【2008年中国电工技术学会电力电子年会论文】1085

电控自动离合器接合位置精确跟踪控制 谢先平 王旭东 吴晓刚 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨 150040 Email：xiexianping@126.com

摘 要 自动离合器接合规律的制定和精确位置跟踪是其控制的两个难点。针对离合器接合位置跟踪问题，提出了一种具有前馈作用的专家PID控制算法，设计了专家调整策略。控制器根据专家经验自动调节控制参数，在不采用速度环的情况下实现目标位置的跟踪。离合器接合实验表明,与常规控制器相比，专家PID控制动、静态误差小，能够适应离合器负荷和目标接合速度的非线性变化,具有较好的鲁棒性,能够满足离合器位置跟踪控制要求。 关键词 自动离合器，位置跟踪，专家控制，PID控制

1．引言 电控自动离合器是机械自动变速器AMT的控制难点和核心。电机驱动式自动离合器结构简单，成本低，可控性好，对环境适应性好，动作响应迅速，得到了越来越多的研究[1]。由于离合器起步控制目标之间具有矛盾性，且起步工况和驾驶意图复杂多变，离合器和驱动电机具有很强的非线性特性，如何制定有效的起步控制策略及执行机构的准确位置跟踪是离合器控制的两个难点[2]。离合器接合控制过程短，系统参数变化大，控制精度要求高，常规PID算法难以满足要求，采用滑模变结构控制方法进行离合器位置跟踪具有较好的鲁棒性[3]，但滑模控制引起的高频抖动问题难以解决，影响了离合器接合的平顺性。采用复杂的自适应控制算法来辨识和校正控制模型不能满足实时控制要求。针对上述问题，本文提出了一种基于专家控制的离合器跟踪控制方式，并在试验样车上进行了试验验证。 2．电机驱动电路设计 离合器驱动机构由永磁直流电机、自锁式蜗轮蜗杆机构、弹簧补偿机构、位置传感器、机械限位机构和拉索等组成。所用直流电机额定电压为12V，额定转速2700 r/min，额定功率为100W。蜗轮蜗杆具有自锁功能,在电机断电后,离合器位置保持不变,同非自锁式控制方式相比,可以简化对电机的控制并提高系统的可靠性。通过电机的正反转带动拉索可实现离合器的接合与分离。在分离过程中电机负载为离合器负载和蜗轮蜗杆摩擦负载之和，在接合过程中电机负载为蜗轮蜗杆摩擦负载与离合器负载之差。根据离合器的驱动要求，电机驱动电路采用H桥PWM可逆驱动方式，驱动电路如图1所示。 本文选用2片智能功率驱动芯片infineon BTS7960B构成电机PWM可逆驱动电路。BTS7960B是一款半桥驱动芯片，具有导通电阻小、导通电流大的特点及上下桥臂防直通功能、过压、欠压、过流和过温保护功能；最大特点是它可由微控制器直接驱动，而无需中间驱动级，这一功能简化了电路结构同时提高了系统可靠性；体积小，一般无需散热片，在电路板上易于安装。片上INH为使能端，当INH为1时，芯片工作使能。当INH为0时，片上功率管始终关断。IN为PWM驱动端，当IN为1时，上桥臂导通，当IN为0时，下桥臂导通。芯片本身具有上下桥臂防直通功能，且通过外接电阻可调节死区时间的大小，这一功能可大大提高系统系统可靠性且简化软件编程。芯片的过压、过流、过温保护功能在系统故障时可起到良好的保护作用，提高了系统可靠性。利用此结构可构成电机正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。利用BTS7960B构成的H桥驱动电路结构简单、控制方式灵活，结构紧凑，可靠性高。

图1 电机驱动电路 3．位置跟踪专家PID控制算法 离合器接合位置准确跟踪是实现离合器自动控制的前提和基础。由于离合器接合规律是时变非线性的，且变化范围大，另外由于离合器负荷特性和电机具有

中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会很强的非线性特性，给离合器的精确跟踪控制带来了难度。从本质上说，离合器接合位置跟踪是一个伺服控制问题。通常的电机伺服控制系统多采用位置－速度－电流三环控制，采取合适的控制策略可以获得较好的控制效果。其中速度环需要采用光电编码器，光电编码器对工作环境要求较高，而车辆机舱内环境恶劣，考虑到成本和可靠性等因素，没有安装光电编码器，因而无法构建速度环。这对于离合器位置的跟踪控制增加了难度，为达到良好的动态性能和控制精度，就需要制定更加有效的控制方法。 PID控制是一种成熟可靠的控制方法，其结构简单，静态控制精度高，但对于系统参数变化大、动态性能要求高的系统来说就不能满足要求。专家控制是基于受控对象和控制规律的各种知识，并用智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来调整PID参数便构成专家PID控制[4,5]。本文利用专家PID控制思想来设计离合器位置跟踪控制器，基于专家PID控制的离合器位置跟踪控制系统如图2所示，基本PID控制器采用增量式PID控制算法，输入为位置误差和误差增量，输出为电机电压PWM占空比增量。

kdkpk

图2 位置跟踪专家PID控制器结构 增量式PID控制算法为： )1()([)()(−−⋅+⋅=∆kekekkekkupi )]2()1(2)([−+−−⋅+kekekekd 式中△u(k)为控制增量，e(k)、e(k-1)和e(k-2)为k、k-1

和k-2时刻的误差，ki、kp和kd分别为积分、比例和微分系数。 专家控制器以目标接合速度、位置误差及其变化率为输入，输出为PID控制参数ki、kp、kd以及采样周期T，为增强系统的动态性能，减小动态跟踪误差，设计如下参数调整策略： 1）采样周期T跟随目标接合速度vref变化，vref

