短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋控制方法與流程
2023-04-25 18:08:42 2
本發明涉及短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋過程控制方法，詳細講是一種換擋速度快、換擋衝擊度小，能夠提高電動車動力性能的短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋控制方法。
背景技術：
面對日漸嚴峻的能源和環境問題，越來越多的國家把發展新能源汽車作為新世紀的國家發展戰略。AMT(機械式自動變速箱)結構簡單、傳動效率高，成本低，有助於提升短途純電動汽車的動力性和經濟性，具有良好的應用前景。
現有AMT控制方法的不足之處主要有：(1)傳統的有同步器AMT換擋執行機構的控制通常採用位置PD(比例微分)控制，精確控制撥叉的位置和軸向運動速度(軸向運動速度過大會導致在同步器未完成同步時掛入目標擋位)，傳統的PD控制不僅較複雜，而且無法保證換擋執行機構的控制在時間上是最優的,導致換擋時間較長；(2)換擋過程中轉速匹配階段直流無刷驅動電機降速所需時間過長，這主要是因為直流無刷驅動電機的轉速控制通常採用PI控制，電機轉速下降較慢，導致轉速匹配時間比較長，換擋時間也比較長，影響短途純電動汽車的動力性。
技術實現要素：
本發明的目的是解決上述現有技術的不足，提供一種換擋速度快、換擋衝擊度小，能夠提高電動車動力性能的短途純電動車無離合器無同步器AMT換擋控制方法。
本發明解決上述現有技術的不足所採用的技術方案是：
一種短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋控制方法，其特徵在於包括如下步驟：
(1)控制器控制驅動電機工作在轉矩模式，根據加速踏板位置輸出對應的轉矩；
(2)控制器採集車速、加速踏板、制動踏板信號判斷是否需要換擋和換擋的目標擋位；如果不需要換擋，驅動電機繼續工作在轉矩模式，如果需要換擋，控制器控制驅動電機轉矩降為零，將驅動電機由轉矩模式切換成自由模式；
(3)當控制器判斷需要換擋、目標擋位為高速擋時，控制器的換擋電機H橋中左上和右下兩個MOSFET(Q1和Q4)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速正轉；當控制器判斷需要換擋、目標擋位為低速擋時，控制器的換擋電機H橋中左下和右上兩個MOSFET(Q3和Q2)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速反轉；
(4)當接合套脫離當前擋位進入空擋時，控制器採集AMT輸出軸的轉速和目標擋位的傳動比，依此計算驅動電機的目標轉速，驅動電機由自由模式切換成轉速模式；
(5)使用速度傳感器採集驅動電機的實際轉速反饋給控制器，控制器用實際轉速減去目標轉速計算出轉速差；
(6)高速擋換低速擋時，PI模塊單獨控制驅動電機升速，然後執行第10步。
(7)低速擋換高速擋時，當轉速差小於閾值Y1時，PI模塊單獨控制驅動電機降速；當轉速差大於閾值時，將控制器的驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，進行驅動電機電制動；驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，即為本發明所定義的驅動電機電制動。
(8)第7步進行電制動的同時，PI模塊繼續計算目標電壓，PI模塊的積分係數放大，放大倍數為電制動時轉速下降斜率除以PI單獨作用時轉速下降斜率；
(9)控制器採集驅動電機轉速，當電機轉速與目標轉速的差值小於閾值Y2時，終止電制動、PI模塊單獨控制驅動電機降速；
