CN101136606A

CN101136606A - 发动机驱动的发电机的扭矩估计

Info

Publication number: CN101136606A
Application number: CNA2007101422551A
Authority: CN
Inventors: M·G·雷诺; C·S·纳穆杜里; T·M·希亚奇; S·J·查诺韦思; M·利夫什茨
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: DE102007040553B4; DE102007040553A1; CN101136606B; US20080054646A1; US7797096B2

Abstract

一种驱动发电机的系统的发动机控制系统，包括产生温度信号的温度传感器和基于发动机速度和发电机特性确定发电机扭矩的控制模块。所述控制模块基于所述温度信号确定扭矩修正因数，并且基于所述发电机扭矩和所述扭矩修正因数确定修正的发电机扭矩。本发明的各种实施例利用发动机速度、系统电压、激励绕阻工作循环、发动机温度、环境温度和/或发电机电流。

Description

发动机驱动的发电机的扭矩估计

技术领域

本发明涉及车辆，尤其涉及发动机驱动的发电机的扭矩估计。

背景技术

内燃(IC)发动机通过燃烧燃料与空气的混合物产生扭矩。该扭矩不只提供车轮的驱动力，还辅助地驱动发动机负载。例如，该扭矩用于驱动的驱动负载包括，但不限于，A/C压缩机、发动机或交流发动机、冷却液泵、油泵等。在意料之外的负载增压的情形中，发动机速度降低，并且发动机可能停转。

为防止发动机停转，火花点燃式IC发动机的发动机控制系统通过将点火正时调节为小于最佳量而保持扭矩储备。因为该点火提前对于给定的燃料/空气比是次优的，所以发动机产生的扭矩比最优正时的少(即，最大扭矩的最小火花(MBT))。如果需要快速地增加扭矩以驱动增大的负载(即，快于A/F比可变化的)，那么点火正时提前为更加靠近最佳点，以对于相同的空气/燃料比产生更多的扭矩。同样，如果需要较小的扭矩，那么点火正时从BMT进一步迟滞。但是，该方法导致发动机通常运行于次优点火正时，以保持所需的扭矩储备。

防止发动机停转的另一方法是调节发动机负载。例如，对于怠速控制，可调节发电机的负载(扭矩)。在这种方式下，发动机控制系统可保持点火正时更加靠近MBT，以降低怠速时的燃料消耗。降低发电机负载获得了与通过提前点火来提高发动机扭矩相同的结果。为了同时获得平顺(即，驾驶员无法感觉到的(driver transparent))控制与改善的燃料消耗，需要严密控制发电机增加或减少的扭矩负载的量。但是，传统的估计发电机扭矩的方法无法精确提供所需的严密控制。例如，当反应到发动机时，传统的估计发电机扭矩的方法会具有大致+/-20Nm的误差。

发明内容

因此，本发明涉及精确估计发电机扭矩的方法，以及用作驱动发电机的发动机的发动机控制系统部分。所述发动机控制系统包括产生温度信号的温度传感器和基于发动机速度和发电机特性确定发电机扭矩的控制模块。所述控制模块基于所述温度信号确定扭矩修正因数，并且基于所述发电机扭矩和所述扭矩修正因数确定修正的发电机扭矩。

在一个特征中，所述发电机特性包括所述发电机的激励绕阻的工作循环。

在其它特征中，所述发电机特性包括所述发电机的激励绕阻电压。所述激励绕阻电压基于系统电压和所述发电机的激励绕阻工作循环来确定。

在其它特征中，所述控制模块基于系统电压、发电机电流和速度计算所述修正的发电机扭矩。

根据下文中所提供的详细描述，本发明适用性的其它方面也是显而易见的。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施例，但是其详细描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本发明的范围。

附图说明

从下面详细的描述和附图能够更加全面地理解本发明，其中：

图1为基于根据本发明的发电机扭矩估计系统操作的典型车辆的示意图；

图2为典型发电机的电路图；

图3为示出对于多个运行温度，曲轴扭矩相对于激励线圈工作循环的典型数据点的图表；

图4为示出由根据本发明的发电机扭矩控制执行的典型步骤的流程图；

图5为示出使用发电机扭矩控制获得的，对于多个运行温度，曲轴扭矩相对于扭矩误差的典型数据点的图表；

图6为示出对于多个运行温度，激励绕阻电压相对于曲轴扭矩的典型数据点的图表；

图7为示出由根据本发明的可选发电机扭矩控制执行的典型步骤的流程图；

图8为示出使用可选发电机扭矩控制获得的，对于多个运行温度，曲轴扭矩相对于扭矩误差的典型数据点的图表；

图9为示出使用可选发电机扭矩控制获得的，对于多个样本，曲轴扭矩相对于扭矩误差的典型数据点的图表；以及

图10为示出由根据本发明的另一可选发电机扭矩控制执行的典型步骤的流程图。

具体实施方式

实质上，下列优选实施例的描述仅仅是示意性的，而绝不是限制本发明及其应用或使用。为简便起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或硬件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它适当部件。

