CN101638062B - 汽车爬坡控制方法和汽车爬坡控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种汽车爬坡控制方法，包括以下步骤：检测汽车爬坡时的倾角信号；根据所述倾角信号计算相应的控制电流值；根据所述控制电流值控制所述汽车的电机，以使所述电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。本发明提出了一种简单、有效的汽车爬坡控制方法和相应装置，以解决电动汽车及混合动力汽车爬坡时遇到的问题，使其能够平稳爬坡，并且避免出现因为油门过大而烧毁电机，或因为爬坡力不足而倒退下滑的技术缺陷，从而提高了车辆的安全性。

Description

汽车爬坡控制方法和汽车爬坡控制装置 

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域，特别涉及一种汽车的爬坡控制方法和爬坡控制装置。 

背景技术

随着能源的紧张和环境污染的日益加剧，使传统汽车产业发展面临着众多的困难，因此电动汽车及混合动力汽车的出现为广大汽车生产厂商和消费者所看好，成为汽车发展的热点。电动汽车和混合动力汽车是指以电能为动力的汽车，一般采用高效率充电电池、或燃料电池做为动力源。由于电能是二次能源，它可以来源于风能、水能、核能、热能、太阳能等多种方式，因此电动汽车属于零排放汽车，能够有效解决能源紧张和汽车尾气污染所带来的环境问题。 

然而由于电动汽车及混合动力汽车与传统汽车的结构不同，如电动汽车采用电机进行驱动，而非传统汽车的发动机，因此电动汽车及混合动力汽车也存在一些传统汽车所未遇到的问题。由于电动汽车及混合动力汽车的技术还并不是非常成熟，因此这些问题将严重影响电动汽车及混合动力汽车的发展，并且由于其与传统汽车结构和原理不同，也很难从传统汽车技术中得到借鉴。 

目前现有技术中遇到的问题包括电动汽车及混合动力汽车的爬坡问题。对于传统汽车来说，在爬坡时特别是坡起时常常会出现发动机熄火，甚至溜车的现象，但这对于传统汽车来说并不是特别严重，由于传统汽车中的内燃机惯性大，因此在爬坡动力不足时，最多是将内燃机强迫熄火。然而对于纯电动汽车或混合动力汽车来说，其采用电机驱动，如果爬坡动力不足时，则转子近似停止转动，此时定子磁场将会被锁定，如果驾驶员按照操作习惯加大油门的话，就会加大IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)的开通占空比，从而将会将定子电压(三百多伏)加到了定子电阻两端，并且由于定子电阻很小(约为几欧)，因此会产生几百安的电流，如果这样情况持续十几秒就会烧毁电机、一些功率器件或电路模块。并且此时如果驾驶员缺乏经验，松油门过快，则电机将会减小力矩输出，同传统汽车一样电动汽车及混合动力汽车也会因为爬坡力不够而迅速倒退下滑而产生交通事故。从上述描述中可以看出电动汽车及混合动力汽车在爬坡时遇到比传统汽车更严重的问题，并且目前未得到解决，因此现有技术的缺点是亟需一种简单、有效的方法及装置解决电动汽车及混合动力汽车爬坡时遇到的问题。 

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中电动汽车及混合动力汽车爬坡时遇到的技术缺陷。 

为达到上述目的，本发明一方面提出一种汽车爬坡控制装置，包括倾角传感器、与所述倾角传感器相连的模数转换器、与所述模数转换器相连的控制器、以及与所述控制器相连的信号锁存器和驱动核；所述倾角传感器，用于检测汽车爬坡时的倾角信号；所述模数转换器，用于将所述倾角传感器检测到的所述倾角信号转换为数字倾角信号后，发送给所述控制器；所述控制器，用于根据所述模数转换器发送的数字倾角信号和以下公式计算相应的控制电流值并输出给所述信号锁存器，所述公式为：iq＝M[a+g×(sin(θ)+u×cos(θ))]×j/K，其中，iq为控制给定电流，K为iq与转矩的比例系数，其通过试验标定，M为整车的质量，a为所述倾角传感器读的车辆加速度，θ为所述倾角传感器读的车辆爬坡角度，j为车辆驱动电机轴和车轮系统的传动比，g为重力加速度，u为滚动摩擦系数；所述信号锁存器，用于对所述控制器输出的控制电流值进行锁存并提供给所述驱动核；所述驱动核，用于根据所述信号锁存器锁存的控制电流值控制所述汽车的电机，以使所述电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。 

