相比于传统离合，干式离合器有什么优点？是否会对车辆产生益处？

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文 | 南柯归洵

编辑 | 南柯归洵

前言

对于内燃机汽车、混合动力汽车和一些配备自动机械变速器的电动汽车，干式离合器是汽车动力的重要组成部分，绝大多数汽车都是通过接合和分离离合器，来实现启动、换档和驾驶模式切换过程的。

因此离合器也会直接影响到车辆的性能，精确的离合器控制对于提高启动、换档和模式切换过程的速度、舒适性和可靠性具有重要意义，干式离合器的动作主要取决于离合器执行器。

常见的离合器执行器驱动方式包括电动，液压，气动和混合动力，其中，电动离合器执行器通常由直流电机和一组传动机构组成，以直流电机为动力源，动力通过传动机构带动分离轴承。

和常见的电动离合器相比，干式离合器有什么优点？是否会对车辆的行驶产生一些益处？

干式离合器

分离轴承进一步驱动离合器的膜片弹簧，离合器的啮合和分离是通过控制分离轴承进行往复运动来实现的。

因此干式离合器控制的本质，其实是分离轴承的位置控制，在目前的干式离合器控制技术领域，控制目标也可分为离合器驱动片和从动片之间的转矩跟踪和速度差跟踪。

以转矩跟踪控制为例，其控制过程可分为两个阶段：第一阶段是将离合器参考扭矩转换为分离轴承的参考位移，第二阶段是控制离合器执行器驱动分离轴承跟踪参考位移。

但是由于离合器和离合器执行器的非线性、时变性和扰动性，导致很难实现精确的扭矩跟踪，所以第一阶段的难点是，如何将离合器参考扭矩准确地转换为分离轴承的参考位移？

目前常用的方法是利用实验得到的离合器分离特性曲线，结合离合器扭矩传递特性，计算离合器扭矩与分离轴承位移的关系。

该关系用作查找表，以类似于前馈控制的方式，将离合器扭矩转换为分离轴承的位移，这种基于查找表的前馈控制方法原理简单，而且还非常易于实现，但是离合器中时变参数对查找表精度的影响被忽略了。

例如驱动板和从动板之间的摩擦系数以及从动板的磨损，离合器在使用过程中，分离特性曲线随从动板的磨损而变化，摩擦系数也随速度差、摩擦温度和从动板的磨损而变化。

在基于查找表的前馈控制方法中，摩擦系数设置为固定值，从动板的磨损也被忽略，因此通过这些方法获得的参考位移精度较低，于是我们便开始关注离合器中时变参数的影响以提高控制精度。

