CN101196233A - 用于低功率液力机械变速器的发动机速度控制 - Google Patents

Abstract

一种操作车辆的变速器的方法。该方法包括使用第一算法从发动机RPM输入信号和制动器输入信号来确定开环传动比百分比。使用第二算法从发动机RPM输入信号、车辆RPM输入信号和节气门输入信号来确定闭环传动比百分比。对所述开环传动比百分比和所述闭环传动比百分比求和以计算传动比指令百分比，使用该传动比指令百分比与旋转斜盘输入求和，以致动旋转斜盘定位器并操作变速器。

Description

用于低功率液力机械变速器的发动机速度控制

技术领域

本发明涉及一种发动机速度控制。更具体地说，本发明涉及一种使用控制算法来改进变速器的操作的方法。

背景技术

以前的用于小马力(＜50Hp)车辆上的低功率液力机械变速器(HMT)的控制算法已经被证明在某些模式下对外部负载和操作者输入缺乏响应。这些外部负载包括变化的地形、车轮打滑的情况、以及牵引负载。操作者的输入包括节气门调节和制动改变。控制的目的是为了让操作者使用节气门来设定所想要的发动机速度，并且使传动控制系统调节传动比，从而当外部负载改变时将该所想要的发动机速度保持在极限之内。当车辆速度由传动比来调节且与操作者所想要的车辆速度不匹配时，操作者则必须手动调节节气门。

目前使用带式无级变速器(CVT)的变速器是开环的机械控制装置，并且设计成通过对负载和发动机速度作出响应来处理这些操作条件的改变和操作者的输入。数字控制是开环的或闭环的，并且通常只对发动机速度作出响应。为了优化驱动条件，车辆需要在加速过程中迅速达到接近最大发动机扭矩，并且当外部负载和车辆速度改变时在发动机曲轴上保持该扭矩水平。只要外部负载并不迅速变化，单单闭环的发动机速度控制就足以做到这样，并且具有防失速算法的开环的发动机速度控制也能做到这样。然而，当发生极端的外部负载变化时，目前的HMT系统引起发动机速度变化超出带式CVT。

对于汽车控制器来说，节气门对于给定的节气门位置和发动机速度设定最大发动机扭矩水平。在任何节气门位置，变速器必须调节驱动轴速度和发动机速度之比，以将指令的发动机扭矩施加至正在加速或经受变化的外部负载的驱动轮。以下面的方式调节传动比：对于给定的恒定节气门位置，试图保持发动机速度近似恒定。当外部扭矩负载增大时，则必须减小传动比。当外部扭矩负载减小时，则必须增大传动比。因此，假如发动机速度超过节气门设定的目标速度则增大传动比，假如发动机速度小于节气门设定的目标速度则减小传动比。

有时用闭环发动机速度控制来操作控制器。在指令发动机加速的过程中，理想地在驱动轴上增大扭矩负载，同时连续增大车辆的速度。在减速的过程中，可在发动机输出轴上减小扭矩，并且扭矩可以实际上改变方向，从而发动机从变速器吸收扭矩。因此，发动机的扭矩吸收限于通常小于同一发动机速度的加速扭矩的25％的水平。在闭环发动机速度控制的减速条件下，指令传动比保持不变或增大而没有节气门指令。这导致发动机速度在发动机不能吸收其输出轴上的所有扭矩时保持高速或超速。因此，传动比的改变必须继续减小来及时制动车辆。

开环发动机速度算法用来使车辆减速且防止发动机超速，因为该算法在节气门释放时并不趋于增大传动比。然而，当车辆减速的同时再次应用节气门时，传动比必须从其当前位置稍稍减小或暂时保持不变，以使发动机速度和扭矩对节气门指令作出响应。为了增大传动输出扭矩且使车辆平稳地加速，这是必须的。因此，目前的开路控制算法的实施方式要求复杂的逻辑以实现所想要的控制，且响应较慢从而导致在再次应用节气门的过程中的发动机速度的恢复被延迟。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种改进的可提供平稳驱动条件的控制器。

