Due to the environmental issues and the scarcity of energy, the needs for improving the vehicle powertrain efficiency have increased. Technical survey reveals that the anticipated fuel economy improvement ？ relative to the conventional type of automatic transmission with a torque converter ？ by the application of automated dry-type clutch actuation is substantially higher than that obtained by various other technologies in the transmission category such as increased number of gears, continuously variable transmission, and wet-type clutch usage.
Hence by adopting dual clutch transmission (DCT), the fuel economy similar or higher than that of the manual transmission can be reached, as well as the convenience of automatic gear shifts and smooth shift quality for the driver.
The weakness of the conventional DCT, however, is in the use of the diaphragm spring in the actuator. A diaphragm spring is installed in the dry-type clutch package to ensure satisfactory control performance of the clutch engagement force by reducing the sensitivity of the engagement force variation, and this works against the actuation efficiency by leading to greater energy consumption in the clutch actuator via having to travel through a longer displacement to reach the desired engagement force.
As a resolution for this issue, the self-energizing clutch actuator (SECA) is selected as the control target for the dissertation, which replaces the diaphragm spring in conventional dry-clutch system. Here, the torque-monitoring control methodology is proposed to overcome the system’s oversensitivity. The combination of the self-energizing clutch actuator and the torque-monitoring control method can lead to both clutch actuation efficiency improvement and shift quality improvement in addition to the benefits of the conventional DCTs, and accomplishing such improvements is the utmost objective of the research dealt in this dissertation.
Concerning the hardware of the system, a novel dry clutch actuator for the dual clutch transmission (DCT) using self-energizing principle is suggested. A mathematical model of the actuator and the inclusive DCT driveline is developed. The magnitude of torque amplification obtained by the self-energizing effect is studied, and it is verified via experiments by comparing the calculated and the empirical gains. Also, by analyzing the characteristics of the energy consumption in actuator motors during the vehicle launch and gear shifts, the application potential for the self-energizing clutch actuator is examined. Such work is done both through simulation and dynamometer experiments. The simulation is conducted by using the driveline and self-energizing actuator model developed by using Matlab/Simulink. The hardware-in-the-loop experiments are conducted with the driveline dynamometer that is designed and constructed exclusively for the self-energizing clutch actuator and DCT to experimentally demonstrate the suitability of the suggested actuator for DCT.
Then in order to implement a torque observer-based control strategy, the torque observer specialized for the driveline with dual clutch transmission is developed. This involves the unprecedented task of accurately estimating the torque transmitted through each clutch of the dual clutch transmission. Such goal is attained by only using the measurements and data that are already available in current production vehicles. The suggested estimator requires the speed measurements of engine, input shafts, and wheels, and nominal engine torque information obtained as a function of driver input and engine speed. By synthesizing the estimations obtained by shaft model-based observer, unknown input observers, and adaptive output torque observer, the novel algorithm to estimate the torque of each clutch separately is developed. Stability of the entire combined observer system is analyzed as well. In addition, an alternative form of clutch torque observer is designed by proposing a model reference PI observer to improve the accuracy of the torque estimations. The effectiveness of the individual clutch torque estimator is demonstrated both through simulations using SimDriveline, and tests on an actual vehicle equipped with a dual clutch transmission.
Finally, the strategy to control the clutch engagement for the dual clutch transmission equipped with the self-energizing clutch actuator is developed using an adaptive sliding mode control scheme based on the dual clutch torque observer. The original contribution of the proposed controller is three-fold. A sliding mode tracking controller for the actuator motor position is developed by using the information provided by the torque observer designed to estimate the torque transferred through each clutch of the DCT. Then the kissing point of each clutch is identified, also based on the torque estimation result. Also the adaptive strategy to actively alter the target position command to compensate for the model uncertainty or disturbance is proposed. The estimation performance of the designed torque observer, actuator position tracking control accuracy improvement attained by using the adaptive sliding mode controller, and most crucially, the ability for the integrated controller to cope with the system disturbance, are verified in an integrated manner via simulations and actual experiments using the driveline test bench.
본 논문에서는 자기강화원리를 이용한 건식 듀얼 클러치 변속기용 건식 클러치 액추에이터 및 클러치 토크 관측기를 이용한 액추에이터 제어 알고리즘을 제안하였다. 이러한 시스템의 최종 목표는 모델의 불확실성이 존재함에도 듀얼 클러치 변속기에서의 정확한 토크 추종 제어 성능을 갖추면서, 동시에 액추에이터의 구동 효율을 개선하는 것이다. 즉, 본 연구는 액추에이터 구동 효율 향상과 제어 정확도 향상 사이의 상충관계를 해결함에 기여하였다.