现在参考图1，典型的车辆10包括发动机12、发电机14和变速器16。更具体地，发动机12将空气吸入进气歧管18，进气歧管将空气分配入气缸(未示出)，空气在气缸内与燃料混合以形成空气/燃料混合物。空气/燃料混合物燃烧，以驱动气缸内的活塞(未示出)，从而驱动曲轴20以产生驱动扭矩。燃烧过程由火花塞(未示出)产生的火花起动。可调节点火相对于气缸中活塞位置的正时(即，延迟或提前)，以调节排气温度、发动机扭矩和歧管绝对压力(MAP)。

发动机12与交流发电机14通过传动带系统22连接。发动机12和发电机14分别包括由传动带28连接以便旋转的滑轮24、26。滑轮24与发动机12的曲轴20连接以便旋转。发动机12驱动发电机14，以产生车辆系统使用的电能和/或给能量存储装置(ESD)30再充电。发电机14包括作用在发动机12上由电压调节器(VR)32调节的可变负载(T_GEN)。当需要发电机14的更多电能时，VR32增大T_GEN，从而增加发动机的功量。当需要发电机14较少的电能时，VR32减小T_GEN，从而减少发动机的功量。在正常发动机运行期间，基于标准负载控制策略调节T_GEN。共同转让的美国专利No.US2004/0150375中公开了一种典型的负载控制策略，其内容通过参考包含于本文。

变速器16可包括，但不限于，手动变速器、自动变速器、无级变速器(CVT)和/或自动手动变速器(AMT)。驱动扭矩通过联接装置34从发动机曲轴20传递到变速器16。联接装置34可包括，但不限于，依赖于使用的变速器形式的摩擦离合器或液力变矩器。变速器16通过多个传动比之一加倍驱动扭矩，以驱动驱动轴36。

控制模块38基于本发明的发电机扭矩估计系统调节车辆10的运行。控制模块38控制发动机气流、燃料喷射、点火和交流发电机负载以调节发动机扭矩输出。歧管绝对压力(MAP)传感器40响应于进气歧管18内的MAP，并基于此产生MAP信号。发动机温度传感器42响应于发动机温度，并基于此产生发动机温度信号。应当了解，发动机温度可从冷却液温度和/或发动机12的油温来确定。环境温度传感器44响应于环境温度，并基于此产生环境温度信号。应当了解，发动机温度还基于环境温度进一步确定。速度传感器46响应于发动机12的转速(RPM)，并基于此产生速度信号。踏板位置传感器50感测加速踏板48的位置。踏板位置传感器50基于此产生踏板位置信号。

现在参考图2，示出了发电机14和电压调节器32的典型电路图。电压调节器包括控制模块60、晶体管62和二极管64。发电机14包括具有定子绕阻66的定子、具有爪极半部(未示出)和激励绕组68的转子以及具有二极管72的整流器70。尽管未示出，但是在第一和第二磁轭中封装有激励绕阻，每个激励绕阻都包括多个交错的齿(例如，每个磁轭6个齿)。转子可旋转地支撑在定子中，并由曲轴20可旋转地驱动。

电压调节器32连接到功率和电压传感(sensing)的终端B+和B-。控制模块60感测B+处的电压。如果电压与内部参考电压(V_REF)相比过低，那么晶体管62就开启，以向激励绕阻68提供电压，提高其电流。当晶体管62开启时，“F”终端大致为，小于B＋的电压0.8V。当控制模块60感测到B+的电压高于V_REF时，晶体管62关闭。激励绕阻中流动的电压在二极管64中循环，并缓慢地降低。当晶体管关闭并且二极管64打开时，“F”终端大致为，小于B-的电压0.8V。晶体管62开启期间的时间周期(t_ON)同t_ON与晶体管62关闭期间的时间周期(t_OFF)的和的比值等于线圈的工作循环(DC)。