本发明的再一目的是提供一种能处理多个输入信号以适应操作者的输入的控制器。

本发明的另一目的是提供一种操作变速器的方法，该变速器改变其输入和输出之间的传动比而不受负载影响。

本发明的这些和其它目的、特征或优点将从说明书和权利要求书中变得显而易见。一种操作变速器的方法。该方法包括设置能够接收多个输入信号的控制器，这些输入信号包括旋转斜盘位置、车辆RPM、发动机RPM、制动器位置和节气门位置的信号。该控制器通过使用第一算法基于发动机RPM信号和制动器信号来确定开环传动比百分比，而通过使用第二算法基于发动机RPM信号、车辆RPM信号和节气门信号来确定闭环传动比百分比。然后对第一和第二算法求和，以计算传动比指令百分比，将该传动比指令百分比与先前确定的旋转斜盘输入求和以确定旋转斜盘误差百分比。通过使用该旋转斜盘误差百分比和数字逻辑，控制器就能够基于旋转斜盘误差百分比致动旋转斜盘定位器以操作变速器。

附图说明

图1是用于控制器的传感器输入和电动机驱动输出的示意图；

图2是控制器的控制系统的示意图；以及

图3是当发动机RPM(每分钟的转速)等于节气门RPM时发动机RPM对传动比指令百分比的曲线图。

具体实施方式

图1示出了具有控制器12的电子传动控制系统10，该控制器12从旋转斜盘传感器14、节气门传感器16、发动机速度传感器18、车辆速度传感器20、制动器传感器22和挡位选择传感器24中接收多个输入信号，以给旋转斜盘定位器26提供输出。在一个实施例中，旋转斜盘定位器是直流电动机。为了说明的目的，输入信号被认为是旋转斜盘输入信号28、节气门输入信号30、发动机速度RPM输入信号32、车辆速度RPM输入信号34、制动器输入信号36和挡位选择信号38，而输出信号被认为是控制输出信号40。

图2示出了与旋转斜盘输入结合起来使用以提供控制器输出信号40的第一和第二控制算法的示意图。旋转斜盘输入是通过提供旋转斜盘输入信号28来产生的，对控制器12编程以将该信号转化成旋转斜盘百分比42，该旋转斜盘百分比42与一预定的偏移求和以产生旋转斜盘的带偏移百分比46，该带偏移百分比46表示控制器12的旋转斜盘输入。因此，通过用旋转斜盘传感器14检测旋转斜盘的角度，控制器就能够不断地提供用附图标记46表示的旋转斜盘输入。

当控制器12在连续地确定旋转斜盘输入时，控制器也在连续地接收车辆速度信号和发动机速度信号34、32，它们不断地提供变速器的传动比48。此外，将发动机信号32用于轮廓函数50，该轮廓函数50在与挡位选择信号结合起来使用时可用来提供发动机设定点52。挡位选择信号38是通过由操作者致动变速箱(rangebox)54来确定的。使用变速箱54的操作者可以将变速器设置在高速前进挡56、低速前进挡58、空挡位置60、倒车位置62、或驻车位置64。因此，取决于变速箱的位置和发动机速度，可由控制器12来确定发动机设定点52。

同时，在控制器中，分析制动器输入信号36以提供一制动器百分比66，将该制动器百分比66用于制动器轮廓函数68以产生制动器输出百分比70，该制动器输出百分比70被输入至制动器斜坡函数72以产生斜坡制动器百分比74。然后由控制器12将斜坡制动器百分比74与百分之一百求和，并且将其输入至发动机设定点52，以提供发动机制动器设定点76。然后将发动机制动器设定点76提供入开环传动比斜坡函数78，该开环传动比斜坡函数78提供开环传动比百分比80。各函数和计算50-78都表示控制器12内第一算法的输入、计算和函数。因此，第一算法使用发动机RPM输入信号32和制动器输入信号36以确定开环传动比百分比80。开环传动比百分比80表示开环传动比调节。

