一种无同步环3DHT动力换挡控制方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车驱动技术领域，具体涉及一种无同步环3DHT动力换挡控制方法。

背景技术

具有P1/P3结构的3挡双电机插电式混合动力变速器（3DHT），包含两个电机：电机1与发动机直连，即P1电机；电机2与主减速器齿轮通过一根中间轴连接，即P3电机。发动机有3个挡位可供驱动车辆时选择。3DHT系统结构简图，如图1所示。因此，在换挡的过程中可以通过P1电机进行主动转速同步控制，以代替传统的机械摩擦同步过程。采用这种主动转速同步控制有以下优点：1）可以取消同步器中的同步环降低变速器的开发成本；2）机械摩擦同步过程由主动转速同步过程代替，避免了机械同步导致同步环摩擦副的磨损，从而影响变速器油的寿命；3）离合器始终保持闭合状态，缩短了换挡时间和简化了离合器的控制。取消同步环后的动力换挡过程，需要P1电机快速而精确的调速控制，降低接合齿套和目标接合齿圈的转速差。然而，P1电机并不能将转速差完全消除，因此在挂挡过程中会对动力总成产生一定的冲击，影响驾驶性能。此外，3DHT的动力换挡过程首先需要将整车由发动机驱动切换至电机驱动，然后进行摘挡、选挡、转速同步和挂挡过程，当完成挂挡后，再将整车由电机驱动切换至发动机驱动。因此，动力换挡过程需要发动机和P3电机的扭矩切换，以维持车辆驱动扭矩不中断。然而，发动机和电机的扭矩输出响应时间不同，并且输出扭矩控制精度也不同，在发动机和电机的扭矩交换过程极易引起动力系统的扭矩波动，导致产生较大冲击度，影响驾驶性能。

发明内容

针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种无同步环3DHT动力换挡控制方法，使得换挡过程中的扭矩交换过程平稳，能够主动抑制动力系统的冲击，而且还能反映驾驶员的驾驶意图，平衡驾驶舒适性与动力性。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种无同步环3DHT动力换挡控制方法，包括：

步骤S1，发动机与P3电机的扭矩交换阶段：发动机与P3电机的扭矩交换，将整车驱动扭矩由发动机驱动转移至P3电机驱动。根据动力总成参数，建立起动力总成系统的状态空间方程，设计基于LQR的扭矩协调控制器，获得发动机和P3电机的最佳控制规律。

步骤S2，反拖扭矩消除阶段：根据发动机的转速及反拖特性曲线表，插值查找得到发动机的反拖扭矩，利用P1电机消除发动机反拖扭矩对于变速器输入轴的影响，利于摘挡。

步骤S3，摘挡和选挡阶段：换挡机构控制同步器齿套从当前挡位脱开，并移至目标挡位的空当处。

步骤S4，主动转速同步阶段：控制P1电机进行主动转速同步，根据换挡系统参数，建立起换挡系统的状态空间方程，设计基于预测滑模控制算法的PSMC控制器，获得P1电机的最佳控制规律。

步骤S5，挂挡阶段：待主动转速同步完成后，在换挡机构上施加一定的换挡力，进行挂挡。

步骤S6，P3电机与发动机的扭矩交换阶段：P3电机与发动机的扭矩交换，将整车驱动扭矩由P3电机驱动转移至发动机驱动。根据动力总成参数，建立起动力总成系统的状态空间方程，设计基于LQR的扭矩协调控制器，获得发动机和P3电机的最佳控制规律。

进一步的，所述步骤S1中，扭矩协调控制器的设计包含三个子模块：驾驶意图模糊控制器、线性二次型调节控制器和卡尔曼状态观测器；其中，驾驶意图模糊控制器根据油门踏板开度

