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EVS27
巴塞罗那，西班牙，10月17-20日，2013年
基于实验测试的离合器–制动系统控制并应用于混合动力传动系的分析
Antoni Szumanowski1, Zhiyin Liu2, Pawel Krawczyk3
1华沙工业大学，Narbutta84, 02-524华沙，波兰 asz@simr.pw.edu.pl
2华沙工业大学，Narbutta84, 02-524华沙，波兰 zliu@simr.pw.edu.pl
3华沙工业大学，Narbutta84, 02-524华沙，波兰 pkrawczvk1987@gmail.com
摘要：
离合器制动系统是先进的紧凑型混合行星传动驱动（CHPTD）的重要元素。配备行星传动装置和附加齿轮的适当设计的离合器/制动系统可以节约能源并提高混合动力总成的性能，特别是在车辆的频繁起动和再生制动过程中。本文致力于内燃机（ICE）启动程序中离合器接合控制策略的设计。描述了ICE启动期间CHPTD中每个元件的控制。提出和验证了在各种实验条件下不同离合器接合控制策略。通过分析仿真和实验测试结果选择了离合器接合的优化控制策略。
关键词：控制系统；建模；行星齿轮
1.绪论：
原始的小型混合动力行星传动驱动（CHPTD）是一种复杂的混合动力传动系结构，最初是由Szumanowski教授发明和开发的[1]。图1显示了新改进的具有附加齿轮箱的CHPTD的解决方案。
改进的CHPTD是一种低成本的解决方案，它仅用于一组行星齿轮和一个电动机用于所有操作模式。采用小型内燃机作为替代电源。作为功率求和单元，行星齿轮箱组合了两个电源和输出轴。由于其通过行星传动的有效功率分配，改进的CHPTD可以比其他现有的混合动力总成实现更高的效率[2-6]。多套离合器制动系统与机械变速器一起使用，用于改变动力系的运行模式和调节齿轮比。它为改进CHPTD的先进控制策略提供了可能性和灵活性。
图1：改进型CHPTD与齿轮箱的配置
离合器-制动系统操作与动力总成的控制直接相连。离合器制动系统的控制信号与动力传动系的运行模式之间的关系如表1所示。
这个创新的零稳态电能消耗离合器制动系统的设计在作者的前一篇论文中已有介绍。
表1：插电式混合动力传动系不同运行模式下离合器制动系统的控制信号
1.1具有行星齿轮和离合器制动单元的混合动力总成实验台的介绍
混合动力传动系实验台的配置根据CHPTD构建（见图2）。混合动力传动系实验台的主要参数如表2所示。
图2：根据CHPTD的混合动力总成实验台的配置
图3：CHPTD的实验室
表2：混合动力传动系实验台的主要参数
2.基于混合动力传动系的实验室模拟
为了研究实验室的行为以及控制参数和控制策略的影响，在MATLAB/SIMULINK环境中建立了基于混合动力传动系实验室的仿真模型。
2.1仿真模型
混合动力传动系的仿真模型建立在基于现有实验室的Matlab/Simulink环境中（见图4）。该仿真模型中元素的参数选择与实际条件相同。
图4：MATLAB/SIMULINK环境下基于实验室的混合动力传动系的仿真模型
2.1.1动力源的仿真模型
混合动力传动系实验台的动力源包括内燃机和永磁电动机。内燃机和永磁电机的简化模型用于模拟电源的行为。
内燃机
内燃机的仿真模型如图5所示。本田IGX440发动机的外部特性如图6所示。
图5：内燃机仿真模型
图6：本田IGX440发动机的外部特性
进行内燃机的阶跃响应试验，找到PI控制器的正确参数（见图7）。PI参数的测试程序如下：
1.将内燃机设置为怠速，并向内燃机提供参考速度的步进信号。
2.记录内燃机的速度响应。
3.向内燃机仿真模式提供参考速度相同的步进信号。
4.调整PI控制器的参数，使仿真结果与测试结果相符。
永磁电机
永磁电机的参数如表3所示。由于缺乏详细参数，永磁电机的仿真模型基于简单的无刷电机和PI控制器。PI调节器包含在永磁电机中以模拟电机控制器。进行额外的台架试验，以找到PI调节器的参数。这种测试的过程与内燃机类似。
图7：内燃机的阶跃响应曲线
表3：永磁电机的参数
2.1.2离合器制动单元的仿真模型
在仿真模型中，离合器/制动控制信号由控制逻辑产生。该块可以通过分析与驱动循环连接的电机的参考速度来生成控制信号。
图9：驱动循环和控制逻辑模块
图10：控制逻辑模块产生的控制信号
在仿真模型中，上述的逻辑信号控制了太阳轴转矩的计算（见公式1）。
其中：
J1 - 太阳轴惯性矩；
Jice – 内燃机曲轴上惯性矩；
omega;1 - 太阳轴的角速度；
omega;ice -内燃机曲轴的角速度；
Mice，M2 - 作用于内燃机和环轴的力矩；
Mc - 通过离合器摩擦片传递的扭矩；
c - 离合器的逻辑信号（0-离合器关闭，1-离合器打开）；
b - 制动器的逻辑信号（0-制动器关闭，1-制动器打开）;
rp - 速度差指示器（0–omega;icene;omega;1，1-omega;ice=omega;1）;
r1 - 太阳轴方向指示灯（0 - omega;1gt; 0，1 - omega;1le;0）;
f - 离合器片的相对摩擦方向（-1 - omega;icelt;omega;1，1 - omega;icegt;omega;1）。
图11：离合器电流控制单元的仿真模型
图12：离合器电磁线圈中电流的控制
2.2 动力传动系统中动力源的速度控制
动力传动系统的动力源包括内燃机和永磁电机。动力传动系中负载的速度取决于每个电源的速度分布。电源参考速度的计算基于不同的运行模式和一些假设。
图13：一个驱动循环示例
纯电动启动
对于纯电动启动，内燃机与动力传动系分离，行星齿轮的太阳轴被堵塞。在这种情况下，动力传动系的负载仅由永磁电机驱动。