(10)在換擋過程中，當撥叉到達空擋分界點時，控制器判斷接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差是否小於閾值Y3；如果轉速差小於閾值Y3，換擋電機不停轉，驅動電機由轉速模式切換成自由模式，如果轉速差大於閾值Y3，換擋電機電制動，驅動電機繼續進行轉速匹配(驅動電機繼續電制動或PI模塊單獨控制驅動電機調速)，轉速匹配完成之後(接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差小於閾值Y3)，驅動電機切換成自由模式，換擋電機重新啟動；
(11)控制器採集撥叉的位置信息，當到達換擋電機電制動目標位置時，控制器的換擋電機H橋中上橋導通的MOSFET關斷，下橋的兩個MOSFET導通，換擋電機電制動，撥叉迅速停止；此時，接合套與目標擋位齒輪嚙合，完成換擋操作。
(12)換擋完成後，驅動電機由自由模式切換成轉矩模式，控制器控制驅動電機轉矩恢復，直到轉矩達到加速踏板對應的轉矩值。
第7步所述的閾值Y1為撥叉在空擋行程運動的時間內，PI單獨控制下的驅動電機轉速下降的最大值。閾值Y1和AMT空擋行程的距離和驅動電機的轉動慣量有關，本發明中取500r/min。
第9步所述的閾值Y2的選取應滿足在保證轉速不超調的前提下儘可能小，本發明中取200r/min。
第10步所述的閾值Y3的選取應滿足掛入目標擋位時駕駛員基本感覺不到衝擊，本發明中取50r/min。
第10步中所述的空擋分界點為：在撥叉軸上、距接合套與目標擋位齒輪初始接合點的距離為換擋電機電制動持續的時間內撥叉運動的距離與撥叉位置控制誤差的和時、撥叉在撥叉軸上的位置。
本發明在車輛行進過程中需要換擋時，對直流無刷驅動電機採用了電制動與PI控制兩種形式相互配合的制動方法，縮短了驅動電機降速所需時間，在此種制動方法的基礎上，對換擋電機同樣採用電制動，可以使換擋執行機構的運動(撥叉、接合套)和驅動電機調速同時進行，換擋執行機構控制方法可以使撥叉位置的控制誤差小於0.04mm(撥叉位置控制誤差為控制器所能檢測到的撥叉的最小位移)，同時能夠保證撥叉運動的速度最快，到達目標位置所需的時間最短。極大程度的縮短換擋時間。換擋時間和靜止時的換擋時間幾乎相同，同時能保證平順的換擋效果，掛擋時的轉速差均小於50r/min，換擋過程中基本感覺不到換擋衝擊。同時本發明中增加了空擋分界點概念及控制方法，避免個別驅動電機和換擋電機配合時或特殊工況下，驅動電機帶動的接合套與目標擋位齒輪的轉速差過大時掛入目標擋位。本發明換擋速度快、換擋衝擊度小，能夠提高電動車動力性能。
附圖說明
圖1為短途純電動汽車動力傳動系統簡圖。
圖2為摘擋階段嚙合齒的受力分析。
圖3為掛擋時嚙合齒的受力分析。
圖4中的圖a、b為換擋執行機構示意圖。
圖5為換擋電機電制動原理。
圖6為驅動電機轉速PI控制原理。
圖7為驅動電機電制動時電流流向判斷。
圖8為驅動電機電制動期間下橋MOSFET開通和關斷時電流流向。
圖9為升速過程中轉速、目標電壓、實際電壓的變化。
圖10為PI單獨控制降速時轉速、目標電壓、實際電壓的變化。
圖11為電制動和PI配合控制降速時轉速、目標電壓、實際電壓的變化。
圖12為目標轉速階躍上升時實際轉速上升曲線。
圖13為PI單獨作用時實際轉速的下降曲線。
圖14為電制動和PI共同作用時轉速的下降曲線。
圖15為空擋行程分段控制示意圖。
圖16為換擋過程控制流程圖。
圖17為靜止時低速擋換高速擋換擋電機端電壓波形。
圖18為靜止時高速擋換低速擋換擋電機端電壓波形。
圖19為低速時低速擋換高速擋AMT各部分轉速變化圖。
圖20為低速時高速擋換低速擋AMT各部分轉速變化圖。
圖21為中速時低速擋換高速擋AMT各部分轉速變化圖。
圖22為中速時高速擋換低速擋AMT各部分轉速變化圖。
圖23為高速時低速擋換高速擋AMT各部分轉速變化圖。
圖24為高速時高速擋換低速擋AMT各部分轉速變化圖。
具體實施方式
一種短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋控制方法，其特徵在於包括如下步驟：