进一步的，所述步骤S1具体包括：

根据动力总成参数，建立起动力总成系统的状态空间方程，设计线性二次型调节控制器，以控制输出偏差和动力系统的冲击度为优化控制目标，推导发动机扭矩

以主减速器的角度

，

，

上式中，

,

根据驾驶员的油门踏板开度

，

，

为了让发动机和P3电机跟随参考扭矩，引入两个状态变量

，

，

式中，

控制目标为：在规定的时间内完成发动机与P3电机的扭矩交换；P3电机和发动机扭矩跟随参考扭矩；半轴扭矩波动被抑制为0；设定目标性能泛函：

，

式中，

通过微分黎卡提方程求解上述最优控制问题，

，

，

，

终端条件为

，

，

进一步的，所述步骤S2中，P1电机工作于开环控制模式；

，

式中，

进一步的，所述步骤S4中，换挡系统的状态空间方程由下式表达：

，

式中，

定义跟踪误差和滑模函数为：

，

，

式中，

预测经过

，

预测控制目标为

设计预测滑模变结构控制的性能泛函为：

，

最优控制条件为下式：

，

最终求得PSMC控制器表达式为：

。

进一步的，所述步骤S6中，采用步骤S1设计的扭矩协调控制器，只更新发动机参考扭矩

，

。

与现有技术对比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明设计的扭矩协调控制器，不仅能够平稳的实现发动机和电机之间的扭矩交换，而且能够主动抑制扭矩交换过程和挂挡过程产生的动力系统冲击，使得动力换挡过程中轮边的输出扭矩平稳，提升了驾驶性能。

2、本发明设计的扭矩协调控制器，根据驾驶员的意图模糊推理扭矩交换时间，平衡驾驶舒适性与动力性。

3、本发明在主动转速同步阶段，提出了一种基于预测滑模控制（PSMC）的转速同步控制算法，精确调控接合齿套和目标接合齿圈的转速差，避免转速差过大，导致挂挡冲击过大。

附图说明

图1是本发明的3DHT系统结构简图；

图2是本发明的动力换挡过程示意图；

图3是本发明的动力换挡控制流程图；

图4是本发明的扭矩协调控制器结构图；

图5是本发明的扭矩协调控制器与常规扭矩开环控制器的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步地说明。

一种无同步环3DHT动力换挡控制方法，将动力换挡过程分为了6个阶段：1.发动机与P3电机的扭矩交换阶段、2.反拖扭矩消除阶段、3.摘挡和选挡阶段、4.主动转速同步阶段、5.挂挡阶段、6.P3电机与发动机的扭矩交换阶段，如图2所示。在扭矩交换阶段提出了一种扭矩协调控制器，用于发动机和P3电机的扭矩交换，并主动抑制动力系统冲击、维持轮边的输出扭矩稳定，还能根据油门踏板的变化反映驾驶员的驾驶意图，平衡整车的舒适性和动力性。在主动转速同步阶段，提出了一种基于预测滑模控制（PSMC）的转速同步控制算法，精确调控接合齿套和目标接合齿圈的转速差，避免转速差过大，导致挂挡冲击过大。动力换挡控制流程图如图3所示。具体包含以下几个步骤：

步骤S1, 发动机与P3电机的扭矩交换阶段：发动机与P3电机的扭矩交换，将整车驱动扭矩由发动机驱动转移至P3电机驱动。扭矩交换过程发动机和P3电机的最佳控制规律由扭矩协调控制器计算，以维持轮边输出扭矩的稳定，并抑制动力系统的冲击。扭矩协调控制器的设计包含三个子模块：驾驶意图模糊控制器、线性二次型调节控制器和卡尔曼状态观测器。其中，驾驶意图模糊控制器根据油门踏板开度