越大，T越小，反之T越大，保证控制器在快速接合

时具有快速反应能力，而在低速接合时超调量小。 2）在接收到接合指令而电机尚未开始运动的初始时刻，为克服驱动机构的静摩擦和电机惯性作用，增强系统的动态性能，预先给电机绕组提供一较小的初始电压，目标接合速度越大，初始电压越大，反之越小。 3）当位置误差e(k)>M1时（M1为设定的误差限），

采用较大的ki与较小的kp和kd，以增强系统的快速性，迅速减小误差。 4)当e(k)Δe(k)>0时，说明误差朝增大的方向变化，如果此时|e(k)|>M2（M2为设定的误差界限，M2< M1），说明误差也较大，采用较大的ki与较大的kp。如果|e(k)|< M2，采用较小的ki与较大的kp。 5)当e(k)Δe(k) <0、Δe(k)Δe(k-1) >0或者e(k) =0，说明误差在朝减小的方向变化。此时减小ki，增大kp、kd，以抑制系统的超调。 6)当e(k)Δe(k) <0、Δe(k)Δe(k-1) <0时，说明误差处于极值状态，如果|e(k)|≥M2，此时选用较大的ki，否则选用较小的ki。 7)当|e(k)|kd，增大kp，以减少稳态误差。 以上策略的优点在于：不仅具有普通专家PID控制算法的优点，同时还引入了前馈控制，利用前馈控制加快系统的响应速度，增强系统的动态性能，利用专家PID控制减小系统的动、静态误差。

4．静态跟踪试验 本文的实验平台由自动离合器控制器、实验用车、离合器驱动机构和移动计算机数据采集系统等组成。控制系统核心采用infineon XC164CS高性能单片机，其具有丰富的外围功能部件和快速的运算能力。实验过程中的控制参数和结果参数通过RS-232通讯实时传送到到上位机，上位机通过自行编制的软件进行数据采集。位置传感器采用的是线性角度位置传感器。位置控制精度由位置传感器和A/D转换器的分辨率决定。本文中离合器接合行程约为30mm，对应位置传感器读数范围为170~800，折合到摇臂端的控制精度是0.046mm，可以满足离合器接合控制精度要求。根据实际经验，离合器滑摩过程中接合速度在－2.76～13.82mm/s之间，负速度表示回退，在特殊情况下离合器由于接合过多需要慢速回退。 为验证专家PID控制器的性能， 首先进行了与常规PID控制对比试验。图3 a)是采用常规PID控制的结果，b)是采用专家PID控制的结果。 图中离合器接合速度给定分为三个阶段，其速度给定分别为15.62mm/s，7.82mm/s，5.06mm/s。

131415160102030

接合位置/mm 电压/V

t (s)1 实际位置2 目标位置3 电机端电压

1

2

3

13141516-0.40.0

0.40.81.2

t (s)位置误差/mm位置跟踪误差

a) 常规PID控制实验结果

中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会4041424301020301 实际位置2 目标位置3 电机端电压

t (s)位置/mm 电压

/V 12

340414243-0.30.0

0.30.60.9误差 (mm) 位置跟踪误差

t (s) b) 专家PID控制实验结果 图3 折线跟踪控制结果比较 图3中曲线2为离合器目标接合位置曲线，1为位置跟踪曲线，曲线3为PWM控制下电机电枢平均电压，正值表示电机正向驱动，负值表示反向驱动。从图中可以看出，常规PID控制在离合器快速接合时反应慢且出现大的超调，大的超调意味着更快的接合速度，这将导致车辆起步时产生大的起步冲击，甚至使发动机熄火。慢速接合时具有较大的稳态误差，这将导致离合器接合过慢。对比位置跟踪误差曲线，可以看出，专家PID控制比常规PID控制最大误差要小50％左右，且振荡幅度和次数明显减小，稳态误差减小，具有较好的动态控制性能，从中可以看出，专家PID控制性能明显优于常规控制。从图中还可以看出，最大误差出现在电机启动阶段，这是由于静摩擦较大和电机存在机械惯性引起的，它无法消除，只能通过一定的手段来减小。 为验证控制器在不同工况下的适应性和鲁棒性，选取两种特殊工况进行试验。一种是具有多目标速度的折线跟踪，离合器接合速度给定为(13.82 9.22 6.96 2.76 -2.76 5.06 7.82)mm/s，图4是位置跟踪控制试验结果。一种是V形曲线跟踪，包含快速回退和极慢速接合两种极端工况，其接合速度给定为(7.82 5.06 -7.82 -11.50 2.76）mm/s，图5是试验结果。

3456780102030

t (s)1 实际位置2 目标位置3 电机端电压

接合位置/mm 电

压/V1

2

3

345678-0.20.0

0.2

0.40.60.8误差(mm)

t (s)

位置跟踪误差

图4多目标接合速度跟踪实验结果 66687072747678808201020301 实际位置2 目标位置3 电机端电压

t (s)接合位置/mm 电压/

V1

2

3666870727476788082-0.3

0.0

0.30.6误差 (mm) 位置跟踪误差

t(s) 图5 V形曲线跟踪试验结果 从中可以看出，在各种目标接合速度下，无论是

快速还是慢速，特别是在目标接合速度急剧变化的情况下，控制器能够根据目标速度和离合器负载的变化迅速作出调整，控制离合器跟踪目标位置变化，动态调整过程迅速，静态误差较小，表现出了较好的动态控制性能和鲁棒性。