控制器12还具有第二算法，该第二算法分析节气门输入信号30。节气门输入信号30被控制器12引入且被分析以提供节气门百分比82，将该节气门百分比82用于节气门轮廓函数84以产生节气门RPM86，该节气门RPM86被输入到节气门斜坡函数88中以产生节气门限制RPM信号90。然后与发动机速度RPM信号32求和以确定发动机速度误差92。通过将发动机速度误差92输入数字逻辑94，可由第二控制算法来确定闭环传动比百分比96。因此，第二控制算法使用节气门输入信号和发动机速度RPM信号来确定闭环传动比百分比96。如同开环传动比百分比80一样，该闭环传动比百分比96表示闭环传动比调节。

在此，将开环传动比百分比80与闭环传动比百分比96求和并输入极限函数98。极限函数98用来确保源自开环传动比百分比80与闭环传动比百分比96的和的传动比指令百分比100在预定的极限内。图3示出了发动机RPM等于节气门RPM时传动比指令极限的曲线图。如图所示，开环设定百分比V、闭环上限W和闭环下限X用来确定最大输出Y和最小输出Z。

假如开环传动比百分比80与闭环传动比百分比96的和超过极限函数98的预定极限中的任一个，则与数字逻辑94通信以提供新的闭环传动比百分比96，从而确保不超过预定的极限。

一旦传动比指令百分比100落入预定的极限之间，则将传动比指令百分比100与旋转斜盘的带偏移百分比46求和，以确定旋转斜盘误差百分比102。然后利用数字逻辑104，控制器致动电流源106以调节电流和电压并因此调节对于旋转斜盘定位器26的控制输出信号40，从而致动定位器26且操作车辆。

因此，电子传动控制系统10设计成基于操作者的输入和当前的车辆操作条件来实现传动比。尽管在一个实施例中对于HMT使用了系统10，但是在其它实施例中，对于纯流体静力变速器、多模式HMT或者提供从零到最大输出速度的无级变速传动比的任何其它传动系统，也可使用系统10。

系统10还对要求平稳启动的控制传动比的HMT进行优化。在这种装置中，变速器恒定地将发动机连接至负载，且传动比仅仅由来自于电子控制系统10的指令中的改变来变化。变速器的机械功能只是用来改变其输入和输出之间的比而不受负载影响。这不同于传统的变速器，传统的变速器使用诸如滑动带、离心式离合器、压力调制离合器、变矩器之类的扭矩或负载敏感装置来实现平稳的启动条件。

因此，此系统10非常适合用于动态的操作条件。具体地说，系统10对于迅速改变的负载和操作特定能立即作出反应。此外，系统10非常适合用于高速车辆或者具有高输出扭矩比的其它车辆。尽管在较佳的实施例中，系统10预期用于ATV，但在其它实施例中，系统10还可用于其它车辆。

通过将闭环发动机控制与开环传动比调节结合起来，可利用两者的优点。因此，调节开环控制以在传动比指令中提供所想要的大改变，而调节闭环响应以在传动比指令中提供较小的、更精确的改变。

因此，开环传动比调节使用发动机速度测量来设定所想要的传动比设定。在加速和减速过程中，斜坡函数78过滤所想要的传动比设定，以限制实际传动比指令中的改变率，且作为由于发动机的外部负载而引起的发动机速度的改变以及节气门设定的改变。总而言之，开环传动比指令80在发动机速度低于预定的发动机启动速度时设为零，且随着发动机速度的增大而从0％增大到100％。在发动机速度的整个范围内，限定开环传动比百分比80的该曲线设置成：在平坦干燥路面的正常外部负载条件下，提供对于低速操作和高速操作来说都是良好的操作特性，且在低速和高速之间平稳加速和减速。

通过使用变速箱54选定挡位来选择各个设定点曲线和斜坡。当选定的挡位是空挡60或驻车挡64时，设定点总是设为零传动比。低速前进挡58和倒车挡62使用一组设定点曲线和斜率，而高速前进挡56使用另一组设定点曲线和斜率。

将实际发动机速度和节气门设定之间的误差输入至闭环发动机速度控制。在发动机速度超过节气门设定的诸如减速或下坡之类的轻外部负载的条件下，闭环发动机速度控制增大组合传动比指令。在发动机速度低于节气门设定的诸如加速、上坡或牵引重负载之类的较高负载条件下，闭环发动机速度控制减小组合传动比指令。