激励绕阻68内的电压磁化了转子的磁轭。第一磁轭磁化为北极(N)，第二磁轭磁化为南极(S)。磁轭的交错的齿使得当组装转子时，N极与S极交替地绕着转子的外围设置。当转子在定子内旋转时，这些磁极产生的磁通量在绕阻中产生AC电压。在每个磁轭具有6个齿的情形下，定子绕阻66每一转产生6个AC电压回路。AC电压回路的大小与频率(即，转子的速度)和激励绕阻68产生的磁通量成比例。激励绕阻68内的电流越多，磁轭产生的磁通量就越多。在低激励绕阻电流时，其关系也基本成比例。

整流器70的二极管72以将定子绕阻66中产生的AC电压有效转换为DC电压和电流的方式布置。但是，定子绕阻66中产生的电压不得不对于二极管72来说足够大，以将其正向偏置。例如，如果电池电压为12.6V，那么它大约需要14.6V，以便开始正向偏置二极管72，并产生电流。

发电机扭矩估计系统基于施加到激励线圈的工作循环(DC_FC)、发动机速度(RPM)和发动机温度(TEMP_ENG)来确定用温度修正的扭矩T_GEN(T_GENCORR)。参考图3，收集了发动机怠速时(例如，1800发电机RPM)，对于多个环境温度(例如，25℃、75℃和125℃)，DC_Fc相对于T_EMAS(即，测量的曲轴上驱动发电机的扭矩负载)的典型数据点。对于各温度数据组提供了最佳的拟合曲线。基于发动机RPM和DC_FC，使用多维查寻表来确定T_GEN的最佳拟合值。基于温度数据组和最佳拟合曲线得出扭矩修正查寻表。更具体地，基于TEMP_ENG，从查寻表确定扭矩修正因数(T_CORR)。TEMP_ENG基于冷却液温度、油温和/或环境温度来确定。修正的发电机扭矩(T_GENCORR)基于T_GEN和T_CORR来确定。

现在参考图4，对发电机扭矩控制执行的典型步骤进行详细的描述。在步骤400中，控制程序确定发动机RPM，在步骤402中，控制程序确定DC_FC。在步骤404中，控制程序基于RPM和DC_FC确定T_GEN。在步骤406中，控制程序确定TEMP_ENG。在步骤408中，控制程序基于TEMP_ENG确定T_CORR。在步骤410中，控制程序计算T_GEN与T_CORR的乘积作为T_GENCORR。在步骤412中，控制程序基于T_GENCORR调节发动机的运行。

现在参考图5，示出了获得的扭矩误差(T_CORR)的典型数据点。更具体地，T_CORR定义为测量的发电机扭矩T_EMAS与图3的最佳拟合曲柄之间的差。如图所示，大部分典型数据点位于+/-4NM之内。这比使用恒定的估计扭矩值的传统方法的+/-20NM误差具有显著的提高。

现在参考图6，可选发电机扭矩估计系统基于激励绕阻电压(V_FW)、发动机速度(RPM)和发动机温度(TEMP_ENG)来确定T_GENCORR。V_FW基于DC_FC和系统电压(V_SYS)来确定。V_SYS由控制模块38测量。收集了发动机怠速时(例如，1800发电机RPM)，对于多个环境温度(例如，25℃、75℃和125℃)，V_FW相对于T_EMAS(即，测量的曲轴上驱动发电机的扭矩负载)的典型数据点。对于各温度数据组提供了最佳的拟合曲线。基于发动机RPM和V_FW，使用多维查寻表来确定T_GEN的最佳拟合值。与上述相类似，基于温度数据组和最佳拟合曲线得出扭矩修正查寻表。基于TEMP_ENG，从查寻表确定T_CORR。TEMP_ENG基于冷却液温度、油温和/或环境温度来确定。T_GENCORR基于T_GEN和T_CoRR来确定。

现在参考图7，对发电机扭矩控制执行的典型步骤进行详细的描述。在步骤700中，控制程序确定发动机RPM，在步骤702中，控制程序确定DC_FC。在步骤704中，控制程序确定V_SYS，在步骤406中，控制程序基于V_SYS和DC_FC确定V_FW。在步骤708中，基于RPM和V_FW确定T_GEN。在步骤710中，控制程序确定TEMP_ENG。在步骤712中，控制程序基于TEMP_ENG确定T_CORR。在步骤714中，控制程序计算T_GEN与T_CORR的乘积作为T_GENCORR。在步骤716中，控制程序基于T_GENCORR调节发动机的运行。

现在参考图8，示出了获得的T_CORR的典型数据点。T_CORR再次定义为估计的T_EMAS与图6的最佳拟合曲柄之间的差。如图所示，大部分典型数据点位于+/-2NM之内。这比使用恒定的估计发电机扭矩值的传统方法的+/-20NM误差具有显著的提高。

