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无级变速器控制系统与硬件在环仿真研究

作　者: 郝允志
导　师: 孙冬野
学　校: 重庆大学
专　业: 车辆工程
关键词: 汽车无级变速器硬件在环仿真夹紧力速比
分类号: U463.212
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

常规的变速器试验台是以模拟车辆实际运行工况为目标建立的,结构复杂、成本高、功耗大。为克服这些缺点,本文对基于无级变速器(Continuously Variable Transmission, CVT)的空载/轻载型硬件在环试验台的设计理论和试验方法展开研究,主要工作内容如下:①新型硬件在环试验台设计。提出了将真实CVT置于仿真回路中的硬件在环仿真试验台结构,采用小功率电机代替发动机和加载设备,构成小功率电封闭试验台,CVT处于空载/轻载状态运行,在保证试验精度的情况下,大大降低了试验台的成本和功耗。②CVT基本性能试验。1)夹紧力阀特性试验结果表明:稳态系统压力主要取决于工作电压,在主要工作压力范围内呈线性关系;瞬态系统压力具有良好的动态响应性能,能够适应工况的剧烈变化,转速对系统压力的瞬态特性影响较小,只对低速下的压力升高过程有明显影响。2)速比响应特性试验表明,速比响应过程与传递转矩无关,低速时的速比减小过程存在响应延迟,延迟时间随转速的升高而逐渐减小并消失;提出了面向控制的速比变化率测量和计算方法,避免了传统方法依赖于主动轮压力的问题。3)对CVT的功耗和传动效率进行了试验,结果表明:空载转矩损失取决于速比和系统压力,与转速基本无关,当速比小于1时,转矩损失随速比的减小而快速增大,当速比大于1时,转矩损失与速比基本无关;传动效率也基本与转速无关,因此可以通过测量低速下的效率来反映CVT的整体效率特性,从而提出了利用小功率电机测量CVT效率的方法。③控制体系分析与系统建模。1)将CVT控制体系结构分为驾驶员、控制策略、控制算法、执行机构、传动系统五个层次,分别对应于提出需求、设定满足需求的目标、制定实现目标的方法、控制执行机构实现目标、系统响应使需求得到满足。2)在建立传动系统主要部件模型的基础上,采用功率流建模方式构建了传动系统整体模型;更进一步,将仿真模型与试验台相结合构建了CVT硬件在环仿真试验系统。④底层控制算法研究。1)提出了夹紧力半闭环控制算法,由系统压力控制表得到基本控制量,由闭环控制算法计算修正控制量,充分利用对象的已知信息,提高了系统的鲁棒性和动态响应性能。2)提出了基于动态安全系数的夹紧力控制方法,分析目标夹紧力影响因素和发动机转矩波动特性,根据传动系统发生转速突降时的发动机转矩变化趋势和变化范围来设定安全系数,论述了动态安全系数法的计算流程,仿真结果表明:该方法能够保证转矩传递可靠性,明显降低夹紧力。3)在速比控制方面,提出了基于主动耦合干预的无级变速器速比控制方法,利用夹紧力控制与速比控制之间的耦合作用,在保证夹紧力安全的基础上,通过联合调节主、从动轮油缸压力来干预速比控制,扩大速比变化率的可控范围,仿真结果表明:该方法在保证可靠性、经济性和舒适性的前提下,改善速比跟踪性能和提高动力性,增强对驱动轮打滑等恶劣工况的适应性。⑤上层控制策略研究。1)在稳态控制策略方面,针对现有无级变速传动系统效率优化算法的不完整性,以整体效率最优为目标,设计最佳工况点求解算法,制定基于功率需求的传动系统整体优化控制策略,将满足功率需求的最高效率点作为基本控制目标,以实现最佳经济性;当功率需求超出传动系统功率范围时,将当前车速下的最大输出功率点作为控制目标,以实现最佳动力性;求解液力变矩器理想状态切换线,制定实际切换控制线。2)在瞬态控制策略方面,针对无级变速车辆在急加速工况下出现的动力疲软问题,提出了瞬态工况下基于有效功率的通用补偿控制方法,以变速器输入功率作为控制目标,克服了现有控制方法依赖于车辆及路况信息的缺陷,通过分层次量化补偿功率,将控制方法划分为功率维持、零功率、增加后备功率和综合模式等四种控制模式,为灵活设定过渡曲线和优化瞬态工况性能提供量化依据,仿真结果表明:该控制方法能够实现所要求的补偿效果,克服急加速过程中的动力疲软。本文研究成果不仅为CVT性能测试和控制系统的研究试验方法开辟新的途径,也为其他类型的自动变速器和传动机构的研究提供借鉴,甚至可作为一种较为通用的传动系统硬件在环仿真试验方法。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-12
1 绪论  12-32
  1.1 课题来源及背景  12-16
    1.1.1 课题来源  12
    1.1.2 无级变速器行业背景  12-14
    1.1.3 硬件在环仿真行业背景  14-16
  1.2 CVT 技术研究概述  16-27
    1.2.1 CVT 结构和原理  16-17
    1.2.2 CVT 技术研究现状  17-27
  1.3 硬件在环仿真研究概述  27-31
    1.3.1 硬件在环仿真原理  27-28
    1.3.2 自动变速器硬件在环仿真研究现状  28-31
  1.4 论文主要研究内容  31-32
2 CVT 硬件在环试验台设计  32-52
  2.1 前言  32
  2.2 硬件在环试验台方案  32-38
    2.2.1 研究对象简介  32-34
    2.2.2 试验台总体结构设计  34-35
    2.2.3 实时仿真平台的选择  35-36
