电驱动cv调速机构的设计与仿真

电驱动cv调速机构的设计与仿真

0电控液动式cvt的优势由于金属扭转的自动低速调动，实现了真正的无产阶级低速喷射，因此可以将发动机工作在最佳经济区域，从而提高整个车辆的燃油经济性。但传统的CVT采用电控液动的方式,通过电磁阀控制液压缸推动CVT带轮的轴向位移,从而实现调速。在电控液动的CVT控制方面,前人对CVT的传动机理、控制方法和匹配等都做了较多的研究。电控液动CVT自身需要一套液压系统,因此制造成本相对较高。而电驱动CVT采用电机通过机械传动系统来推动CVT带轮,实现调速。由于没有液压系统,效率大大提高。根据在中国汽车工程研究院的效率测试表明,重庆理工大学参与研制的电驱动CVT效率达到了93.6%,较传统的电控液动式CVT提高了10%。并且由于采用电机驱动,控制精度和响应速度也可得到提高,同时系统的零件数目大大减少。因此,电驱动CVT有着广阔的前景。本文中在分析电驱动CVT的驱动机构、夹紧装置和传动装置特性的基础上,建立了电驱动CVT动力学模型,设计基于速比和速比变化率的双闭环控制器,并进行了仿真,结果表明电驱动CVT具有很好的动态响应特性,能满足整车控制需要。1电机不断收缩和压压机构设计图1是电驱动CVT的结构原理图,从图1中可以看出,电驱动CVT由驱动机构、夹紧机构和金属带传动装置构成。驱动机构采用直流电机,通过齿轮减速机构和丝杆螺母机构,实现电机的减速增扭,并将电机的旋转运动转换为直线运动。夹紧机构采用碟簧,通过其弹性变形实现对带轮的加压。金属带传动装置和传统的电控液动金属带CVT相同,由钢带和金属块组成,通过带轮的加紧,传递动力。电机旋转,通过减速机构和丝杆螺母机构调节CVT主动带轮的夹紧力,从而调整主动带轮动盘的轴向位移,从而实现CVT速比的调节。2电驱动cmt动态模型2.1电机电机转速平衡方程在实际的AMT系统中,为了减小电机开发成本,离合器和选换挡电机采用相同的型号。在恒定磁场激磁条件下,建立电机运动基本方程。电压平衡方程{Uma-Ema=RmaΙma+LmadΙmadtEmg=Κmeωm(1){Uma−Ema=RmaIma+LmadImadtEmg=Kmeωm(1)式中,Uma为电动机电枢电压,V;Emg为反电动势,V;Kme为反电动势系数,V·s/rad;ωm为电动机角速度,rad/s;Ima为电枢电流,A;Rma为电枢回路总电阻,Ω;Lma为电枢回路总电感,H。转矩平衡方程{Τm=Τ1+ΤaΤa=Jg+Jadωmdt(2){Tm=T1+TaTa=Jg+Jadωmdt(2)式中,Tm为电动机转矩,N·m;T1为折算到电动机转轴上的负载转矩,N·m;Ta为加速转矩,N·m;Jg为折算到电动机轴上总的转动惯量,kg·m2。电动机电磁转矩方程Tm=KmtIma(3)式中,Kmt为转矩系数,N·m/A。由式(1)~式(3),得永磁直流电动机数学模型。2.2带轮的动盘动盘的运动特性碟簧具有非线性的弹性特性,因此,可采用其压紧力变化较小的区域作为CVT夹紧弹簧的工作区,从而使CVT的带轮在轴向运动的过程中,夹紧力变化不大,保证CVT的转矩传递能力和效率维持在一个稳定的范围内。根据碟簧特性,可得CVT从动带轮推力Fs随带轮动盘轴向位移xs变化的特性,如图2所示。主动带轮采用与从动带轮同样的碟簧,通过电机所产生的推力实现调速。2.3带轮轴向速度的计算定义CVT速比ic为ic=rprs(4)ic=rprs(4)式中,rp、rs分别为主、从动带轮有效工作半径,m。CVT的速比变化率dic/dt由CVT自身特性、夹紧力以及输入转速有关。本文中我们采用Carbone模型进行描述dicdt=ωpΔβ(1+cos2β)sin(2β)kc(ic)|lniF-lnisF|(5)dicdt=ωpΔβ(1+cos2β)sin(2β)kc(ic)|lniF−lnisF|(5)式中,iF为主、从动轮推力比,iF=FpFs‚Fp为主动带轮推力,N;isF为速比稳定时主、从动轮推力比,iFs=FpsFss‚Fps、Fss分别速比稳定时,主、从动带轮推力,N;ωp为主动带轮转速,rad/s;Δβ为带轮变形系数,Δβ=cΔβ0+cΔβ1Fs,cΔβ0、cΔβ1为常数;β为带轮半槽角,rad;kc(ic)为随速比变化的多项式,kc(ic)=rpD0ic(ck0+ck1lnic)‚D0为主、从动带轮中心距,m、ck0、ck1为常数。