无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法及系统与流程

本发明属于纯电动汽车、增程式电动汽车以及并联和混联式混合动力汽车的换档控制技术领域，特别涉及一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法及系统。

背景技术：

电驱动机械变速器(EMT)系统具有结构简单、成本低、系统效率高、体积小和重量轻等综合优势，近年来得到了业界的重视，并在纯电动汽车和混合动力汽车中得到越来越多的应用。

电驱动机械变速器采用同步器保证接合套与目标接合齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。但这样的结构复杂，导致系统开发、制造和使用成本高，且同步器易磨损，进一步增加维护成本。基于此，本发明提出了一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法，包括其换档无冲击控制系统。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法及系统。

一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法，包括以下步骤：

1)车辆控制器根据接收到的车辆状态、档位信息、制动踏板开度、加速踏板开度、方向盘转角信号，判断当前行驶的目标档位，需要换档时，向系统协调控制器发出换档指令；

2)系统协调控制器接收到车辆控制器发来的换档指令后，向驱动电机控制器发出卸载指令，驱动电机控制器控制驱动电机的转矩下降到空载转矩状态，使变速器输入端的接合齿圈和变速器输出端的接合套之间的作用力接近为0；

3)当驱动电机完成卸载时，系统协调控制器触发基于规则控制器并设置接合套的目标档位为空档；

4)基于规则控制器将换档控制器设置为位置闭环模式，并向换档控制器发出摘档指令和接合套的目标位置；

5)换档控制器根据接合套的目标位置和当前位置的反馈值，输出换档力，通过换档机构将接合套置于空档；

6)当变速器输入端的接合齿圈和变速器输出端的接合套完成分离时，系统协调控制器触发双目标跟踪控制器，驱动电机控制器的目标转矩由双目标跟踪控制器计算得到；

7)双目标跟踪控制器以“零转速差”和“零转角差”为控制目标，计算出驱动电机的目标转矩，驱动电机控制器通过控制驱动电机的转动，使变速器输入端的目标接合齿圈准确跟踪变速器输出端的目标接合套；所述“零转速差”为目标接合套和目标接合齿圈转速一致；所述“零转角差”为目标接合套花键齿正对目标接合齿圈齿槽；

8)当目标接合套和目标接合齿圈实现“零转速差”和“零转角差”时，基于规则控制器将换档控制器设置为转矩闭环模式并发出挂档指令，控制换档机构挂入新档；

9)当目标接合套和目标接合齿圈完成接合时，系统协调控制器关闭双目标跟踪控制器和基于规则控制器，驱动电机控制器的目标转矩切换回由车辆控制器计算得到，并控制驱动电机恢复转矩输出。

进一步地，双目标跟踪控制器以“零转速差”和“零转角差”为控制目标，计算出驱动电机的目标转矩，计算方法包括以下步骤：

双目标跟踪控制器根据目标接合齿圈和目标接合套的当前转角，采用差分和滤波算法，分别计算出目标接合齿圈和目标接合套的当前转速；再根据目标接合齿圈和目标接合套的当前转速及当前转角，采用相对转速和相对角度计算算法，计算出目标接合齿圈和目标接合套的相对转速和相对角度；然后采用模型预测控制算法，以“零转速差”和“零转角差”为控制目标，以双目标跟踪控制器使能后得到的第一个相对转速和相对转角为初始状态，计算出驱动电机转矩的目标控制序列。

再进一步地，考虑到系统扰动的变化对模型预测控制精度的影响，双目标跟踪控制器根据目标接合齿圈和目标接合套的前k个时刻的相对转速和相对转角，采用残差预测算法，预测出终了时刻的相对转速残差和相对转角残差；再根据预测的相对转速残差和相对转角残差，采用前馈控制算法，输出驱动电机转矩的前馈控制序列；驱动电机转矩的目标控制序列和前馈控制序列叠加后构成双目标跟踪控制序列，即得出驱动电机的目标转矩。

进一步地，目标接合齿圈和目标接合套的相对角度Δθ_slv-gr(k)＝mod(θ_slv(k)-θ_gr(k),2π/N)，其中，θ_gr(k)是目标接合齿圈的当前转角，θ_slv(k)是目标接合套的当前转角，mod(·,·)是取余函数，N是目标接合套的齿数。

一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制系统：

车辆控制器与系统协调控制器连接，系统协调控制器分别与双目标跟踪控制器、驱动电机控制器和基于规则控制器连接，双目标跟踪控制器分别与驱动电机控制器和基于规则控制器连接，基于规则控制器、换档控制器、换档机构顺次连接，驱动电机控制器与驱动电机连接，驱动电机和电驱动机械变速器直接耦合，中间取消离合器，以及电驱动机械变速器中不设同步器；电驱动机械变速器与换档机构直接耦合；

