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换档接合过程的传感器容错控制自动手动变速器
摘要：机械式自动变速器（AMT）执行器上的角位移传感器是对故障敏感的感应装置，传感器故障会扰乱其正常控制，影响AMT的整个换挡过程，并会导致乘坐舒适性降低。为了针对性的解决这个问题，本文提出了一种AMT变速器参与容错控制的方法。通过执行器电机的测量电流和和角度执行器的位移，换挡结合负载扭矩表在传感器故障发生之前建立。同时，之前残差测量角位移用于检测传感器故障。一旦残留超过确定的故障阈值时，传感器就会被检查到故障，然后切换控制被触发，并且当前的观察者和负载转矩表估计实际的换挡数值和实验测试进行评估的可靠性和可行性提出的方法，结果表明，估计和性能控制令人满意。
- 简介
机械式自动变速器（AMT）基本上是带有附加机电的手动变速箱（MT）执行器。变速杆由各种自动执行机构取代，这些机制包括直流电（DC）电机被广泛研究和使用。AMT保留了MT的高效率和低成本的优点，并且提供类似于自动变速器（AT）的便利。在混合动力电动汽车上的广泛应用（HEV）和电动汽车（EV）显示了AMT的巨大潜力。在EV或HEV动力总成的风格中，AMT直接与驱动电机连接。它的优良表现不仅仅归功于驾驶的控制策略电机，而是转向变速过程的控制方法。
目前对AMT的研究主要针对发动机，离合器，能量管理和车辆的控制方法动力学，而变速过程的细节被忽略。在换档过程中，齿轮分离从齿轮到中性的过程很容易实现。因此，换档接合过程是主要研究
焦点。在以前的研究中提出了许多不同的方法来实现可接受的换档性能并解决难题由系统的非线性引起。朱等人更注重对速度的同步控制
传动来缩短换档时间。钟等人提出了基于线性二次调节的位置反馈控制的最优控制算法，以确保变速过程的可靠性。林等人把换挡过程划分为两个阶段并且设计了控制策略以提高换挡质量。这种方法依赖于合适的时间来切换控制，并且该时间是从位移传感器获得的位置。Tseng等人使用神经网络设备估计器通过估计负载来实现换挡的的鲁棒位置控制转矩和模型参数。鉴于MT模型的困难变速期间的动力终端，在原模型AMT中，已经提出并研究了许多新的AMT模式，例如Inverse-AMT，Zeroshift hub，辅助电机AMT和不间断机械传送。但是这些精心设计的复杂的机械结构和控制策略，目前在实践中并未使用。许多研究都集中在AMT的换挡控制上，但是很少考虑故障对控制性的影响。该AMT执行机构角位移传感器提供了一个基本信号，其故障将导致严重的后果。与角位移传感器的故障有不同类型：（1）满量程信号故障。角位移传感器很容易被物理途径破坏，传感器始终输出满量程电压。 （2）无信号故障。没有电源就无法获得信号。 （3）传感器偏置故障。电力供应的波动和老化和传感器的损坏会导致信号偏离其标称值。随着传感器故障诊断的重点增加，基于模型的容错控制被广泛控制。张等人提出一种主动容错的控制方法在具有独立驱动轮毂的电动机的电动汽车的故障触发开关模式。切换策略在文献中使用根据检测结果在测量速度和估计速度之间进行选择。切换策略
在文献[22]中使用根据检测结果在测量速度和估计速度之间进行选择。越来越多的文献尝试对故障进行估计，然后加上对原有控制的故障补偿以减少故障故障的影响。事实上，一旦传感器出现故障，它就会变得不定，难以捉摸。在这种情况下，即时故障的估计和补偿将会变得更加复杂跟困难。因此，本文提出了一种关于换挡啮合角位移传感器故障的控制方法。在AMT运行的过程中，以保证正确行为。本文的贡献是执行器电机电枢电流的设计观察者和换档接合负载转矩行为，并且该行为在发生之前被建立和更新传感器故障。检测到传感器故障后，传感器信号由负载转矩行为（传感器故障信号）替代将不再使用。本文的其余部分安排如下。第2部分分析了一种类型的AMT执行机构模型并引入了一个标称值换挡啮合载荷力的数学模型。第3节提出了两位观察员来估计必要的变量在控制器中使用，并且开关触发由传感器故障的发生，则线性反馈控制器为用于容错控制。第4部分是对模拟和实验结果的介绍和分析。最后，第5节给出了结论。
- AMT执行器的分析