(1)控制器控制驅動電機工作在轉矩模式，根據加速踏板位置輸出對應的轉矩；
(2)控制器採集車速、加速踏板、制動踏板信號判斷是否需要換擋和換擋的目標擋位；如果不需要換擋，驅動電機繼續工作在轉矩模式，如果需要換擋，控制器控制驅動電機轉矩降為零，將驅動電機由轉矩模式切換成自由模式；
(3)當控制器判斷需要換擋、目標擋位為高速擋時，控制器的換擋電機H橋中左上和右下兩個MOSFET(Q1和Q4)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速正轉；當控制器判斷需要換擋、目標擋位為低速擋時，控制器的換擋電機H橋中左下和右上兩個MOSFET(Q3和Q2)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速反轉；
(4)當接合套脫離當前擋位進入空擋時，控制器採集AMT輸出軸的轉速和目標擋位的傳動比，依此計算驅動電機的目標轉速，驅動電機由自由模式切換成轉速模式；
(5)使用速度傳感器採集驅動電機的實際轉速反饋給控制器，控制器用實際轉速減去目標轉速計算出轉速差；
(6)高速擋換低速擋時，PI模塊單獨控制驅動電機升速，然後執行第10步。
(7)低速擋換高速擋時，當轉速差小於閾值Y1時，PI模塊單獨控制驅動電機降速；當轉速差大於閾值時，將控制器的驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，進行驅動電機電制動；驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，即為本發明所定義的驅動電機電制動。
(8)第7步進行電制動的同時，PI模塊繼續計算目標電壓，PI模塊的積分係數放大，放大倍數為電制動時轉速下降斜率除以PI單獨作用時轉速下降斜率；
(9)控制器採集驅動電機轉速，當電機轉速與目標轉速的差值小於閾值Y2時，終止電制動、PI模塊單獨控制驅動電機降速；
(10)在換擋過程中，當撥叉到達空擋分界點時，控制器判斷接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差是否小於閾值Y3；如果轉速差小於閾值Y3，換擋電機不停轉，驅動電機由轉速模式切換成自由模式，如果轉速差大於閾值Y3，換擋電機電制動，驅動電機繼續進行轉速匹配(驅動電機繼續電制動或PI模塊單獨控制驅動電機調速)，轉速匹配完成之後(接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差小於閾值Y3)，驅動電機切換成自由模式，換擋電機重新啟動；
(11)控制器採集撥叉的位置信息，當到達換擋電機電制動目標位置時，控制器的換擋電機H橋中上橋導通的MOSFET關斷，下橋的兩個MOSFET導通，換擋電機電制動，撥叉迅速停止；此時，接合套與目標擋位齒輪嚙合，完成換擋操作。
(12)換擋完成後，驅動電機由自由模式切換成轉矩模式，控制器控制驅動電機轉矩恢復，直到轉矩達到加速踏板對應的轉矩值。
第7步所述的閾值Y1為撥叉在空擋行程運動的時間內，PI單獨控制下的驅動電機轉速下降的最大值。閾值Y1和AMT空擋行程的距離和驅動電機的轉動慣量有關，依據經驗通常選取400-600r/min，本發明中取500r/min。
第9步所述的閾值Y2的選取應滿足在保證轉速不超調的前提下儘可能小，依據經驗通常選取180-300r/min，本發明中取200r/min。
第10步所述的閾值Y3的選取應滿足掛入目標擋位時駕駛員基本感覺不到衝擊，依據經驗通常選取40-80r/min，本發明中取50r/min。
第10步所述的空擋分界點為：在撥叉軸上、距接合套與目標擋位齒輪初始接合點的距離為換擋電機電制動持續的時間內撥叉運動的距離與撥叉位置控制誤差的和時、撥叉在撥叉軸上的位置。