接合齿圈转角测量装置、接合齿圈转速测量装置、接合套转角测量装置和接合套转速测量装置均分别连接至系统协调控制器和双目标跟踪控制器；接合套位置测量装置分别连接至系统协调控制器、双目标跟踪控制器和换档控制器。

其中，

车辆控制器，用以接收车辆状态、档位信息、制动踏板开度、油门踏板开度和方向盘转角信号，判断当前行驶的目标档位，需要换档时，向系统协调控制器发出换档指令；

系统协调控制器，用以根据接收的车辆控制器换档指令，计算驱动电机的卸载转矩值，协调双目标跟踪控制器和基于规则控制器的工作时序和工作模式；

双目标跟踪控制器，用以根据目标接合套和目标接合齿圈的相对转速和相对转角，计算出接合齿圈对接合套实现“零转速差”和“零转角差”跟踪的驱动电机目标转矩值；

驱动电机控制器，用以接收系统协调控制器和双目标跟踪控制器的指令，以转矩闭环方式控制驱动电机的输出转矩；

基于规则控制器，用以根据系统协调控制器的指令以及目标接合套和目标接合齿圈的相对转速和相对转角，计算接合套的目标位置，选择换档控制器的工作模式；

换档控制器，用以接收基于规则控制器的指令，控制换档机构执行摘档和挂档操作；

换档机构，用以接收换档控制器的指令并执行换档操作。

本发明的有益效果为：

采用电驱动机械变速器实现自动换档，取消同步器可以减少机械变速器中的易磨损件(同步环或摩擦锥环)和其他相关零件(滑块、定位销等)，显著降低系统开发、制造和使用成本。此外，取消同步器后的电驱动机械变速器系统使接合套和接合齿圈直接作用，可以通过对电机转子的精确控制，以及驱动电机和电驱动机械变速器的协调控制，使接合齿圈准确跟踪接合套的转动，在换档过程中，同时保证满足“零转速差”和“零转角差”，能够消除换档过程中接合套和接合齿圈的碰撞，进而抑制换档冲击，实现“无冲击”接合，进而消除换档冲击并缩短动力中断时间，不仅能够提高换档舒适性，还能减少换档过程的动力损失，提高系统效率。

本发明中，驱动电机和电驱动机械变速器采用直连结构，取消了离合器，减少了离合器和控制系统的开发、制造和使用成本。

附图说明

图1为一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制系统框图。

图2为一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制系统的控制信号框图。

图3为双目标跟踪控制器的控制信号框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1-图2所示，一种无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制系统包括：车辆控制器(12)、系统协调控制器(8)、双目标跟踪控制器(3)、驱动电机控制器(2)、驱动电机(1)、基于规则控制器(7)、换档控制器(6)、换档机构(5)和电驱动机械变速器(4)。其中，驱动电机(1)、电驱动机械变速器(4)和换档机构(5)均采用低成本和高可靠性的成熟产品。驱动电机(1)采用目前电动汽车上常用的驱动电机；电驱动机械变速器(4)采用平行轴式两档或两档以上机械变速器并取消了同步器；换档机构(5)采用电控电动式换档机构，由无刷直流电机和换档装置组成。

系统中，车辆控制器(12)与系统协调控制器(8)连接，系统协调控制器(8)分别与双目标跟踪控制器(3)、驱动电机控制器(2)和基于规则控制器(7)连接，双目标跟踪控制器(3)分别与驱动电机控制器(2)和基于规则控制器(7)连接，基于规则控制器(7)与换档控制器(6)连接，驱动电机控制器(2)与驱动电机(1)连接，驱动电机(1)和电驱动机械变速器(4)直接耦合，中间取消离合器；电驱动机械变速器(4)与换档机构(5)直接耦合，换档机构(5)与换档控制器(6)连接；

接合齿圈转角测量装置、接合齿圈转速测量装置、接合套转角测量装置和接合套转速测量装置均分别连接至系统协调控制器(8)和双目标跟踪控制器(3)；接合套位置测量装置分别连接至系统协调控制器(8)、双目标跟踪控制器(3)和换档控制器(6)；