根据CVT的运动学关系,带轮轴向位移可由下式计算{xp=2(rp-rmin)tanβxs=2(rmax-rs)tanβ(6)式中,xp为主动带轮轴向位移,m;rmin为带轮最小工作半径,m;rmax为带轮最大工作半径,m。假设带轮包角近似为180°,则主、从动带轮上的工作半径之和为常量。则可得主、从盘带轮轴向速度为dxsdt=-dxpdt=2r2stanβrp+rsdicdt(7)根据式(4)~式(7),可由CVT当前的速比和工作半径以及夹紧力,计算得到CVT的速比变化率,获得带轮轴向移动速度,从而计算出下一时刻CVT的速比。这样便可获得CVT动态的调速模型。3控制器控制规则集为了使CVT获得良好的速比响应性能,采用位置和速度双闭环控制方式。CVT主动带轮的位置采用模糊控制器进行调节。它将主动轮动盘位置偏差Δxp,位置偏差变化率dΔxp/dt以及负载转矩T1作为输入量,输出量为目标CVT主动带轮动盘的轴向目标移动速度vpr。各变量的语言集如下。Δxp:{负(N)、零(Z)、正(P)}dΔxp/dt:{负大(NB)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)}T1:{小(S)、中(M)、大(B)}vpr:{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}为了使电机获得良好的跟随性,本文中采用的隶属度函数如图3所示(已作归一化处理)。模糊控制器控制规则集见表1。速度调节器采用PI控制器,将动盘的目标速度vpr作为输入量,输出为调速电机的脉宽调制的占空比信号。4模拟分析4.1u3000织物上的动态特性由前面的分析,建立CVT控制仿真模型,如图4所示。目标速比通过CVT几何关系,可以确定主动带轮动盘的目标位置xpr。动盘的目标位置与实际位置xp的偏差、偏差变化率dΔxp/dt以及调速电机负荷Tl作为位置调节模糊控制器的输入量,模糊控制器的输出为主动带轮动盘的目标移动速度vpr。目标移动速度与实际速度vp的偏差为速度PI控制器的输入量,输出为PWM占空比信号Dm,PWM转换器根据占空比信号,输出相应的电压uma给调速电机。调速电机产生的转矩经齿轮减速机构和丝杆螺母机构,转化为轴向力,加上碟簧的轴向压力,作用到CVT主动带轮上。速比变化率模型根据主、从动带轮夹紧力以及CVT的当前速比ic,计算出速比变化率dic/dt,从而计算出主、从动带轮动盘的移动速率,通过积分获得主、从动带轮动盘的实际位置,最后计算出CVT的实际速比。4.2带轮被夹力变化对高速车辆速比的影响在Matlab/simulink仿真平台上建立仿真模型,主要仿真参数见表2。图5为全速比范围响应仿真结果。速比从0.5变化到2.4共耗时3.8s(图5a),这与试验测试结果4s非常吻合。在调速初期,主动带轮夹紧力变化较大,这是由于电机转矩动态增加的原因。从动带轮夹紧力由碟簧特性决定,变化平稳(图5b)。图6为速比阶跃响应仿真结果。初始速比为1.0,目标速比icref为1.5,整个过程耗时1.2s(图6a),满足车辆在行驶过程中对速比响应的要求。主动带轮夹紧力在调速过程中变化较大,当达到目标速比后,逐渐稳定在夹紧力平衡位置(图6b)。图7为速比正弦响应仿真结果。目标速比为正弦信号,周期4s。从图7a中可以看出,实际速比基本能够跟随目标速比的变化,只是在速比上升较快的过程中,与目标速比存在一定的偏差。控制器根据偏差(换算成主动带轮目标位置的偏差)的大小,调整电机的输出转矩,使其跟随目标速比的变化(图7b)。5双闭环控制器模型(1)