本发明另一方面还提出一种一种汽车爬坡控制方法，包括以下步骤：检测汽车爬坡时的倾角信号；根据所述倾角信号和以下公式计算相应的控 制电流值，所述公式为：iq＝M[a+g×(sin(θ)+u×cos(θ))]×j/K，其中，iq为控制给定电流，K为iq与转矩的比例系数，其通过试验标定；M为整车的质量，a为所述倾角传感器读的车辆加速度，θ为所述倾角传感器读的车辆爬坡角度，j为车辆驱动电机轴和车轮系统的传动比，g为重力加速度，u为滚动摩擦系数；根据所述控制电流值控制所述汽车的电机，以使所述电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。 

本发明提出了一种简单、有效的汽车爬坡控制方法和相应装置，以解决电动汽车及混合动力汽车爬坡时遇到的问题，使其能够平稳爬坡，并且避免因为爬坡力不足而倒退下滑的技术缺陷，从而提高了车辆的安全性。 

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。 

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中： 

图1为本发明实施例永磁同步电机工作特性曲线； 

图2为本发明一个实施例的汽车爬坡控制装置结构图； 

图3为本发明一个实施例控制器的结构图； 

图4为本发明一个实施例汽车爬坡控制方法的流程图。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。 

本发明发明人发现在电动汽车或混合动力汽车电机驱动时所输出的扭矩并不是与油门深度呈线性关系，而是与电机的当前速度有关，如图1所示，为本发明实施例永磁同步电机工作特性曲线，从图1中可以看出不同的电机转速下，并不是油门越深电机输出扭矩越大，爬坡能力越强。因此 在车辆倒退或爬坡能力不足时，司机往往会加大油门，而此时未必能够有效地提高电机输出扭矩，提升爬坡能力，并且还会由于油门过大导致IGBT开通占空比加大，致使电机烧毁。根据上述发现和相应的试验，本发明给出了图1中的粗线作为爬坡策略，使其能够始终保持最大电机输出扭矩，直至爬坡完毕。 

本发明主要在于在检测到汽车爬坡时，由控制器(如数字信号处理DSP)根据坡度和图1中的爬坡策略(如粗线所示)生成相应的电流值，如果此时汽车的油门深度值生成的电流值小于控制器生成的电流值，那么就选用控制器生成的电流值作为最终的电流值，也就是说即使此时司机松开油门，车辆也不会快速倒退，而是以控制器生成的控制电流值慢慢爬坡。当然根据坡度的不同，如坡度较大，其也可能会稳在坡上，或者慢慢下滑。作为本发明的一个实施例，是指电动汽车或混合动力汽车，然而并不是仅能用于电动汽车或混合动力汽车，今后发展的其他能源的汽车也可采用本发明，同样也应为本发明保护范围所涵盖。 

如图2所示，为本发明一个实施例的汽车爬坡控制装置结构图，该汽车爬坡控制装置包括倾角传感器1、与倾角传感器1相连的模数转换器2、和与模数转换器2相连的控制器3、以及与控制器3相连的信号锁存器4和驱动核5。其中，倾角传感器1用于检测汽车爬坡时的倾角信号；模数转换器2用于将倾角传感器1检测到的倾角信号转换为数字倾角信号后，发送给控制器3，其中该模数转换器的位数可根据所需精度进行选择；控制器3用于根据模数转换器2发送的数字倾角信号及爬坡策略(如图1粗线所示)计算相应的控制电流值并输出给信号锁存器4；信号锁存器4用于对控制器3输出的控制电流值进行锁存并提供给驱动核5；驱动核5用于根据信号锁存器4锁存的控制电流值控制汽车的电机，将控制电流值转换为驱动信号以使电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩，并且驱动核5还要将驱动信号反馈给控制器3。作为本发明的一个实施例，在上例中所述电机为永磁同步电动机。 

作为本发明的一个实施例，如图3所示，为本发明一个实施例控制器的结构图，该控制器3包括保存模块31和计算模块32，保存模块31用于 保存根据数字倾角信号计算控制电流值的公式，该公式是图1中粗线所指爬坡策略的体现，作为本发明的一个实施例，该公式可为： 

iq＝M[a+g×(sin(θ)+u×cos(θ))]×j/K，(1) 

其中，iq为控制给定电流，K为iq与转矩的比例系数，其通过试验标定；M为整车的质量，a为所述倾角传感器读的车辆加速度，θ为所述倾角传感器读的车辆爬坡角度，在平坦路面行驶时θ＝0，j为车辆驱动电机轴和车轮系统的传动比，g为重力加速度，u为滚动摩擦系数。计算模块32用于根据数字倾角信号和保存模块31保存的公式(1)计算控制电流值。 