在换档过程中，车辆控制器(12)接收车辆状态、档位信息、制动踏板开度、油门踏板开度和方向盘转角信号，判断当前行驶的目标档位，向系统协调控制器(8)发出换档指令；系统协调控制器(8)根据接收的车辆控制器(12)换档指令，计算驱动电机(1)的卸载转矩值，协调双目标跟踪控制器(3)和基于规则控制器(7)的工作时序和工作模式；双目标跟踪控制器(3)根据目标接合套和目标接合齿圈的相对转速和相对转角，计算出接合齿圈对接合套实现“零转速差”和“零转角差”跟踪的电机目标转矩值；驱动电机控制器(2)接收系统协调控制器(8)和双目标跟踪控制器(3)的指令，以转矩闭环方式控制驱动电机(1)的输出转矩；基于规则控制器(7)根据系统协调控制器(8)的指令以及目标接合套和目标接合齿圈的相对转速和相对转角，计算接合套的目标位置，选择换档控制器(6)的工作模式；换档控制器(6)接收基于规则控制器(7)的指令，控制换档机构(5)执行摘档和挂档操作；换档机构(5)接收换档控制器(6)的指令并执行换档操作。

无同步器的电驱动机械变速器无冲击换档控制方法如下：

1)车辆控制器(12)根据当前的车辆状态信息(包括电机转速ω_m、档位i_g、驱动电机控制器(2)的输入电流I_bat、驱动电机控制器(2)的输入电压U_bat、车速u_a)和驾驶员操作信息(档位信息P/R/N/D、加速踏板开度Acc、制动踏板开度Brake、方向盘转角θ_s)，计算下一时刻驱动电机(1)输出的目标转矩和无同步器的电驱动机械变速器(4)的最佳档位并传递给系统协调控制器(8)。

2)系统协调控制器(8)比较最佳档位和当前档位i_g，如果两个值一致，则维持当前档位，输出给驱动电机控制器(2)的目标转矩为如果两个值不一致，则进入换档模式，计算出使变速器输入端(9)的接合齿圈和变速器输出端(10)的接合套之间的作用力接近为0的卸载转矩并输出给驱动电机控制器(2)，即：

3)当驱动电机(1)完成卸载时，即当前转矩系统协调控制器(8)将Trigger2设置为1，触发基于规则控制器(7)；同时，将设置为0，即，接合套的目标档位为空档。

4)基于规则控制器(7)根据的指令，输出Mode＝1将换档控制器(6)置为位置闭环模式，并计算出接合套的目标位置

5)换档控制器(6)根据接合套的目标位置和当前位置的反馈值x_slv，输出换档力F_s，通过换档机构(5)将接合套置于空档。

6)当变速器输入端(9)的接合齿圈和变速器输出端(10)的接合套完成分离时，系统协调控制器(8)将Trigger1设置为1，触发双目标跟踪控制器(3)，驱动电机控制器(2)的目标转矩由双目标跟踪控制器(3)计算得到，即：

7)如图3所示，双目标跟踪控制器(3)内的差分和滤波算法(13)根据接合齿圈的当前转角θ_gr(k)和接合套的当前转角θ_slv(k)，分别计算出接合齿圈的转速ω_gr(k)和接合套的转速ω_slv(k)；相对转速和相对角度计算算法(14)根据接合齿圈和接合套的当前转速ω_gr(k)和ω_slv(k)以及转角θ_gr(k)和θ_slv(k)，计算出它们的相对转速Δω_slv-gr(k)＝ω_slv(k)-ω_gr(k)和相对角度Δθ_slv-gr(k)＝mod(θ_slv(k)-θ_gr(k),2π/N)，其中，mod(·,·)是取余函数，N是接合套的齿数；模型预测控制算法(15)以“零转速差”和“零转角差”为控制目标，以双目标跟踪控制器(3)使能后得到的第一个相对转速Δω_slv-gr(1)和相对转角Δθ_slv-gr(1)为初始状态，计算出电机转矩的目标控制序列考虑系统扰动(如：车辆行驶阻力，搅油损失等)的变化对模型预测控制精度的影响，残差预测算法(16)根据前k个时刻的相对转速Δω_slv-gr(1,…,k)和相对转角Δθ_slv-gr(1,…,k)预测出终了时刻的相对转速残差ε_Δω(n)和相对转角残差ε_Δθ(n)；前馈控制算法(17)根据预测的残差ε_Δω(n)和ε_Δθ(n)输出驱动电机转矩的前馈控制序列电机转矩的目标控制序列和前馈控制序列叠加后构成双目标跟踪控制序列

8)当接合套和目标接合齿圈实现“零转速差”(Δω_slv-gr＝0)和“零转角差”(Δθ_slv-gr＝0)时，基于规则控制器(7)输出Mode＝2将换档控制器(6)置为转矩闭环模式并计算出接合套的目标位置换档控制器(6)输出换档力F_s，通过换档机构(5)推动接合套到目标位置

9)当接合套和目标接合齿圈完成接合时系统协调控制器(8)将Trigger1设置为0关闭双目标跟踪控制器(3)，将Trigger2设置为0关闭基于规则控制器(7)，驱动电机控制器(2)控制驱动电机(1)恢复转矩输出，目标转矩由车辆控制器(12)计算得到，即