控制方法，提高了控制的鲁棒性。. 针对混合动力发动机频繁起动带来的振动和能耗问题，提出了运用车辆惯性进行发动机起动，基于自适应MPC进行系统振动控制的方法，节省发动机起动油耗60%以上。. 以上研究得到的方法和结论可以在混合动力卡车AMT主动同步换挡以及P型混合动力轿车中进行应用。项目发表第一标注SCI论文7篇，EI论文5篇，中文期刊论文7篇，申请发明专利5项，完成了研究计划内容。