    2.2.4 试验台主要设备选型  36-38
    2.2.5 试验台功能维护与扩展  38
  2.3 试验台硬件及驱动程序设计  38-49
    2.3.1 目标机启动方法  38-40
    2.3.2 采集卡驱动程序设计  40-45
    2.3.3 CVT 接口板设计  45-47
    2.3.4 电机控制柜设计  47-48
    2.3.5 变频器通讯程序设计  48-49
  2.4 试验台软件界面设计  49-50
  2.5 本章小结  50-52
3 CVT 基本性能试验研究  52-72
  3.1 前言  52
  3.2 CVT 基本性能试验内容  52-53
  3.3 夹紧力阀特性试验  53-55
    3.3.1 夹紧力阀稳态特性试验  53-54
    3.3.2 夹紧力阀瞬态特性试验  54-55
  3.4 速比响应特性试验  55-64
    3.4.1 速比变化率影响因素  55-56
    3.4.2 速比响应特性试验  56-59
    3.4.3 面向控制的速比变化率分析  59-62
    3.4.4 速比控制与夹紧力控制间的耦合作用  62-64
  3.5 采用小功率电机测试CVT 效率  64-70
    3.5.1 电机与发动机特性比较  64-65
    3.5.2 CVT 空载功耗试验研究  65-68
    3.5.3 CVT 传动效率试验研究  68-69
    3.5.4 测量传动效率时的驱动电机选型  69-70
  3.6 本章小结  70-72
4 CVT 控制体系与系统建模  72-92
  4.1 前言  72
  4.2 CVT 控制体系  72-75
  4.3 主要部件模型  75-83
    4.3.1 发动机模型  75-76
    4.3.2 液力变矩器模型  76-78
    4.3.3 系统压力模型  78
    4.3.4 速比变化率模型  78-80
    4.3.5 CVT 效率模型  80
    4.3.6 离合器模型  80-81
    4.3.7 行驶阻力模型  81
    4.3.8 轮胎模型  81
    4.3.9 传动系统动力学模型  81-83
  4.4 传动系统仿真模型  83-85
    4.4.1 功率流建模方式  83-84
    4.4.2 数据流建模方式  84
    4.4.3 CVT 传动系统模型  84-85
  4.5 硬件在环仿真模型  85-89
    4.5.1 模型整体结构  85-86
    4.5.2 CVT 接口模型  86-88
    4.5.3 电机控制模型  88-89
  4.6 硬件在环仿真方法  89-90
    4.6.1 硬件在环仿真内容  89-90
    4.6.2 硬件在环仿真方法  90
  4.7 本章小结  90-92
5 CVT 底层控制算法研究  92-110
  5.1 前言  92
  5.2 夹紧力半闭环控制算法  92-94
    5.2.1 半闭环控制算法原理  92-93
    5.2.2 夹紧力半闭环控制算法  93-94
    5.2.3 仿真结果分析  94
  5.3 基于动态安全系数的夹紧力控制  94-101
    5.3.1 动态安全系数概念  95-96
    5.3.2 安全系数法的传动可靠性  96-97
    5.3.3 夹紧力的动态安全系数控制法  97-99
    5.3.4 仿真结果分析  99-101
  5.4 基于主动耦合干预的速比控制  101-108
    5.4.1 速比变化率特性分析  101-102
    5.4.2 基于主动耦合干预的速比控制  102-105
    5.4.3 仿真结果分析  105-108
  5.5 本章小结  108-110
6 CVT 上层控制策略研究  110-128
  6.1 前言  110
  6.2 功率需求控制策略  110-111
    6.2.1 加速踏板开度的含义  110
    6.2.2 功率需求控制策略  110-111
  6.3 传动系统整体效率优化控制策略  111-120
    6.3.1 传动系统效率分析及建模  112-115
    6.3.2 整体效率优化控制策略  115-118
    6.3.3 仿真结果分析  118-120
  6.4 瞬态工况下的功率补偿控制  120-126
    6.4.1 瞬态工况特性与新方法的提出  120-121
    6.4.2 瞬态工况下的功率补偿控制  121-124
    6.4.3 仿真结果分析  124-126
  6.5 本章小结  126-128
7 全文总结  128-132
  7.1 论文的主要研究工作及结论  128-130
  7.2 论文的主要创新点和继续研究的方向  130-132
    7.2.1 主要创新点  130-131
    7.2.2 继续研究的方向  131-132
致谢  132-134
参考文献  134-148
附录  148
  A.作者在攻读博士学位期间发表的论文  148
  B.作者在攻读博士学位期间申请的专利  148
  C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  148

无级变速器控制系统与硬件在环仿真研究

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