本發明的換擋執行機構控制方法可以使撥叉位置的控制誤差小於0.04mm(撥叉位置控制誤差為控制器所能檢測到的撥叉的最小位移)，同時能夠保證撥叉運動的速度最快，到達目標位置所需的時間最短。
本發明在車輛行進過程中需要換擋時，對驅動電機採用了電制動與PI制動兩種形式相互配合的制動方法，縮短了驅動電機降速所需時間，在此種制動方法的基礎上，對換擋電機同樣採用電制動，可以使換擋執行機構的運動(撥叉、接合套)和驅動電機調速同時進行，撥叉由最高速制動到停止、所需時間極短(0.01s)，位置控制精準，二者配合極大程度的縮短換擋時間。車輛行進過程中的換擋時間和車輛靜止時的換擋時間幾乎相同，同時能保證平順的換擋效果，掛擋時的轉速差均小於50r/min，換擋過程中基本感覺不到換擋衝擊。同時本發明中增加了空擋分界點概念及控制方法，避免個別驅動電機和換擋電機配合時或特殊工況下，驅動電機帶動的接合套與目標擋位齒輪的轉速差過大時掛入目標擋位。本發明換擋速度快、換擋衝擊度小，能夠提高電動車動力性能。
本發明的理論依據如下：
本專利中所研究的短途純電動汽車的動力傳動系統採用直流無刷驅動電機+無離合器無同步器AMT+主減速器的形式，動力傳動系統的結構簡圖如圖1，驅動電機和換擋電機的控制器為一體化控制器。一體化控制器根據加速踏板位置、制動信號、車速計算合適的目標擋位，通過協調控制驅動電機和換擋電機完成換擋。在換擋過程中，驅動電機需要進行多次模式切換，及時調整轉速和轉矩以保證換擋快速平順。
換擋過程動力學分析：摘擋階段嚙合齒的受力分析如圖2。摘擋時的阻力F主要來自接合齒圈和接合套之間的摩擦力Ff，其表達式為：式中：μ為齒面摩擦係數，Fv為接觸面正壓力，Tc為接合套傳遞的轉矩，R為接合套分度圓半徑。接合套傳遞的轉矩Tc為式中：Tm為驅動電機輸出轉矩，Jm為AMT輸入端的等效轉動慣量，ωm為AMT輸入軸的角速度，cin為輸入端的旋轉阻尼係數，ig為AMT當前擋位的傳動比，Tv為整車阻力矩，Jv為輸出端的等效轉動慣量，ωout為AMT輸出軸的角速度，cout為輸出端的旋轉阻尼係數，i0為主減速器的傳動比。當AMT不在空擋時，ωm和ωout滿足以下關係，ωm＝igωout。由式(1)、(2)、(3)可以得到Ff最終的表達式，式(2)和式(3)中的旋轉阻力比較小，在這裡被忽略。當Tm等於零時，Ff達到最小值，換擋執行機構的阻力也達到最小。因此摘擋之前，需要將驅動電機輸出轉矩Tm降到零，也就是將驅動電機由轉矩模式切換成自由模式。掛擋階段嚙合齒的受力分析如圖3。嚙合齒之間的軸向力Fq為Fq＝FN sinβ+Fs cosβ(5)，式中：FN為接觸面正壓力，β為齒端倒角角度，Fs為接觸面摩擦力。對於FN和Fs有：Fs＝μ2·FN，Fc＝Fssinβ-FNcosβ(6)，式中：μ2為齒端部接觸面摩擦係數。接合套傳遞的力Fc：由式(5)、(6)、(7)可得：為了保證順利地掛入目標擋位，應保證嚙合齒之間的軸向作用力Fq儘可能小，也就是Tc儘可能小。由式(2)可知，Tc取決於驅動電機的輸出轉矩Tm以及接合套和接合齒圈之間的轉速差，所以在掛擋時，驅動電機應停止轉矩輸出，同時控制接合套和接合齒圈之間的轉速差儘可能小。從前面的分析可知，摘擋前應將驅動電機從轉矩模式切換成自由模式，掛擋完成後，需要把驅動電機從自由模式恢復到轉矩模式。轉矩模式和自由模式之間的切換應制定合適的控制策略以避免產生大的衝擊。短途純電動汽車的衝擊度可以表示為式中：a為加速度，ua為車速。車輛的縱向加速度為式中：i0為減速器傳動比，ηT為傳動效率，Tv為整車阻力矩，δ為旋轉質量換算係數，m為整車質量，r為車輪半徑。由(9)和(10)可得：由於換擋時間很短，因此可以假設在換擋過程中車輛的行駛阻力矩Tr保持不變，則式(11)可以簡化為：由式(12)可知短途純電動汽車的衝擊度與電機輸出轉矩的一階導數成正比，電機輸出轉矩變化越劇烈，產生的衝擊度就會越大，由式(12)還可以得到衝擊度與AMT擋位相關的結論。為了保證降扭及扭矩恢復階段衝擊度儘可能小，應避免出現電機輸出轉矩突變的情況，而且處於低速擋時電機轉矩下降及恢復速率應小於高速擋時電機轉矩下降及恢復速率。
