变速器动态模拟试验台解耦控制方法研究

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汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其性能直接影响到汽车的可靠性、动力性和燃油经济性 ，冈此必须通过试验测试和分析来验证其各种参数的合理性，为变速器产品设计与质量评价提供可靠的科学依据。目前国内的变速器试验台多是采用以稳态工况为主的疲劳寿命试验，然而随着变速器设计品质要求的不断提高，这种稳态工况模式远远不能达到对变速器各项工作指标的测试要求-。动态下况模式要求试验台能够模拟与路面随机载荷近似的动态工况试验，以便对变速器实际工作中的参数进行测试。然而动态加载模拟对系统的快速反应能力和控制精度有较高的要求，动态加载过程中转速与转矩之间的耦合影响是需要解决的关键技术之-。利用近几年发展起来的动态加载技术，设计-种新型的变速器动态模拟试验台，较好地解决了控制过程中驱动转速和加载转矩相互耦合的问题，有效提高了试验台的动态模拟功能。

2试验台动态加载系统组成与原理系统的总体结构，如图1所示。驱动电机通过联轴器与转速转矩传感器和变速器输入端连接，变速器输出端通过联轴器连接另-个转速转矩传感器和加载电机。驱动电机进行转速调节 ，加载电机为试验提供负载转矩，工业控制计算机通过对两个电机的动态控制完成对变速器各种工况的测试。系统的换档机械手可以对手动变速器进行在线换档 ，系统具有对被试变速器转速、转矩 、油温和振动信号的测量功能。

3电气系统耦合特性分析异步电动机的定子电压方程用下式表示：vlR e cD L ie L ，J，A： 1由上式可知定子电压可分成三个部分：1定子绕组电阻引起的压降R i：：式中，R -定子电阻；- 定子电流；来稿日期：2012-11-04基金项目：莺庆市科技攻关计划项目cstc201lggB60010；重庆高校优秀成果转化资助项目Kjzhl0211作者简介：李文礼，1983-，男，河南驻马店人，博士研究生，主要研究方向：汽车传动系试验检测技术第9期 李文礼等：变速器动态模拟试验台解耦控制方法研究 912耦合电压09eo'L i：：式中： -同步角速度；口～总的漏感系数； -定子电感；3定子反电势电压 /L A：：式中：A：-转子磁通；- 定子之间的互感； .-转子之间的互感。

图 1试验台动态加载系统总体结构图Fig.1 System Configuration of Dynamic Loading Test-Bench当采用转子磁场定向时，有ArA：常数，A：，0，则异步电动机电压方程为f4-Sl：trL ：～ e crL - R ； o'L e L 见，A： 2式中：A A： -转子磁通的的d-q轴分量； 毛-定子电流的d1轴分量江上厶 定子电感，转子电感和定转子互感； ：- 同步 d-q坐标系下定子电压的的dq轴分量。

对应公式2反映电动机交叉耦合情况的动态结构图可用如图 2所示中虚线框内部分来表示。从图中可以看出，定子激励电流和转矩电流分量存在交叉耦合的情况，使得转矩电流的调节受到激励电流的影响。这里为了简化分析，反电势 L 已经通过电压补偿环节抵消掉了。

图2解耦控制原理图Fig.2 The Decoupling Control of System由1式中的 q 可知，交叉耦合电压与速度等因素有关。变频调速时，交叉耦合电势随着 的变化，耦合电势的存在直接影响着调速系统的速度控制性能，因此需要采取措施加以解耦。

采用单位矩阵法设计解耦网络，它要求被控对象的特性矩阵与解耦矩阵的乘积等于单位矩阵。令 V e /L，A：由式2则有：-
eV sV
q 引入解耦矩阵Cs和控制变量lsl得34单位矩阵法实现异步电动机解耦的原理是使得下式成立。

㈥ ；∞ l G j 5
解得解耦矩阵 Gs的传递函数为：G ：R -s 7 6ccJ o'L R ，J s J利甩单位矩阵法解耦可以得到两个彼此独立的等效控制系统，而且控制对象的传递函数为 1，单位矩阵法解耦的异步电动机解耦控制原理图，如图2所示。

4机械系统耦合特性分析变速器试验台动态加载系统在速度调节和负载变化等动态过程中，由于电磁滞后环节和机械传动惯量及摩擦阻尼的影响，仅对电磁耦合进行解耦，很难实现系统完全解耦。因此必须考虑试验台机械耦合对整个系统的影响。

驱动电机带动被试变速器和加载电机运动，忽略编码器惯量等因素的影响，系统动力学方程为：- B/oBto 7式中： ～电机的电磁转矩； -电机的外部驱动转矩； -驱动电机转动惯量； 加载电机转动惯量；曰 -驱动电机的粘性摩擦系数； ，-负载电机的粘性摩擦系数。

对于旋转机械负载，其阻力矩与转速之间存在固定的关系 ，可以用下式来表示：d 鼬 删bw 8式中： -恒定的转矩；产-转动惯量； -粘性摩擦系数；a和6-速度的平方和立方的系数。

由式78可知在变速器试验台实际的动态控制过程中，尺竹.