前人的研究成果

有学者通过实验，得到了从动板不同磨损程度下的离合器分离特性曲线，这些曲线用于估计从动板的磨损并校正分离轴承的参考位移。

有学者考虑了摩擦系数和等效摩擦半径随速度差变化的影响，建立了离合器扭矩、释放轴承位置和速度差之间的三维查找表。

也有学者认为摩擦系数、等效摩擦半径和从动板的磨损是不可测量的时变扰动，都是基于固定查找表的，采用基于高阶扰动观测器的最优控制器处理时变扰动。

也有人选择采用自适应滑模控制方法自适应调节摩擦系数，实现了摩擦系数不确定性的补偿，并且在离合器扭矩和执行器的活塞位置之间建立了参考曲线。

他们认为，摩擦系数的变化会影响曲线斜率的变化，从动板的磨损会改变离合器开始传递扭矩的接触点，最终导致活塞位置轴上的曲线平移发生变化。

之后再通过自适应估计摩擦系数不确定性和接触点，修改参考曲线以实现更精确的前馈控制。

不过也有一些学者提出了一种双离合器的实时扭矩估计方法，该方法将摩擦系数不确定性与分离特性曲线斜率耦合，通过自适应估计耦合不确定性得到更准确的离合器转矩估计。

然而这些控制方法在很大程度上取决于离合器扭矩模型，为了避免复杂的过程，我们提出了数据驱动的控制方法，例如比例积分微分控制、模糊控制或者无模型自适应控制。

这些控制方法以离合器参考扭矩与实际扭矩之间的误差为输入，直接调整分离轴承位移。

无模型控制方法的优点在于抗干扰能力和鲁棒性强，缺点在于存在滞后和耗时的参数调整过程。

第二阶段的难点是如何实现精确的脱模轴承位置跟踪，由于离合器膜片弹簧的非线性，分离轴承的参考位移也呈非线性变化。

同时离合器执行器存在负载扰动和未知扰动等问题，因此会有位置跟踪控制需要解决非线性和抗干扰问题，传统的控制方法很难满足这些控制要求。

不过我们在这之后提出了自适应控制、滑模控制和反馈线性化控制等非线性控制方法，并取得了良好的控制效果，目前非线性控制器和扰动观测器的组合已成为主流的控制方法。

有学者通过滑模观测器估计执行器负载转矩，并通过模型预测控制消除负载扰动，还有人基于高增益观测器估计了执行器的负载转矩和建模误差，并使用反步方法进行非线性控制。

之后一些人使用扰动观测器估计参数不确定性，并结合滑模控制来提高控制器的鲁棒性，结合一种主动干扰抑制控制策略，采用扩展状态观测器估计未知扰动，非线性反馈控制消除未知扰动实现了良好的控制性能。

根据我们的分析，在离合器转矩跟踪控制的第一阶段，由于时变参数的影响，为了快速准确地获得分离轴承的参考位移，应该适合采用自适应前馈控制对时变参数进行自适应估计。

同时还需要在自适应前馈控制的基础上增加反馈控制，以提高控制器的稳定性和鲁棒性。

之后在第二阶段，由于存在非线性、负载扰动和未知扰动，则更加适合采用非线性、强抗扰控制方法。

并且反步法可以通过递归设计处理复杂的非线性系统，具有一定的抗干扰性。

同时主动干扰抑制控制可实现系统扰动的估计和补偿，对系统扰动具有较强的适应性，反步法与主动干扰抑制控制相结合，可以更好地处理第二阶段的控制问题。

到目前为止，还没有人能够同时解决离合器扭矩跟踪控制两个阶段的相关问题，因此我们提出一种双回路控制策略，通过级联控制转矩环和位置环控制器来实现离合器转矩的完整跟踪。

在转矩环和位置环中，分别应用自适应前馈反馈控制策略，和基于反步的主动抗扰控制方法。

双环控制器

我们以三速AMT换档过程中离合器转矩跟踪控制过程为例，推导了双环控制器，首先建立一个驱动系统和离合器执行器的动力学模型，为控制器的推导做准备。

电动汽车的驱动系统中的三速变速器，由安装在输入轴末端的三个零件：齿轮副辅助离合器、安装在输出轴上的同步器、主减速器和差速器组成，变速器可以实现换档，三个档位之间不会中断动力。