本專利提出的短途純電動車無離合器無同步器AMT換擋控制方法具體包括一種時間最優的換擋執行機構控制方法、改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法以及空擋行程分段控制方法。
時間最優的換擋執行機構控制方法的實施方式如下：
換擋執行機構的組成如圖4。AMT的換擋電機為直流有刷電機，通過渦輪蝸杆減速增扭後將動力傳至撥叉軸，撥叉軸和撥叉通過螺紋連接將撥叉軸的旋轉運動轉化為撥叉的軸向運動。通過霍爾傳感器測量換擋電機旋轉的圈數來獲取撥叉的位置信息。本專利所涉及的AMT中沒有同步器，不需要對接合套的軸向速度進行精確控制，另外，直流有刷換擋電機的額定電壓為48V，額定電流為2A，電阻為20Ω，可直接給電機施加48V電壓而不會損壞電機。所以，沒有必要用PWM方式控制電壓，可直接給電機提供48V的電壓以保證撥叉的運動速度最快、運動時間最短。當撥叉需要停止運動時，如果直接切斷換擋電機的供電，換擋電機會由於慣性繼續轉動較長時間，導致對撥叉位置的控制不精確。本專利採用電制動的方法，可以使換擋電機在很短的時間內停止運轉，同時能實現精確的撥叉位置控制。換擋電機電制動的原理如圖5。當Q1和Q4導通時，換擋電機正轉，如圖5(a)，如果此時Q1關斷，Q3導通，電機的線圈中就會產生感應電流，如圖5(b)，線圈會受到阻礙電機旋轉的力，使電機在很短的時間內停轉。當Q2和Q3導通時，換擋電機反轉，如圖5(c),如果此時Q2關斷，Q4導通，產生的感應電流流向如圖5(d)，同樣會使換擋電機迅速停轉。
實施步驟：
(1)控制器採集車速、加速踏板、制動踏板信號以判斷是否需要換擋。
(2)如果需要低速擋換高速擋，換擋電機驅動橋中的MOSFETQ1和MOSFETQ4導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速正轉。控制器採集撥叉的位置信息，當到達目標位置時，MOSFETQ1關斷，MOSFETQ3導通，MOSFETQ4繼續保持導通，換擋電機電制動，撥叉迅速停止在目標位置。
(3)如果需要高速擋換低速擋，換擋電機驅動橋中的MOSFETQ2和MOSFETQ3導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速反轉。控制器採集撥叉的位置信息，當到達目標位置時，MOSFETQ2關斷，MOSFETQ4導通，MOSFETQ3繼續保持導通，換擋電機電制動，撥叉迅速停止在目標位置。
時間最優的換擋執行機構控制方法可以使撥叉位置的控制精度達到0.04mm，同時能夠保證撥叉運動的速度最快，到達目標位置所需的時間最短。
改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法的具體實施方式如下：
基於這種方法的轉速PI控制原理如圖6。電源電壓Udc被等分成了1035份，1035代表Udc，300代表300Udc/1035，0代表電壓為0。轉速環輸出目標電壓，如果目標電壓大於實際電壓，實際電壓逐漸增大，如果在增長的過程中電流達到了上限，實際電壓逐漸減小，直到電流低於上限。如果目標電壓小於實際電壓，實際電壓直接減小到目標電壓。通過將逆變器上橋的三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，可以使電機的轉速迅速下降。改變下橋MOSFET柵極的佔空比可以改變轉速下降的斜率，而且在下橋MOSFET關斷的間隙可以實現能量回收。電機某一時刻的轉子位置如圖7所示，根據電磁感應定律，可以確定A相、B相和C相的電流方向，點代表流出，叉代表流入，其他轉子位置時電流流向的分析類似。圖8是圖7所示轉子位置對應的電流流向。圖8(a)中下橋MOSFET全部開啟，圖8(b)中下橋MOSFET全部關閉，電流經電池續流，此時能實現能量回收。