为了将输出范围控制为组合传动比指令，两个算法的和具有极限函数98以将实际传动比指令限制在预定极限内的。这些基于发动机速度和节气门位置以及最大传动比的0-100％的机械传动比极限。对于给定发动机速度来说，较高的传动比导致较高车辆速度，但是通常也导致发动机的较高扭矩。此极限函数还计算将应用到闭环发动机速度控制的上限和下限。当闭环发动机速度控制超出任一极限时，函数还在闭环发动机速度控制功能中重设传动比控制信号，以保持住该被超出的极限。因此，闭环发动机速度控制输出在有多少附加传动比在减速过程中添加至开环传动比调节方面受到限制。

在加速和外部负载条件下，可将传动比调节变小，从而保持由操作者通过发动机节气门调节机构所设定的所想要的发动机速度。施加到闭环发动机速度控制的上限W(图3)设定为开环传动比的一个百分比。将上限W增加至开环传动比，从而设定所指令的总最大实际传动比。这在图3中是“最大”曲线Y。这是由实际发动机速度和所得到的开环传动比设定点的改变率来设定的。所选的百分比还设定最大发动机制动，施加该最大发动机制动以在开环传动比设定和斜坡之上使车辆减速。该百分比越小，所施加的发动机制动就越大。该百分比越高，所施加的发动机制动就越小。

施加至闭环发动机速度控制的基本下限X(图3)设定为等于开环传动比的负值。因此，两个组合传动比指令的和并不会变成负的，而是限于零传动比。导致较大发动机速度下拉的该方法的一种替代方式是将下限X(图3)设为节气门设定的函数。当车辆需要保持牵引作用同时操作者保持节气门指令时使用这种方式。对于高的节气门设定，发动机能够通过防止组合传动比指令变为零来在负载下下拉。这在图3中是下限X。对于给定的节气门设定，这是通过开环传动比和所想要的下限传动比来设定的。对于低的节气门设定，发动机可用接近零的组合传动比指令来下拉到在节气门设定速度之下。

轮廓函数84限定对应节气门传感器输入30的所想要的发动机速度设定给控制器，且后续的斜坡函数88成形该设定与时间。该斜坡节气门设定用作对于闭环发动机速度控制的诸输入中的一个。该轮廓和斜坡成形成用操作者输入的节气门设定的改变来获得所想要的动态和稳态发动机速度曲线。由于高速前进挡56和低速前进挡58之间的不同挡位传动比，发动机的实际响应不同。因此，对于每个挡位选择必须调节轮廓和斜率。对于开环传动比设定来说，也是这样的。然后选择挡位来改变轮廓函数84和斜坡函数88中的每一个内所用的参数。

通过制动线路中的压力传感器或制动器位置传感器来监测制动器的致动，该传感器向控制器报告有多少制动正在通过车轮真正施加至HMT的输出轴。除非传动比减小，这又会加载发动机。这种在发动机上的附加负载减小了发动机速度，这样的减小接着又通过开环传动比调节来减小传动比。然而，已证实，这种调节自身太少，导致比所想要的更大的发动机速度减小。这会发生直到闭环发动机速度控制算法可以作出所想要的附加传动比减小改变。因此，制动器传感器输出用来通知控制器已指令了制动器的致动。通过编程入软件中的对应于制动器输入的量和速率来直接减小开环传动比调节，以使发动机速度保持更接近由节气门传感器设定的所想要的水平。通过施加太多的传动比减小和太快地施加这种减小，发动机速度可实际上随着制动器输入的增大而增大。由控制器12来确定在每个给定制动器致动水平的量施加其的速率两者中的平衡。

变速箱54已工作的发动机启动条件要求最小外部扭矩从车轮传递返回至发动机输出轴。这种最小外部负载发生在零传动比位置。因此，当控制器12确定了发动机不在运作时，控制器12必须主动将旋转斜盘移动至偏移位置。当发动机在启动器的作用下转动曲柄时，发动机负载仅仅是与HMT的内部部件和发动机自身的转动相关的负载。一旦发动机速度足以确定发动机已经启动，控制器12就将传动比逐渐增大到如开环设定点指令水平加上闭环控制水平所规定的水平，该开环设定点指令水平加上闭环控制水平则由实际发动机速度、节气门设定、传动比和制动器设定来设定。在斜坡向上的时间已经过去之后，使用正常的斜坡水平。这使操作者能在发动机启动顺序之后移动机器，而无需诸如将变速箱54切换至空挡60或放开节气门一段时间之类的任何其它动作。