从一档到二档的升档过程分为以下三个阶段：第一扭矩阶段、惯性阶段和第二扭矩阶段。

在第一个扭矩阶段，离合器开始与同步器一起接合并传递扭矩，离合器扭矩增加，同步器扭矩减小。

当同步器不传递扭矩时，应分离同步器，并断开第一个齿轮，在惯性阶段，通过调节离合器的速度差，同步器和第二从动齿轮可以同步旋转。

当同步器组合时，第二个齿轮接合，在第二个扭矩阶段，离合器开始脱离，从二档到三档的过程分为以下两个阶段：扭矩阶段和惯量阶段。

在扭矩阶段，离合器扭矩增加，当同步器不传递扭矩时，同步器分离，第二个齿轮脱离，在惯性阶段，调整离合器的速度差以接合离合器，并接合第三档。

驱动系统的动态模型如图4所示建立，在建模过程中进行了以下假设：

（1）将驱动轴视为弹簧阻尼系统，将其他部件视为具有集中惯性的刚体。

（2）假设变速器中齿轮之间的扭矩传递过程中没有能量损失，变速过程中驱动系统的建模过程如下。

扭矩回路控制器将离合器的参考扭矩转换为分离轴承的参考位移，为了解决离合器时变参数在快速转矩跟踪的前提下对控制过程的影响。

采用自适应前馈控制方法的同时，为了进一步提高控制器的精度和鲁棒性，在自适应前馈控制的基础上增加了反馈控制环路，因此扭矩回路控制器采用自适应前馈反馈策略。

反馈控制器根据离合器参考扭矩，和实际扭矩之间的误差微调分离轴承位移，我们以反馈控制器为补充手段，因此采用实用且应用广泛的传统方法作为反馈控制器。

但是作为重要的反馈控制输入信号，离合器的实际扭矩不能直接获得，由于扭矩传感器价格高，传动空间有限，扭矩传感器没有安装在驱动系统中。

正因为如此，我们需要一个观察者来估计离合器的实际扭矩，针对三速AMT离合器转矩估计问题。

采用基于驱动系统动力学的估计方法，确定以下离合器转矩估计方案：首先，将容易获得的信号，如电动机转矩、电阻转矩、电动机转速、驱动轴转速和轮速等作为已知项，而传动轴扭矩和离合器扭矩则为未知项。

其次为了消除测量噪声对速度信号的影响，观测器以快速的动态响应重新估计电动机、驱动轴和车轮的速度。

然后使用线性观察器估计驱动轴扭矩，再使用高精度和稳定性的未知输入观测器来估计离合器扭矩。

当离合器型号没有变化时，三个控制器都表现出良好的控制效果，跟踪误差主要存在于转矩阶段，因为离合器参考转矩从恒定状态变为类似于转矩阶段斜坡信号的线性变化状态。

例如在0.2s时，PID控制器具有一定程度的跟踪滞后，建立时间约为0.3s，基本上占据了整个第一转矩阶段，与PID控制器相比，自适应前馈控制和自适应前馈反馈具有更快的响应速度。

自适应前馈控制的建立时间约为0.25s，自适应前馈反馈的最短建立时间为0.1s，离合器模型由于时变参数的影响而发生变化，虽然三个控制器的建立时间与第一个仿真条件的建立时间相同，但跟踪误差略有增加。

PID控制器受离合器型号变化影响较大，特别是在惯性阶段，发生轻微抖动现象，自适应前馈控制和自适应前馈反馈摩擦系数不确定性和平移量的自适应估计，随着离合器参考扭矩的变化，两个参数不断修正。

两个参数的稳态值分别为−0.111和0.092，接近设定值，基本实现了时变参数自适应估计，由于附加了传统的控制回路，自适应前馈反馈的整体跟踪误差小于自适应前馈控制，经过短时间的调整即可恢复稳定的跟踪性能。

与第二个仿真条件相比，三个控制器的跟踪误差进一步增加，传统控制器的跟踪误差显著增加，最大误差接近−10Nm，惯性相存在较大的抖动现象，最大抖振幅度约为1.4Nm，难以保持稳定。

摩擦系数不确定度和平移量的稳态值分别为−1.888和平移量为−0.184和平移，设定值的误差增大，但自适应前馈控制和自适应前馈反馈的控制性能仍优于PID控制器，自适应前馈反馈结合了自适应前馈控制和传统控制的优点，具有更快的建立速度、更高的精度和更强的鲁棒性。

结论

这次针对离合器转矩跟踪控制，我们提出一种级联控制转矩环控制器，以及位置环控制器的双回路控制方法。

首先我们建立了自动机械变速器驱动系统和离合器执行器的动力学模型，然后在转矩环中采用自适应前馈反馈解决离合器的时变参数问题。

在位置环中采用B-ARDC解决位置跟踪控制过程中的非线性和干扰问题，最后利用仿真平台，仿真离合器的转矩跟踪控制过程。

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