當轉速差小於閾值(撥叉在空擋行程運動的時間內，PI單獨控制下的驅動電機轉速下降的最大值)時，PI模塊單獨控制驅動電機降速；當轉速差大於閾值時，將控制器的驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，同時PI模塊繼續計算目標電壓，此時積分係數需要放大，放大倍數為電制動時轉速下降斜率除以PI單獨作用時轉速下降斜率，以保證轉速下降相同值時，積分環節所計算出的目標電壓增量和PI單獨作用時相同；當轉速降至接近目標轉速(高於目標轉速50-200轉)時，PI模塊根據目標轉速和控制器採集的驅動電機實際轉速計算目標電壓，控制MOSFET的導通，最終將轉速穩定在目標轉速附近。
實施步驟：
(1)控制器根據AMT輸出軸的轉速和目標擋位的傳動比計算驅動電機的目標轉速，速度傳感器反饋回驅動電機的實際轉速，用實際轉速減去目標轉速計算出轉速差。
(2)當轉速差小於閾值(撥叉在空擋行程運動的時間內，PI模塊單獨控制下的驅動電機轉速下降的最大值)時，PI模塊單獨控制驅動電機降速。
(3)當轉速差大於閾值時，將控制器的驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，同時PI模塊繼續計算目標電壓，此時積分係數需要放大，放大倍數為電制動時轉速下降斜率除以PI單獨作用時轉速下降斜率，以保證轉速下降相同值時，積分環節所計算出的目標電壓增量和PI單獨作用時相同。
(4)當轉速降至接近目標轉速(高於目標轉速50-200轉)時，PI模塊根據目標轉速和控制器採集的驅動電機實際轉速計算目標電壓，控制MOSFET的導通，最終將轉速穩定在目標轉速附近。
改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法可以大大縮短直流無刷驅動電機降速所需要的時間，從而縮短低速擋換高速擋時間，下面的實驗能夠證明這一點。
圖9是目標轉速從500r/min階躍至2500r/min過程中轉速、目標電壓、實際電壓的變化曲線。當參考轉速從500r/min變為2500r/min時，目標電壓立即飽和，實際電壓以固定的斜率追隨目標電壓，當轉速接近目標轉速時，目標電壓逐漸減小直至穩定，實際電壓曲線和目標電壓曲線重合是因為
目標電壓小於實際電壓時，實際電壓會直接減小到目標電壓。圖10是PI單獨作用時目標轉速從2500r/min階躍下降至500r/min的過程中轉速、目標電壓、實際電壓的變化曲線，當參考轉速從2500r/min變為500r/min時，目標電壓立即降為0，實際電壓立即減小至目標電壓，當轉速接近目標轉速時，目標電壓逐漸增大直至穩定，實際電壓以固定的斜率追隨目標電壓，實際電壓曲線和目標電壓曲線重合是因為目標電壓增長的斜率小於實際電壓增長的斜率，實際電壓能夠緊緊追隨目標電壓。PI單獨作用時轉速下降斜率太小，所需時間過長，不能滿足快速完成轉速匹配的要求。圖11是電制動和PI相結合時目標轉速從2500r/min階躍下降至500r/min的過程中轉速、目標電壓、實際電壓的變化曲線，電制動和PI控制結合後驅動電機轉速下降的斜率明顯增大，轉速為1000r/min時，電制動退出，PI模塊單獨控制驅動電機降速，最後轉速穩定在500r/min，而且沒有超調。電制動和PI相結合時轉速降到500r/min只用了0.2s，比PI單獨作用時少了0.5s，而且轉速調節的穩定性也比較好。通過實驗不斷修正PI參數，可以取得穩定性和快速性都比較好的轉速調節效果。圖12為目標轉速由500r/min分別階躍至1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min時實際轉速的變化曲線，可以看出在PI模塊單獨控制下，驅動電機能比較快地加速到目標轉速。圖13為PI單獨作用時目標轉速由2500r/min分別階躍至2000/min、1500r/min、1000/min、500r/min時實際轉速的變化曲線，在PI模塊單獨控制下，驅動電機降速緩慢。圖14為電制動和PI共同作用時轉速的下降曲線，相對於PI單獨作用，此時轉速下降所需時間明顯變短。