首先根据动力总成参数，建立起动力总成系统的状态空间方程，设计线性二次型调节控制器，以控制输出偏差和动力系统的冲击度为优化控制目标，推导发动机扭矩

以主减速器的角度

，

，

上式中，

,

根据驾驶员的油门踏板开度

表1 轮端驱动扭矩表

，

在发动机与P3电机的扭矩交换阶段，希望整车由发动机驱动转移至P3电机驱动。因此，该阶段的发动机参考扭矩

，

，

为了让发动机和P3电机跟随参考扭矩，引入两个状态变量

，

，

式中，

控制目标为：在规定的时间内完成发动机与P3电机的扭矩交换；P3电机和发动机扭矩跟随参考扭矩；半轴扭矩波动需要被抑制为0。因此，设定目标性能泛函：

，

式中，

通过微分黎卡提方程求解上述最优控制问题，

，

，

，

终端条件为

，

，

根据控制规律表达式，控制规律中包含了动力总成系统的状态反馈

至此，线性二次型调节控制器的设计完成，然而其性能泛函的终端调控时间

驾驶意图模糊控制器设计，输入信号的模糊化：

（1）油门踏板开度信号

（2）油门踏板开度变化率信号

输出信号的模糊化：

扭矩交换时间

模糊控制规则：通过油门踏板开度

表2 驾驶员意图模糊控制规则

，

根据模糊推理得到的扭矩交换时间

此时的P1电机不工作。

步骤S2，反拖扭矩消除阶段：当完成发动机与P3电机的扭矩交换阶段后，发动机输出扭矩逐渐降低直至进入反拖状态，由于离合器始终保持闭合状态，因此发动机的反拖扭矩将通过输入轴作用于接合齿套和齿圈上，影响到齿套的摘挡。为此需要用P1电机平衡发动机的反拖扭矩。P1电机工作于开环控制模式。

，

式中，

此时的发动机工作于反拖状态，P3电机工作于要求的参考扭矩，维持轮边的驱动力矩不中断。

步骤S3，摘挡和选挡阶段：换挡电机工作于位置闭环控制模式，首先将同步器从当前挡位摘出，然后移动至目标挡位的空当处。

此时的发动机工作于反拖状态，P1电机用于平衡发动机的反拖扭矩，P3电机工作于要求的参考扭矩，维持轮边的驱动力矩不中断。

步骤S4，主动转速同步阶段：控制P1电机进行主动转速同步，消除接合齿圈和齿套的转速差。根据换挡系统参数，建立起换挡系统的状态空间方程，设计基于预测滑模控制算法的PSMC控制器，获得P1电机的最佳控制规律。换挡系统的状态空间方程可由下式表达：

，

式中，

定义跟踪误差和滑模函数为：

，

，

式中，

预测经过

，

预测控制目标为

设计预测滑模变结构控制的性能泛函为：

，

为了实现最优控制需要满足：

，

因为

，

所以最优控制条件可以转换为下式：

，

最终可以求得PSMC控制器表达式为：

，

此时的发动机工作于反拖状态， P3电机工作于要求的参考扭矩，维持轮边的驱动力矩不中断。

步骤S5，挂挡阶段：待主动转速同步完成后，在换挡机构上施加一定的换挡力，进行挂挡。

此时的发动机工作于反拖状态，P1电机用于平衡发动机的反拖扭矩，P3电机工作于要求的参考扭矩，维持轮边的驱动力矩不中断。

步骤S6, P3电机与发动机的扭矩交换阶段：挂挡完成，P3电机与发动机的扭矩交换，将整车驱动扭矩由P3电机驱动转移至发动机驱动，同时抑制挂挡过程产生的动力系统冲击。步骤S1设计的扭矩协调控制器在步骤S6同样适用，只需要更新发动机参考扭矩

，

，

此时的P1电机不工作。当扭矩交换结束后，无同步环动力换挡完成。

图5为采用本发明的扭矩协调控制器和常规的扭矩开环控制器对于换挡过程的影响对比，显然的采用扭矩协调控制器的轮边输出扭矩更加平稳，如图5中的（b）所示，且产生的动力系统冲击度更小，如图5中的（c）所示。

本发明所提出的无同步环3DHT动力换挡控制方法，不仅能够快速完成换挡过程，保持轮边的扭矩输出平稳，产生的冲击度低于国际要求水平10

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。