车辆移动时的挡位选择改变必须以特殊的方式来处理，以防止所不想要的机器加速或减速。当车辆在移动时，传动比不为零，因此变速箱中选择的改变导致变速箱54的各端之间的速度差。当该改变是从高速前进挡56变到低速前进挡58或从低速前进挡58变到高速前进挡56时，尤其是这样。因为发动机是车辆和发动机之间的惯性较小的部件，所以这种速度上的改变影响发动机多于影响车辆。

当从低速前进挡58切换到高速前进挡56时，来自HMT和发动机的输入轴迅速减速。这会导致损坏发动机。为了保持相同的车速和发动机速度，传动比必须迅速减小变速箱中挡位改变的量。为了实现这种传动比上的改变，当检测到从低速前进挡到高速前进挡的挡位选择时，通过从就在挡位切换改变之前的传动比中减小速率受限的开环传动比该传动比的改变，同时闭环发动机控制输出清零。

当从高速前进挡56改变至低速前进挡58时，将传动比保持在相同位置可致使发动机加速，这比在相反方向时是较少不适合的。因此，速率受限的开环传动比设定为挡位切换之前的相同组合传动比，且闭环发动机控制输出清零。组合传动比指令的开环和闭环分量的后续更新使各挡位之间可平稳过渡。

挡位选择改变至空挡60或驻车挡64导致传动比指令设为零。因为这个动作通过变速箱54将车轮与发动机脱开，对于机器操作来说，速度上的不匹配并不关键。从空挡60或驻车挡64改变至另一挡位要求：变速箱54的输入和输出速度与变速箱54中所选择的传动比相匹配。实质的连接直到速度匹配且离合器能够配合在变速箱54中才发生。直到这发生之后，在离合器脱开时才没有可感知的扭矩通过变速箱54传递于车轮和发动机之间。当挡位从高速前进挡56和低速前进挡58发生改变时，用于所想要的轮廓设定点和斜坡曲线的合适参数必须也应用至用于开环传动设定点比和节气门限定的发动机速度指令的软件功能部件。

因此，揭示了一种用于变速器的改进的控制系统。该系统消除的复杂的算法和指令，且改进了变速器的操作。因此，至少已经满足了所有所述的目的。

熟悉本领域的技术人员会理解，也对该装置作出其它各种变型，而不脱离本发明范围内的精神实质。所有的变型和改变都落入本权利要求书范围内从而将被该权利要求书覆盖。

Claims (10)

1.一种操作车辆的变速器的方法，包括以下步骤：

使用第一算法从发动机RPM输入信号和制动器输入信号来确定开环传动比百分比；

使用第二算法从发动机RPM输入信号、车辆RPM输入信号和节气门输入信号来确定闭环传动比百分比；

对所述开环传动比百分比和所述闭环传动比百分比求和以计算传动比指令百分比；以及

使用所述传动比指令百分比来致动旋转斜盘定位器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了致动所述旋转斜盘定位器，将所述闭环传动比百分比与旋转斜盘输入求和。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述发动机RPM输入信号输入轮廓函数以产生与所述制动器输入信号相关联的发动机设定点，以形成发动机制动器设定点，从而用所述第一算法确定所述开环传动比百分比。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述第二算法在所述节气门输入信号上使用轮廓和斜坡函数，以确定所述闭环传动比百分比。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：用变速箱向所述发动机设定点输入挡位选择指令。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在对所述开环传动比百分比和闭环传动比百分比求和之后提供极限函数，以限制所述传动比指令百分比。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述极限函数重设所述闭环传动比百分比。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述第一算法在所述制动器输入信号上使用轮廓和斜坡函数，以确定所述开环传动比百分比。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转斜盘输入包括合计的旋转斜盘和偏移百分比。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述合计的旋转斜盘和偏移百分比与所述传动比指令百分比求和，以确定旋转斜盘误差百分比。

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