变速器是汽车动力传动系统的核心部件,影响着车辆的动力性、经济性和乘坐舒适性。电控机械式自动变速器(AMT)既能够实现自动变速功能,又保留了手动变速器传动效率高、结构简单和生产成本低等优点,是符合我国国情的变速器产品。然而由于AMT是动力中断换挡,存在动力损失现象,换挡品质也亟需提高。本文以电控机械式自动变速器为研究对象,以改善AMT换挡品质、提高AMT产品竞争力为目的,提出一类应用二自由度电磁执行器实现直接驱动技术的AMT换挡系统,运用理论分析、仿真计算与试验研究相结合的方法,在直接驱动方案设计、换挡系统建模与仿真、控制器实现、换挡过程分段控制、同步过程最优控制及换挡系统鲁棒性等方面进行深入分析与研究,揭示影响换挡品质的关键因素并提出相应改善换挡品质的控制方法,为直接驱动式AMT的应用奠定基础。论文主要开展了以下几方面的理论研究与试验工作：(1)分析了全电式AMT对选换挡执行机构的设计要求,并据此提出应用二自由度电磁执行器实现直接驱动技术的全电式AMT换挡系统方案,详细描述了方案。直接驱动技术的实现对全电式AMT换挡控制系统的设计提出了更高的要求,在分析控制所要解决的关键问题的基础上提出相应的控制方法,并建立控制系统框架。根据控制系统需求研制了基于ARM微控制器的控制系统软硬件平台,为进一步深入研究奠定基础。(2)基于整车建立了换挡系统模型并对执行器进行了性能分析、测试与控制研究。建立包括发动机、离合器、变速器、执行器和整车在内的车辆换挡动力传动系统模型,为换挡控制策略的研究提供了准确的平台。采用理论分析的方法,建立了二自由度电磁执行器的数学模型,分析了执行器电路、磁路和机械子系统之间的耦合关系,并对执行器参数进行了辨识。研制测试系统对执行器静态、动态特性进行测试,并分析了系统参数对性能的影响。为实现二自由度电磁执行器的精确位移控制,提出基于平滑切换思想的模糊PID运动控制算法,通过仿真与试验对算法性能进行了深入研究。(3)针对换挡同步过程各个阶段不同的工作特点,以提高换挡品质为目标设计换挡同步过程分段控制方法,结合系统模型及控制系统进行了仿真与试验研究,并完成了应用二自由度电磁执行器的AMT退挡、选挡过程闭环控制方法的分析与设计。同时利用执行器可同时直动和旋转并且两种运动互不干涉的特点设计了换挡时序部分并行协调控制方法。最后通过仿真与试验对设计的换挡控制方法进行了验证,结果表明提出的控制方法能够有效改善换挡品质。(4)为取得换挡同步过程换挡品质综合最优以同步阶段冲击度和滑摩功为优化目标,建立综合目标泛函,采用基于极小值原理的最优控制方法对目标泛函进行优化,得到同步过程换挡品质综合最优换挡力变化规律。仿真分析了同步时间和换挡力大小的关系,并据此设计了应对变工况的换挡力自适应方法,最后通过试验验证了最优控制及换挡力自适应方法的控制效果。(5)针对基于直接驱动的AMT换挡系统存在非线性、参数及目标量变化、易受干扰等问题,设计一种复合鲁棒性控制方法。将换挡同步过程分为同步过程和非同步过程,同步过程采用自抗扰控制方法(ADRC),在对同步过程最优换挡力轨迹进行精确跟踪的情况下提高系统抗干扰能力；非同步过程采用基于扩张状态观测器(ESO)的逆系统控制方法(ISM),加强了系统对于扰及参数变化的抑制能力,提高了换挡品质的稳定性。仿真与试验结果表明该鲁棒控制方法增强了换挡系统的可靠性,使应用二自由度电磁执行器实现直接驱动的AMT换挡系统具有良好的应用前景。研究结果表明,在常见换挡工况(转速差600r/mim、转动惯量0.03kg-m2)条件下,基于直接驱动的AMT3挡升4挡总体时间小于170ms,其中退挡时间为27.5ms,进挡过程时间为139.5ms,同步阶段输入轴最大当量冲击度为188.3rad/s3,单位面积滑摩功为0.078J/mm2。另外,选挡时间为17.8ms。研究结果体现了直接驱动式AMT的优越性及控制方法的有效性。