雖然改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法可以使直流無刷驅動電機在短時間內完成降速，電機的升速也比較快，但是對於不同功率的驅動電機，其升速所需要的時間也不同，一些較大功率的電機由於其轉動慣量較大，升速所需要的時間較長，可能會超過撥叉在空擋行程運動的時間。即撥叉將要到達目標擋位時，驅動電機的調速還沒有完成。為了協調驅動電機調速和撥叉在空擋行程的運動，最大限度地縮短換擋時間，專利中提出了一種空擋行程分段控制方法。
空擋行程分段控制的具體實施方式如下：
空擋行程指的是AMT高速擋齒輪齒圈和低速擋齒輪齒圈之間的軸向距離。當撥叉處於空擋行程時，撥叉既不與高速擋齒輪齒圈接合，也不與低速擋齒輪齒圈接合，此時驅動電機主動調速，縮小目標擋位齒輪和AMT輸出軸之間的轉速差。空擋行程分段控制的基本思想是利用撥叉在空擋行程移動的時間對驅動電機進行調速。這種方法將空擋行程劃分為兩段，兩段的分界點非常接近目標擋位齒輪。當撥叉位於分界點之前時，換擋電機不停轉，驅動電機調速；當接合套到達分界點時，檢查轉速匹配是否完成，如果轉速匹配完成，驅動電機切換成自由模式，換擋電機不停轉，掛入目標擋位，如果轉速匹配沒有完成，換擋電機停轉，驅動電機繼續進行轉速匹配，轉速匹配完成後，驅動電機切換成自由模式，換擋電機重新啟動，掛入目標擋位。空擋行程分段控制示意圖如圖15，圖15(a)為低速擋換高速擋空擋行程分段控制示意圖，圖15(b)為高速擋換低速擋空擋行程分段控制示意圖。
換擋過程控制流程如圖16所示，具體步驟為：
(1)控制器控制驅動電機工作在轉矩模式，根據加速踏板位置輸出對應的轉矩；
(2)控制器採集車速、加速踏板、制動踏板信號判斷是否需要換擋和換擋的目標擋位；如果不需要換擋，驅動電機繼續工作在轉矩模式，如果需要換擋，控制器控制驅動電機轉矩降為零，將驅動電機由轉矩模式切換成自由模式；
(3)當控制器判斷需要換擋、目標擋位為高速擋時，控制器的換擋電機H橋中左上和右下兩個MOSFET(Q1和Q4)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速正轉；當控制器判斷需要換擋、目標擋位為低速擋時，控制器的換擋電機H橋中左下和右上兩個MOSFET(Q3和Q2)導通，直接給換擋電機額定電壓，換擋電機以最高轉速反轉；
(4)當接合套脫離當前擋位進入空擋時，控制器採集AMT輸出軸的轉速和目標擋位的傳動比，依此計算驅動電機的目標轉速，驅動電機由自由模式切換成轉速模式；
(5)使用速度傳感器採集驅動電機的實際轉速反饋給控制器，控制器用實際轉速減去目標轉速計算出轉速差；
(6)高速擋換低速擋時，PI模塊單獨控制驅動電機升速，然後執行第10步。
(7)低速擋換高速擋時，當轉速差小於閾值Y1時，PI模塊單獨控制驅動電機降速；當轉速差大於閾值時，將控制器的驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，進行驅動電機電制動；驅動電機逆變橋的上橋三個MOSFET關閉，下橋的三個MOSFET導通，即為本發明所定義的驅動電機電制動。
(8)第7步進行電制動的同時，PI模塊繼續計算目標電壓，PI模塊的積分係數放大，放大倍數為電制動時轉速下降斜率除以PI單獨作用時轉速下降斜率；
(9)控制器採集驅動電機轉速，當電機轉速與目標轉速的差值小於閾值Y2時，終止電制動、PI模塊單獨控制驅動電機降速；
(10)在換擋過程中，當撥叉到達空擋分界點時，控制器判斷接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差是否小於閾值Y3；如果轉速差小於閾值Y3，換擋電機不停轉，驅動電機由轉速模式切換成自由模式，如果轉速差大於閾值Y3，換擋電機電制動，驅動電機繼續進行轉速匹配(驅動電機繼續電制動或PI模塊單獨控制驅動電機調速)，轉速匹配完成之後(接合套和目標擋位齒輪之間的轉速差小於閾值Y3)，驅動電機切換成自由模式，換擋電機重新啟動；