其中：
omega;em-永磁电机的参考速度;
omega;load – 驱动循环载荷的参考速度;
kp-行星齿轮的基本比率;
ireducer-行星齿轮箱与永磁电机之间的减速比。
混合动力驱动
混合动力驱动动力源的速度分配取决于驱动周期和一些假设。当负载速度超过阈值时，动力传动系统的混合模式启动。对于混合动力模式，内燃机的速度在范围[omega;ice_min，omega;ice_max]内受到限制，以提高燃油效率。
因此，内燃机的控制功能如下。
如果
且
则
其中：
omega;ice-内燃机的参考速度;
omega;ice_min，omega;ice_max -混合动力模式下内燃机的最小和最大速度；
omega;load_Th - 启动混合模式的负载阈值速度;
omega;load_max - 驱动循环中负载的最大速度。
动力总成配有行星齿轮箱，omega;ice，omega;em和omega;load的关系如下式7所示。然后，永磁电机的参考速度计算如下。
2.3仿真结果
仿真的目的如下：
1.观察混合动力传动系各部件的动作。
2.分析内燃机的启动过程。
3.分析离合器接合和内燃机启动控制逻辑时序的影响。
4.分析离合器接合控制对内燃机启动的影响。
仿真中的控制信号参数如表4所示。仿真包括三部分：
- No.1-No.9 不同的电机制动时刻(Speed_Th）和离合器接合时刻(Clutch_Th)。
- No.10-No.20 不同的离合器驱动时间。
- No.6和No.13-No.16 离合器电磁线圈中增加的电流的不同波形。
表4：仿真中控制信号的参数*
*本表中控制信号的参数影响发动机启动和离合器接合的正时（见图12和图14）。
图14：模拟控制信号的指示
图15：一组参数的仿真结果（表4中的第3组）
图16显示了内燃机启动期间动力传动系的特性。内燃机启动过程如下所示：
- 点A：太阳轴的制动被释放。太阳轴可以自由运行。
- 点B：通过制动永磁电机，在行星轮上产生负扭矩。有了这个负扭矩，太阳轴积极地加速。
- 点C：太阳轴上的离合器与内燃机曲轴接合。然后内燃机曲轴速度增加。
- 点C到D：当内燃机具有阻力矩时内燃机曲轴保持加速。
- 点D：当内燃机速度超过启动阈值时，内燃机启动并产生正转矩。
- 点E：太阳轴转速与内燃机轴同步，即离合器完全啮合。
图16：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机的转矩的仿真结果（表4中的第三组数据）
2.3.1电机制动和离合器接合时间点不同所带来的影响
图16-20给出了电机制动和离合器接合时间点不同时CHPTD仿真模型的仿真结果。还介绍了内燃机和太阳轴的详细行为，两者都与离合器连接。
根据模拟结果，当电机制动和离合器接合的时间差小于0.4秒时，内燃机可以正常启动。如果电动机制动和离合器接合的时间差太大（参见图45），内燃机的速度不能达到起动阈值，则内燃机启动失败。
当电动机制动和离合器接合的时间差为零时（参见图37和38），离合器在太阳轴加速之前接合。在这种情况下，离合器没有两个板的速度差，并且使离合器板的磨损最小化。然而，在发动机启动期间，内燃机扭矩波动相当大，燃料消耗可能显著增加。
图17：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第二组数据）
图18：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第四组数据）
图19：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第五组数据）
图20：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第六组数据）
电机制动和离合器接合时间点不同的仿真结果如下：
- 电动机制动和离合器接合的时机可能会严重影响离合器的接合。
- 电机制动和离合器接合的时间差应在适当的范围内。时间差太大可能会导致发动机启动失败。太小的时间可能会引起发动机扭矩产生大的起伏，这可能会增加燃油消耗。
2.3.2不同离合器启动时间的影响
离合器启动时间是指电磁线圈中的电流从零增加到最大值的持续时间（见图12）。离合器启动时间强烈地影响动力传动系的特性。离合器启动时间应与动力传动系中所有元件的控制配合，特别是在启动内燃机期间永磁电机提供负转矩的时序。
图21：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第十组数据）
图22：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第十一组数据）
图23：内燃机启动时内燃机速度、太阳轴速度和内燃机转矩的仿真结果（表4中的第十二组数据）
通过分析仿真结果，不同离合器启动时间的性能结论如下：
对于太长的离合器启动时间，太阳轴的扭矩不能有效地传递到内燃机曲轴。然后在永磁电机给出负转矩时，内燃机由于其速度低于启动阈值而不能启动。
对于太短的离合器启动时间，当永磁电机仍处于制动模式时，内燃机启动。在这种情况下，内燃机被迫输出非常大的扭矩，这意味着内燃机启动期间的燃油消耗可能会明显增加。同时，由于内燃机的驱动，永磁电机的负转矩也在增加。永磁电机的负转矩值表示电枢中的电流。电枢电流过大会损坏永磁电机。所以，尽管离合器起动时间小的时候内燃机很快就开始运转，但对动力传动系来说并不好。根据仿真结果分析，离合器启动时间的适当值为0.4~0.5秒。
2.3.3 离合器电磁线圈中增加的电流的不同波形带来的影响
在离合
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