金属带式无级变速器夹紧力控制的研究

　　一、前言

　　降低汽车能源消耗和减少废气排放是当今汽车发展必须解决的首要问题。实践表明，装有金属带式无级变速器的汽车，其经济性、动力性及排放比装有其他自动变速器和手动机械变速器的汽车更佳。

　　对于金属带式无级变速器的设计，其核心问题是对其控制系统的设计。

　　金属带式无级变速器控制系统的主要功能为：把发动机的输出功率可靠地传递到驱动轮，并尽可能减小功率损失；根据汽车的运行条件，按驾驶员选定的工作模式自动改变传动比，使发动机维持在理想的工作点。因此，无级变速器（CVT）的控制按其功能分为夹紧力控制和速比控制。夹紧力控制对传动效率的高低起决定作用，如果夹紧力过小，则金属带会在带轮上打滑，这不仅降低传动效率，还会加快金属带与带轮的磨损；夹紧力过大，将增加不必要的摩擦损失，同样也会降低传动系的效率。根据汽车的运行条件，只有把夹紧力控制在目标值的小范围内，才能有效地提高传动系的效率。

　　以金属带式无级变速器为研究对象，对其夹紧力控制的方法及控制器分别进行了研究和开发，并进行了试验验证。

　　二、夹紧力控制阀的特性

　　在发动机工作转速范围内，测试夹紧力控制阀在不同的输入转速时，其输出压力随输入信号的变化。

　　电磁阀的输入信号保持不变，当输入转速变化时，测量夹紧力控制阀的输出压力。图1a为在不同占空比时，夹紧力控制阀的输出压力变化曲线。图1a表明，在同一转速下，随着输入信号占空比的增加，控制阀的调节压力在一定范围内线性变化，当占空比低于某一值时，由于控制阀有死区存在，不能调节压力；当占空比高于某一值时，控制阀的调节能力达到饱和，也不起作用；占空比相同时，随着转速变化，控制阀的调节压力也发生变化（图1b）。这是由于随着发动机的转速增加，油泵的排量增加，因而引起电磁阀的压力调节范围发生变化。当转速较低时，油泵的排量小，系统产生增益小。系统的这种特性必然影响实际控制效果。

　　控制电磁阀的有效PWM信号的占空比范围与输入转速有关，当输入转速低时，由于油泵的排量低于夹紧力控制阀的额定流量，因此电磁阀的调节范围很窄。随着输入转速的增加，油泵的流量增加，电磁阀的调节范围加宽。但当输入转速很高时，由于液压系统自身的泄漏，压力不能增加。因此，在不同的转速下，夹紧力控制阀的PWM信号的可控占空比是不同的。夹紧力控制阀的稳态特性输出 。

　　三、夹紧力控制器的设计

　　无级变速传动的夹紧力控制可以划分为两个层次：首先是控制系统根据驾驶员的输入和外界行驶条件确定目标夹紧力，目标值输出到执行机构的控制器上；然后控制器根据目标值和测量得到的实际值的偏差控制执行机构动作，使系统的实际值接近或者达到目标值。由于控制策略与执行机构有关，所以控制器的设计应该考虑到CVT系统换挡特性和液压控制系统（特别是控制阀）的特性。

　　通常，在金属带式无级变速传动系统中，夹紧力的目标值是根据当前传递的转矩和速比计算得到的，然后输入到夹紧力控制系统中。因此，夹紧力控制的目的是跟随目标压力的变化而变化，所以为了提高液压系统的效率，超调量应尽可能小，系统的响应时间要尽可能短。

　　由于夹紧力控制阀存在积分器回绕（或积分器作用终止）现象，所以必须采取措施防止积分器作用终止，即必须使夹紧力控制阀始终在可控范围内工作，这显然不能用常规的控制方法来解决。在该控制系统的设计中，采用带有前馈抗回绕PID控制器来防止积分器回绕，如图. 所示，该系统提供了一个附加的前馈通道。控制器测量执行机构模型的输出形成一个误差信号es，es是执行机构的输出μc和控制器输出v之间的差，并把这个误差通过增益1/Tt反馈到积分器。当执行机构未饱和时，该误差信号!"为零，当执行机构饱和时，附加反馈通道试图使误差信号es等于零。这意味着积分器复位，使控制器输出处在饱和极限。于是积分器以时间常数Tt（ 称为跟踪时间常数）复位到一个适当的值。执行机构的模型是预先通过试验确定的数学模型，它的输出可近似看作实际执行机构输出的值。为了减少系统的超调，加入一个前馈通道。前馈通道的加入能使控制器的初始输出很大，且能减少积分环节的影响，使系统的响应加快。只有当误差把控制器的输出控制在饱和非线性元件的线性区间内时，积分器才起作用。这样，控制器输出的描述如下：

　　式中，i.c.表示积分器的初始值；f 表示前馈通道的输出值。

　　根据以上理论建立的夹紧力控制系统框图如图4 所示。由于夹紧力控制阀的有效PWM信号的占空比在不同的转速下有差异，所以可以把对应不同转速下的有效占空比作成一个数表，这样在不同的转速下可以通过插值确定饱和极限的占空比。针对夹紧力控制系统设计的抗回绕PID控制器的实际输入有系统设定的目标值、夹紧力控制阀的输出反馈值和当前系统的输入转速。控制器首先根据输入转速确定该转速下夹紧力控制阀的饱和区间的极限值，然后根据目标值与系统反馈的偏差进行控制。

　　四、夹紧力控制系统模型仿真及试验研究

　　为了验证所讨论的夹紧力控制模型的正确性和可靠性，对按以上夹紧力控制系统框图设计的夹紧力控制模型进行了仿真试验，结果如图5 所示。当目标夹紧力发生阶跃变化时，从控制器输出压力值的变化曲线可见，夹紧力超调小，稳定快，即控制器能较好地起到控制作用。

　　为了进一步研究所设计的控制系统的实际控制效果，将所研究的CVT夹紧力控制系统和速比控制系统组成的CVT 控制系统移植到汽车上，进行了整车试验，试验结果如图6所示。

　　在t1时刻，在输入一定节气门开度下汽车加速，发动机转速随之增加。控制系统根据当前的输入确定目标速比，输出信号到夹紧力控制阀和速比控制阀，控制主、从动轮缸的压力变化，使实际速比向目标速比变化，汽车速度增加，各参数的变化如图中所示。在t2时刻，当进一步增加发动机的节气门开度后（图6a），对应该节气门开度的发动机转速发生变化，相应的目标速比发生变化，则控制系统控制主、从动轮缸的压力进一步变化（图6d），使实际速比向目标速比接近（图6c）。发动机的转速和汽车的速度如图6b 所示，即当系统达到稳态时，实际速比与目标速比一致，汽车的车速不再增加。在t3时刻，当行驶阻力突然增加后，由于发动机的节气门开度保持不变，发动机目标转速不变，对应当前行驶工况的目标速比发生变化，控制系统通过控制主、从动带轮油缸内的压力，控制实际速比向低挡方向变化。

　　试验结果表明，该控制系统能够按照行驶工况的要求控制合适的夹紧力，调节速比，能够满足实际需要。

　　五、结束语

　　通过试验研究了夹紧力控制阀的工作特性；为了防止积分器回绕，设计了带有前馈抗回绕的PID控制器，并应用于所设计的夹紧力控制系统中；对所设计的加紧力控制模型进行了仿真试验，并对装有该加紧力控制器的综合控制系统进行了装车试验。

　　结果表明，所设计的控制器是可靠的，具有实用价值。