(11)控制器採集撥叉的位置信息，當到達換擋電機電制動目標位置時，控制器的換擋電機H橋中上橋導通的MOSFET關斷，下橋的兩個MOSFET導通，換擋電機電制動，撥叉迅速停止；此時，接合套與目標擋位齒輪嚙合，完成換擋操作。
(12)換擋完成後，驅動電機由自由模式切換成轉矩模式，控制器控制驅動電機轉矩恢復，直到轉矩達到加速踏板對應的轉矩值。
第7步所述的閾值Y1為撥叉在空擋行程運動的時間內，PI單獨控制下的驅動電機轉速下降的最大值。閾值Y1和AMT空擋行程的距離和驅動電機的轉動慣量有關，本發明中取500r/min。
第9步所述的閾值Y2的選取應滿足在保證轉速不超調的前提下儘可能小，本發明中取200r/min。
第10步所述的閾值Y3的選取應滿足掛入目標擋位時駕駛員基本感覺不到衝擊，本發明中取50r/min。
第10步所述的空擋分界點為：在撥叉軸上、距接合套與目標擋位齒輪初始接合點的距離為換擋電機電制動持續的時間內撥叉運動的距離與撥叉位置控制誤差的和時、撥叉在撥叉軸上的位置。
為了驗證本專利中所提出的換擋過程控制方法的效果，進行了典型工況下的實車試驗。換擋品質主要通過換擋時間和掛入目標擋位時AMT輸出軸和目標擋位齒輪之間的轉速差來衡量。首先是靜止工況下的換擋。靜止換擋時間主要取決於AMT換擋電機轉速、換擋執行機構的傳動比和高低速擋之間的行程，靜止換擋時間反映了由AMT機械結構決定的最短換擋時間。換擋時間可通過測量換擋電機的端電壓得到。靜止時換擋時間如圖17和圖18，低速擋換高速擋和高速擋換低速擋的時間分別是0.72s和0.735s，低速擋換高速擋和高速擋換低速擋的時間略有不同是因為撥叉從低速擋移動到高速擋和從高速擋移動到低速擋時的摩擦阻力略有不同。圖19到圖24分別是低、中、高車速下低速擋換高速擋和高速擋換低速擋時AMT各部分轉速變化圖。從圖中換擋電機端電壓可以看出，無論是低速、中速還是高速，換擋電機都沒有在換擋過程中停轉，說明了在撥叉到達空擋分界點前驅動電機就已經完成了調速，證明了改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法能在短時間內完成電機的調速。低中高車速下低速擋換高速擋換擋時間分別是0.723s、0.725s、0.729s，高速擋換低速擋的換擋時間分別是0.742s，0.749s，0.751s。各工況下的換擋時間和靜止時的換擋時間幾乎相同，證明了專利中提出的換擋過程控制方法能夠有效縮短換擋時間。行進過程中的換擋時間比靜止換擋時間略長，而且和車速正相關，原因可能有以下兩種：(1)行進過程中驅動電機運轉導致系統電壓降低，車速越高，電壓下降的幅度越大，系統電壓的降低導致換擋電機轉速降低；(2)不同車速下換擋過程中接合套所受阻力不同，車速越高，接合套所受阻力越大，換擋電機電流就越大，轉速就越低。從換擋開始到接合套剛與目標擋位齒輪接觸的時間大約佔全部換擋時間的70％，根據這一點和圖19到圖24可以看出掛入目標擋位時接合套和目標擋位齒輪的轉速差。各個車速下的掛擋時的轉速差均小於50r/min，換擋過程中基本感覺不到換擋衝擊。
本專利針對短途純電動汽車無離合器無同步器AMT換擋過程控制分別提出了換擋執行機構控制方法、驅動電機轉速控制方法、空擋行程分段控制方法。相對於傳統的控制方法，專利中提出的換擋執行機構控制方法不僅在時間上是最優的，而且能達到很高的位置控制精度，所提出的改進後的直流無刷驅動電機轉速PI控制方法能在更短的時間內完成驅動電機的降速，空擋行程分段控制能讓換擋執行機構的運動和驅動電機調速同時進行，同時也能避免轉速差過大時掛入目標擋位。最後的實車試驗結果證明了本專利提出的換擋過程控制方法能使各種工況下的換擋時間和靜止時的換擋時間幾乎相同，同時能保證平順的換擋效果。