二詈机 械 设 计与 制 造No.9Sept.2013加载转矩变化将引起驱动系统输出转速的变化，而转速变化同样影响加载转矩的变化。系统的耦合，如图3所示。从图3中可以看出这是-个双输入双输出系统。

图 3驱动转速与加载转矩耦合系统Fig,3 The Coupling System of Drive Speed and ad Torque图中：GAs-驱动转速调节系统；G s-驱动转速系统传函；GBs-驱动转矩调节系统；G：s-加载转矩系统传函；K和K，-转速环和转矩环的反馈传感器的系数；K： -转速环对转矩环的耦合影响，在该环节中，包含有齿轮、惯量盘、联轴器等元件的当量转动惯量以及当量阻尼系数，起主导作用的是负载系统的转动惯量。

由于负载系统转动惯量通诚大，导致在转速变化不剧烈时驱动系统对加载系统的干扰也比较大。K.s为转矩环对转速环的耦合影响，转矩变化引起驱动系统加速度变化，进而产生速度变化，加速度和速度变化引起惯性力和粘性阻尼变化 ，从而又影响到实际的转矩输出输入变化，加剧了两系统之间的耦合作用。在对系统解耦时，首先要寻找-个能反映扰动特f生的可观测量，通过前述试验台建模过程分析，在转速控制时取负载转矩为观测量，转矩控制时取转速为观测量101。其解耦方式，如图4所示。

图4解耦系统方框图Fig.4 Decoupling Control Scheme在图4中.，s为外界干扰量，Xs和 Ys为系统输入输出量，Ms为与系统惯量和阻尼有关的矩阵，Ns为与系统惯量和阻尼无关的矩阵，Fs为1二扰矩阵。外干扰 ls和负载变化 rs的影响通过补偿环节Es来抵消。

rsⅣsMsXsⅣs sEs，s，sⅣsMsXsⅣ MsEs1，s 9由9式可知，Ms，Ns，，s不为0，因而要消除负载和外干扰的影响只有令 ：sEs10 10对于试验台的单变量系统，补偿环节Es可取为标量形式，引入补偿控制后，系统为独立系统。

rsMsNsXs 11为使按式11设计的补偿控制器可以物理实现，可对 s传递函数进行适当简化，往往用-阶微分环节或比例环节取代高阶微分环节就可取得满意的效果。于是，E 的获得有两种方式：1获得系统的惯量和阻尼参数，通过计算公式可以求出耦合系统的传递函数。2通过试验测量各种工况下转速转矩相互耦合影响的数据曲线，然后用数据拟合的方法估计耦合系统的传递函数。

6000.4oo20o6Oo04oog 2000O363432.鲁3028， ， ， ， ， . - . - - -a-档曲线解耦前.- - - ， - ，
/ -- 0 5 1O l5时间 sb-档曲线解耦后6Ooo.4ooo200003634Z 32， 3o28时间fsc三档曲线解耦前p - -， ， .
--， ， - 0 5 10 15时间fsd三档曲线解耦后No.9Sept.2013 机械设计与制造93e31挡曲线解耦前f五档曲线解耦后图 5-、三、五档工况解耦前后对比Fi昏5 c parison。f Gear 1,3，5 Bere and After Decoupling忽略系统阻尼的影响，加载端的被试变速器
、联轴器 、传动轴、传感器、电动机转动惯量折算到被试变速器输入端的总惯量可以由下式获得。

Js/z 12式中：.，-加载系统折合到被试变速器输入端的总惯量；-被试变速器输出端的总惯量；-被试变速器传动比
。

令系统的总惯量系数为 ，系统忽略阻尼后的解耦函数简化为：以 - 13
Jfi K在初始始转速为 1500r/min，如图5所示
。 初转矩为 30Nm.

给定转速上升速率为150ds的条件下
，利用表 1中的被试变速器传动比和加载系统折算到被试变速器输入轴的总惯量
，对系统进行未解耦和解耦状态下进行仿真的结果
。 未解耦时，当转速响应为匀加速时，系统的转矩产生了～个固定的转矩抬升
，说明由于加载系统的转动惯量的缘故使得被试变速器的输人段产生了
- 个固定的叠加转矩，该转矩即为转速环对转矩环的耦合影响
， -
、三、五档引起的转矩阶跃分别为：0
.62N·m、2.7N.m
，9N.m，可以看出传动比越小则耦合影响越大
，传动比越大耦合影响越校从增加了解耦补偿环节后的系统转矩转速响应曲线可以看出转速对表 1变速器传动比对应的总转动惯量Tab.1 The nertia Correspond TransmissiOn RatiO5结论变速器试验台动态加载系统存在两种耦合
，- 种是电压 、电流、频率和相位引起的电磁耦合 ， - 种是转动惯量和摩擦阻尼引起的机械耦合。这两种耦合都将对系统的动态控制性能产生影响，如果不对其进行解耦，系统驱动转速和加载转矩间的相互干扰误差较大，明显降低动态控制系统的控制精度
。 利用电磁解耦和机械解耦两层解耦方法，在系统中加入解耦算法和控制元件
.

可以有效消除驱动转速和加载转矩之间的耦合影响
，使系统的控制性能显著提高。