제안된 자기강화원리 클러치 액추에이터는 경사진 랙기어 및 피니언 기어를 이용하며, 스러스터의 직선운동이 피니언기어의 회전에 의하여 클러치의 체결로 이어지도록 설계되었다. 랙 기어의 경사 각도는 액추에이션 게인 및 토크 증배 게인의 계산을 통하여 정해졌으며, 계산된 값은 실험적으로 얻은 값과 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 이를 통해 기존 시스템 대비 낮은 출력을 갖는 소형의 모터만으로도 동일한 액추에이터 성능을 발휘할 수 있다는 결론에 도달하였다.
또한, 에너지 소비 시뮬레이션 및 시험 벤치에서의 실제 실험을 수행함으로써, 제안된 시스템의 듀얼 클러치 변속기 적용 가능성을 검토하였다. 이를 통해, 자기강화원리는 액추에이터의 구동방향과 토크 흐름의 방향이 반대일 때는 에너지 소비를 증가시키지만, 같을 때는 에너지 소비를 상당히 절감할 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 전체적인 에너지 소비량은 자기강화원리를 통하여 절감되는데, 이것은 순방향 토크의 크기가 역방향 토크의 크기보다 상당히 크기 때문이다.
기존 시스템의 다이어프램 스프링을 자기강화원리의 액추에이터로 대체시키면 모터 출력 요구 사항 및 에너지 소비량을 절감할 수 있으나, 높아진 시스템 민감도 때문에 제어에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 두 개의 클러치를 통해 전달되는 토크를 각각 추정하는 토크 관측기를 제안하였다. 이 관측기는 출력축 토크만을 추정할 수 있었던 기존의 토크 관측기와는 달리, 모델기반 PI형식 관측기, 미지입력 관측기, 그리고 독립 전달축 모델 기반 관측기의 합성을 통하여, 각각의 클러치를 통해 전달되는 토크를 추정할 수 있다. 클러치 관측기 토크 추정 성능의 강인성 및 정확도는 시뮬레이션 및 실제 차량 실험, 그리고 시험 벤치 실험을 통하여 검증하였다.
클러치 토크 정보가 주어짐에 따라 액추에이터 제어기의 성능이 상당히 향상될 수 있다. 먼저, 클러치 토크 정보를 이용하여 각 클러치의 정확한 키싱 포인트를 규명할 수 있으며, 반복된 클러치 사용을 통해 클러치 디스크가 마모가 되어도 규명된 키싱 포인트를 통하여 액추에이터 위치 대 클러치 토크 관계 정보를 효과적으로 보정할 수 있다.
두 번째로, 클러치 토크 정보를 이용하면, 액추에이터 위치 추종 제어를 위하여 슬라이딩 모드 제어기를 구현할 수 있다. 추종 에러를 최소화함은 정확한 클러치 토크 추종제어를 하는 것에 있어서 매우 중요하다. 이 때 정확도 높은 제어기를 설계하기 위해 모델 정보를 사용하는데, 모델에 클러치 토크 정보가 포함되어야 하기 때문에 효과적인 슬라이딩 모드 제어기를 구현하기 위해서 클러치 토크 추정치를 피드백하여 사용하였다. 단순한 PID 제어기 대비 향상된 위치 추종 제어 성능은 실험을 통하여 검증되었다.
추가적으로, 토크 추종 제어기의 강인한 성능을 내기 위하여, 위치 지령 적응교정법을 설계하였으며, 이 또한 클러치 토크 정보에 기반하였다. 적응교정법은 클러치 모델 변수의 불확실성에 대응하는 대책이다. 이는 특히 실제 클러치의 마찰 계수 대비 모델의 마찰 계수 값에 오차가 존재할 시 효과적이다.
상기 명시된 모든 하드웨어 및 제어 알고리즘은 통합적으로 시뮬레이션과 시험벤치를 이용한 실험을 통하여 검증되었다. 추가적으로, 동일한 환경에서 기존의 위치기반 제어기법만을 이용한 시뮬레이션도 수행되었으며, 이는 제안된 토크 관측기 기반 제어기가 보여 준 성능과 비교 분석 되었다. 이러한 비교를 통하여, 모델에 큰 오차가 존재할 때에 제안된 제어기만 효과적으로 토크 추종 성능을 보여주는 것을 검증하였다.
