自动变速器运用自动换挡装置实现了挡位切换的自动化,取消了手动变速器中频繁的离合器和换挡的人工操作,减轻了驾驶员的劳动强度,提高了车辆行驶的动力性、经济性、舒适性和安全性等性能。电控机械式自动变速器(AMT)在固定轴式手动变速器的基础上,增加了变速器、离合器和发动机的自动操纵装置,取代了原来由驾驶员人工完成的各项换挡操作。与其他类型的自动变速器相比,AMT具有传动效率高、结构紧凑、成本低以及生产继承性好等优点。然而,AMT属于非动力换挡,换挡过程存在动力中断时间过长、换挡平顺性不易保证等问题,限制了其广泛的应用与发展。为了改善这些问题,本文提出一种基于直驱技术的时序重叠换挡系统方案,采用理论分析、仿真研究和试验验证相结合的方法,对挡位切换过程动力学建模分析、时序重叠换挡控制策略、直线换挡执行器运动控制以及无位置传感器控制等关键技术问题进行了深入分析与研究,具体包括以下几个方面的内容:(1)详细分析了 AMT换挡系统对换挡品质和换挡执行器设计的要求。对比了顺序换挡和时序重叠换挡两种换挡方式在系统结构和工作过程等方面的差异,揭示了时序重叠换挡在缩短挡位切换时间方面的优势。通过对不同类型换挡执行器的综合比较,确定了以动圈式直线直流电机作为直驱执行器的时序重叠换挡系统方案,研制了直线换挡执行器样机以及功能测试用AMT试验样机。采用机理分析的方法,建立了直线换挡执行器数学模型,分析了机械、电路和磁路之间的耦合关系。设计了直线换挡执行器测试系统,针对执行器静态和动态性能进行了仿真分析和台架测试研究。(2)根据挡位结合情况、换挡元件的相对位置以及换挡阻力分布情况的不同,对挡位切换的退挡过程和进挡过程分阶段进行了动力学建模分析。阐述了锁环式惯性同步器的工作原理,分析了非同步冲击现象的产生机理,推导出其临界发生条件,并从控制角度出发提出了避免该现象发生的预防措施。(3)在挡位切换过程动力学建模分析的基础上,总结了退挡过程和进挡过程不同阶段的控制目标。分析了挡位切换过程中换挡机构的时序配合要求,提出了时序重叠控制策略。结合所受到的约束条件,提出了同步阶段换挡力反馈控制策略。对采用传统PID控制的挡位切换过程进行了仿真和试验研究,阐明了传统PID控制方法用于时序重叠换挡系统所遇到的一些问题,从而为后续改进直线换挡执行器运动控制技术的研究奠定了基础。(4)分析了传统反馈控制方法在系统设定值跟随性能和扰动抑制性能方面存在矛盾的原因,解释了二自由度控制方法实现这两种性能单独设计的原理。针对常规二自由度控制系统中因两种性能之间相互耦合而对控制器设计和参数调节造成的不便,提出了一种完全解耦的二自由度控制系统方案。以线性自抗扰控制为基础,引入单位逆系统输入前馈,设计参考模型安排过渡过程并为前馈控制环节提供输入信号。控制器设计过程基于带宽的概念,降低了参考模型设计和控制参数调节的难度。最后,通过仿真和试验验证了二自由度串级位置控制方法的有效性。(5)为了解决时序重叠换挡系统对位置传感器过分依赖所造成的可靠性降低问题,基于直线换挡执行器的自传感能力,提出了一种无位置传感器控制系统方案。利用Lyapunov稳定性理论,设计了一种基于反电动势进行速度估计的改进算法。通过设计辅助变量,消除了算法中电流微分项,降低了电流测量噪声对估计结果的影响。分析了执行器参数变化对估计精度的影响,对主要因素执行器特性参数进行辨识并在算法中修正,提高了无位置传感器估计算法的精度。此外,设计了电流信号相位超前算法,从而减轻了电流传感器信号相位滞后对估计精度的影响。针对无位置传感器速度和位置估计算法的特点,提出了基于模型辅助降阶扩张状态观测器的位置速度分段控制策略。试验结果表明,直线换挡执行器的无位置传感器控制能够满足换挡系统要求,提高了位置传感器故障情况下系统的控制性能,使系统的可靠性问题得到改善。