本节分析了AMT的执行器数学模型和换挡啮合负载力。 基于传统的5档和2档手动变速箱，我们设计了一个由两个直流电机驱动的执行机构来实现自动化换档。 AMT的载荷力分析与MT相同，相关研究中分析的方法和方程可以被利用。 虽然这个执行器是一个完整的非线性模型，通过分析其机械结构执行器和使用测力计来校准直流电机的参数，建立实际系统的性能的线性近似模型是可行的。 此外，换挡啮合过程将整个过程分为几个阶段，我们试图建立一个近似的非线性模型来反映主要的动力学过程整个换挡啮合过程。 最后，基于数学模型建立了执行器的Simulink模型。
2.1执行器系统建模
低压便宜的直流电机通常驱动转矩小，为了克服换档负荷力，致动器设计用于增加输出扭矩。同时，考虑到AMT执行器的成本，工作条件充分的振动和直接位移信号的要求，比编码器是角位移传感器是比较好的选择。AMT执行机构的结构如图1所示。图1（a）的右侧部分是齿轮选择部分的结构。一对蜗杆和齿轮用于增加扭矩并降低蜗杆轴的转速。蜗轮的旋转导致正齿轮沿着齿条移动，这实现了选择档位。该图的左侧部分是换档部件的结构。同样，旋转扇形齿轮由另一个直流电机通过一对蜗轮和齿轮带动，扇形齿轮转动来回移动手指以实现换挡的动作。两个传感器安装在蜗轮轴的末端被用来分别测量蜗杆的角位移。换档部分的分析途径和方法选档部件类似，两部分可完全分离。因为考虑到换档传感器更多重要且易受影响使的用频率和条件，本文主要研究换档部分。执行器的原理图如图1（b）所示。 TX和hX代表输出转矩和角位移分别是执行器电动机的。换档动态方程可表示为：
a）执行器三维模型 b）执行器原理图
图1 AMT执行器的结构
其中Ti是对应于每个物体的扭矩，Ii，Ci和Ki是机械惯性，阻尼和刚度系数，hi，hi和hi分别是角位移，速度和加速度，FL是换档负载力，LSH是换挡杆臂。上面的下标索引i表示相应的机制部分。从经验分析和实验数据，该执行机构的主要参数列于表1。等效的动力学方程可以改写为：
加上直流电机的电气方程，执行机构的换档部分可简化为2自由度系统：
其中u（t），i（t）和x（t）分别为控制电压，电枢电流和角速度，Ra，La，Ke和Kt为电阻，绕组电感，反电动势系数和转矩系数。建模不确定性和扰动d由模型误差组成，例如AMT的参数扰动执行器和外部干扰如执行器的振动。校准参数获得的标称值用来描述模型，d的上限在实际值偏差范围内，最大值为5％。通过定义状态向量x = ，输出y = i，系统（3）可以在状态空间中被表示为：
此时
2.2换档啮合载荷力分析
换挡啮合过程是一个非常复杂的动态过程，不能用统一的方法来证明
数学模型。洛瓦斯等将这个过程分为八个阶段并给出详细描述。陈等人利用混合自动机模拟整个参与过程的动力学。但是，他们没有采取这种关系考虑整个过程的载荷力和套筒位移之间的关系。 同时，为了处理这些在计算阶段，整个过程分为六个阶段，以及换挡啮合模式过程如图2所示。建立每个阶段的负载力
第一阶段：滑块和套筒与其接触表面上发生的摩擦一起移动，这表现出图2中从（1）到（2）的过程。负载力被描述为：
其中和是接触表面的摩擦系数，槽角度，刚度系数和初始值压缩弹簧力的长度。这个阶段轴套和滑块轴向移动时没有较大的机械阻力。
第二阶段：滑块推动同步环与接合的齿轮和油膜接触同步环与啮合齿轮之间的速度逐渐被压缩，如果同步环的速度超过零，加载力通常大于换档力。特别是，同步环速度现在会停止与被啮合的齿轮完全接触，并发生冲击。考虑流体动力学的详细载荷力可以在文献[27]中找到。 但是，因为相应的参数很难获得。负载力可以简化如下：
其中Ks和Cs是油膜的等效弹簧刚度和阻尼系数，是锥面的距离，是套筒的轴向速度。 我们可以使用实验结果近似拟合参数Ks和Cs。由于花键角度的特殊设计，套筒停止移动，直到两者之间的角速度差异同步环和啮合齿轮接近零。 在此期间，负载力等于执行器提供的力发动机.这个阶段如图2（b）所示。
图2 换挡啮合过程的模式
第三阶段：同步过程后，同步环与被啮合的齿轮具有相同的角速度。在连续换档力的作用下，套筒开始转动同步齿圈转动一个小角度并移动轴向。 同时，由于滑块遇到大阻力，滑块会停止移动，滑块弹簧将被压缩滑块和套筒之间逐渐发生相对运动，如图2（c）所示。 装载力是给定为：
其中和是因素，Ft是换档接合力。因素和的详细描述是
如附录A所示。
第四阶段：在齿轮转动阶段之后，套筒以小的摩擦阻力轴向移动，直到它进入接触被啮合的齿轮，并将滑动销完全压入套筒下。 这个阶段的负载力是：