本发明还提供了另一可选发电机扭矩估计系统。更具体地，设有发电机电流传感器60(参考图1)，其响应于发电机电流(I_GEN)。基于发电机RPM、V_SYS和I_GEN确定发电机扭矩的拟合曲线，以提供下列关系：

T_{GEN} = (k_{a} + k_{b} \cdot RPM + k_{c} \cdot {RPM}^{2}) + ((k_{d} + k_{e} \cdot I_{GEN} + k_{f} \cdot I_{GEN}^{2}) (1 + k_{g} \cdot V_{SYS}) / RPM)

其中k_a至k_g为对试验数据进行最小二乘方曲线拟合得到的校准常数。因为与速度和发电机电流相关的损失沿与温度相反的方向移动，因此温度影响极小，所以上述关系与温度无关。

现在参考图9，示出了考虑发电机RPM、温度和负载范围的T_CORR多个数据点。例如，从发电机速度从1400变化至10000RPM(即，420至3000发动机RPM)、环境温度从25变化至125℃、I_GEN从10A变化至90A、以及V_SYS从12.4V变化至15.5V的数据组确定T_CORR。如图所示，T_CORR减小，处于大致+/-1NM的范围内。

现在参考图10，对第二可选发电机扭矩控制执行的步骤进行详细的描述。在步骤1000、1002、1004中，控制程序分别确定发动机RPM、I_GEN和V_SYS。在步骤1006中，控制程序基于RPM、I_GEN和V_SYS，通过进行计算公式确定T_GEN。在步骤1008中，控制程序基于T_GEN调节发动机的运行。

本领域的技术人员从前面的描述应当理解，本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，尽管根据其特定实施例描述了本发明，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当这样限制。

Claims

1.一种驱动发电机的发动机的发动机控制系统，包括：

温度传感器，该传感器产生温度信号；以及

控制模块，该模块基于发动机速度和发电机特性确定发电机扭矩、基于所述温度信号确定扭矩修正因数以及基于所述发电机扭矩和所述扭矩修正因数确定修正的发电机扭矩。

2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发电机特性包括所述发电机的激励绕阻的工作循环。

3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述发电机特性包括所述发电机的激励绕阻电压。

4.如权利要求3所述的发动机控制系统，其中所述激励绕阻电压基于系统电压和所述发电机的激励绕阻工作循环来确定。

5.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述控制模块基于所述修正的发电机扭矩调节所述发动机的运行。

6.一种驱动发电机的发动机的发动机控制系统，包括：

电流传感器，该传感器产生发电机电流信号；以及

控制模块，该模块基于所述发电机电流信号、发动机速度和系统电压确定发电机扭矩，并且基于所述发电机扭矩调节所述发动机的运行。

7.如权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述控制模块还基于多个校准常数来计算所述发电机扭矩。

8.如权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述控制模块通过处理公式来计算所述发电机扭矩。

9.如权利要求8所述的发动机控制系统，其中所述公式从包括发电机电流、发动机速度和系统电压的试验数据得到。

10.如权利要求9所述的发动机控制系统，其中所述公式为关于速度的至少二阶和关于发电机电流的至少二阶，其中所述公式包括电压与除以速度的电流的乘积。

11.一种基于发电机扭矩调节驱动发电机的发动机的运行的方法，包括：

产生温度信号、发动机速度信号和发电机特性信号；

基于所述发动机速度信号和所述发电机特性信号确定发电机扭矩；

基于所述温度信号确定扭矩修正因数；以及

基于所述发电机扭矩和所述扭矩修正因数计算修正的发电机扭矩。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述发电机特性信号基于所述发电机的激励绕阻的工作循环。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述发电机特性信号基于所述发电机的激励绕阻电压。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述激励绕阻电压基于系统电压和所述发电机的激励绕阻工作循环来确定。

15.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述修正的发电机扭矩调节所述发动机的运行。

16.一种基于发电机扭矩调节驱动发电机的发动机的运行的方法，包括：

产生发电机电流信号、发动机速度信号和系统电压信号；

基于所述发电机电流信号、所述发动机速度信号和所述系统电压信号确定发电机扭矩；以及

基于所述发电机扭矩调节所述发动机的运行。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述发电机扭矩基于多个校准常数来计算。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述发电机扭矩基于公式来计算。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述公式从包括发电机电流、发动机速度和系统电压的试验数据得到。