其中是滑块弹簧的最大压缩量。
第五阶段：尽管被啮合的齿轮的角速度与同步后的套筒一致，被啮合的齿轮从同步环脱离转向阶段使得角速度差异它们存在。 被啮合的齿轮的空间位置是变化的，这可能会妨碍套筒的移动，第二次碰撞
通常发生在这个阶段，如图2（e）所示。 负载力是：
其中是因子，详见附录A. 由于图2（e）所示的p是相对位置
啮合齿轮和套筒。 细节和分析可以在文献[28]中找到。
第六阶段：推动挂入的齿轮转动一定角度后，套筒连续运动，摩擦力小当自锁球进入下一个槽后，换挡啮合过程结束。装载力类似于方程式的力量。就像（8）描述。在整个过程中，在上面分析的主要负载力，与套筒的速度有关的阻尼力作为一种类型的载荷力加入到载荷中。同时，转型过程中的显着影响也在这里建模，尤其是转型在同步之前。但是，油膜，热，磨损和变形的影响过于复杂在这里忽略。我们首先建立换挡啮合过程的动力学模型，然后附加的加载力与可以在潜水电机的主动速度调节之后获得运动，同步之间的角速度差环和啮合齿轮保持20弧度/秒。在套筒上加上一个恒定的换档力，模拟结果MATLAB / Simulink如图3所示。图3中的两条曲线都表示上面分析的相位。如果换挡啮合力保持不变，则关系除了在第二次碰撞处的力之外，负载力和套筒位移之间不会有所变化位置。此外，图3中的模拟载荷突然变化在实践中并不存在。
- 容错控制器设计
在本节中，设计了两个检测器。第一个检测器用于估计发生前的负载转矩传感器故障。同时，使用估算的负载转矩建立负载转矩表，并在每次换挡啮合过程中更新表格。通过与测量值进行比较估计的角位移监测传感器是否有故障，如果他们的角位移的误差超过了阈值，则检测到故障。一旦发生故障，第二个监视器代替第一个监视器作为主监视器。实际电流在不考虑负载转矩和负载电流的情况下分解为额定电流。建议的结构控制方案如图4所示。在出现传感器故障之前，使用估计的和。一旦传感器故障被检测到时，将使用通过使用滑动模式监视器测得的表格数据和估计的角速度。该虚线圆表示可控开关，由故障阈值控制，带箭头的虚线表示控制流。
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- 未知的输入检测器设计没有错误
由于无法测量电机的角速度，因此输出与负载转矩之间的连接是不存在，即rank（CD）= 0，这是执行器电机精确控制的主要问题。 在本节中，我们使用未知输入检测器来估计所有可用变量。从第2节中的分析和仿真曲线可以看出，每个阶段的载荷力大致是线性的。 由于直流电机的快速响应，假设在控制周期=0，通过定义状态矢量，输出矢量，系统分布，并考虑到角位移传感器上的错误，其状态空间为：
其中hm和hs是直流电机和传感器的角位移，是传感器故障，是从蜗轮到齿轮的齿轮比，以及
提出以下全阶未知输入观测器（UIO）来估计状态变量：
其中f和分别表示观察者系统状态和g的估计。 矩阵M，L和G是合适的尺寸。
其中e=-是估计的误差
在不考虑传感器故障的情况下，误差动态可以被描述为
图4 容错控制的总体控制方案
式（13）是待定的，这些矩阵中的某些元素需要主要确定。 尽管如此，x不能测量，传统方法解决所需的充分条件不满足[30]。 在文献[31]中，排名条件被去除，但是一些矩阵的伪逆是计算的。 基于公式 （13），以下等式得到：
通过设计矩阵G和K使M成为Hurwitz矩阵，可以得到T和L. 为了展示稳定性的观测者，利用正定矩阵P，提出Lyapunov函数V =，并且这个时间导数功能是：
表达的充分条件是
将（16）代入（17），得出：
通过设计矩阵G和K以确保（18）具有鲁棒稳定性，可以获得具有扰动的观测器。考虑到传感器故障的存在，方程 （14）改写为：
由于系统中可能存在传感器故障，估计的性能会恶化。 当传感器健康时，采集角位移的估计误差数据，通过选择最大误差值，并增加一些安全量，构造故障阈值。
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- 具有故障的滑模观察器设计
如果没有故障，将建立一个负载转矩表并及时更新。负载转矩表是执行器电机的负载转矩与轴向位移之间的关系。 因为换挡啮合过程是一个重复的过程在相同的
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