在上述实施例中，计算模块32包括正常电流值计算子模块321、公式计算子模块322和判断模块323，正常电流值计算子模块321用于根据汽车正常行驶的规则根据当前油门值计算正常电流值，如可根据汽车在平坦路面上行驶的规则计算正常电流值，公式计算子模块322用于根据数字倾角信号和保存模块31保存的公式计算公式电流值；判断模块323用于比较正常电流值计算子模块321计算的正常电流值和公式计算子模块322计算的公式电流值，选择电流值大的作为控制电流值。如果正常电流值计算子模块321计算的正常电流值大于公式计算子模块322计算的公式电流值，则选择正常电流值作为控制电流值；如过正常电流值计算子模块321计算的正常电流值小于公式计算子模块322计算的公式电流值，则说明选择公式电流值作为控制电流值。 

为了硬件电路的保护，电机控制系统在运行时为了保护IPM(IntelligentPower Module，智能功率模块)，避免IPM上下桥臂在切换状态时同时导通从而出现短路现象，因此电机控制系统会在上下桥臂状态切换的时候加入了死区。并且在死区时间内，IPM的上下桥臂会同时关闭。由于加入了死区时间，PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)有效占空比将会减少，这将与电机控制系统的期望值不符，特别是在低速PWM有效占空比比较小的时候，死区时间在占空比中占的比例将大大增加，从而对电机的低速控制造成了极大的影响，甚至可能由于启动力矩不够而无法正常启动电机。因此作为本发明的一个实施例，还需要对死区进行死区补偿，所以该控制器3还包括死区判断模块33和死区补偿模块34，其中，死区判断 模块33于判断是否在死区时间内，作为本发明的一个实施例，可通过判断电机的当前速度绝对值V是否大于死区补偿的临界速度值V₀来判断是否在死区时间内，如果检测到电机的当前速度绝对值V大于死区补偿的临界速度值V₀，则判断未在死区时间内；如果检测到电机的当前速度绝对值V小于死区补偿的临界速度值V₀，则判断在死区时间内。死区补偿模块34用于在死区判断模块33判断在死区时间内时，对脉宽调制PWM进行死区补偿。作为本发明的一个实施例，死区补偿模块34对PWM进行死区补偿得到的死区补偿值为： 

其中，T₀为设定的死区时间，V为所述电机当前速度绝对值，V₀为死区补偿的临界速度值。如果当前电机速度绝对值大于等于V₀，则死区补偿值为0。根据上式来看，速度越小，死区补偿值越大，当速度为0时，系统已经补偿了全部的死区时间，经过实践证明，此时已经能启动电机。而在死区补偿的临界速度V₀附近，死区补偿值过渡平滑，没有阶跃现象存在，从而保证了电机的平稳运行。 

本发明发明人在进行车辆实验时，还发现从车辆静止状态开始急加速时，由于电机的起动需要较大扭矩，从而导致控制系统的响应速度不够大，此时就会出现超调，电机会因为电流超出控制系统的控制范围而出现失控现象。为了解决这个问题主要有以下两个途径，一是增加控制系统的响应速度，二是降低油门的响应速度。上述两种方法都是为了使油门的响应速度与控制系统的响应速度同步，由于增加控制系统的响应速度势必会降低控制系统的稳定性，所以为了不影响整个控制系统，只能采用第二种方法，降低油门的响应速度。因此控制器3还包括低速检测模块35和同步模块36，低速检测模块35用于根据预设的阈值检测所述电机是否处于低速状态，即可预先设置速度阈值V₁，当电机速度小于速度阈值V₁时认为其处于低速状态；同步模块36用于在低速检测模块35检测电机处于低速状态时，在低速状态时每100us周期根据实际油门值和控制系统采用的油门值得到新的油门值，以限制所述油门的响应速度使油门的响应速度和控制系统的响应速度同步。例如：计算采集的实际油门值与目前系统采用的油门值的差值，如果差值小于某一常数值B，则控制系统直接采用采集进来的实际油门值作为新的油门值供控制系统使用，如果差值大于B，则控制系 统把目前采用的油门值加上某一常数值C，作为新的油门值供控制系统使用。 

在上述实施例中，汽车爬坡控制装置还包括连接在倾角传感器1和模数转换器2之间的滤波模块6和放大模块7，滤波模块6用于对倾角传感器1检测到的倾角信号进行滤波；放大模块7用于对滤波模块6滤波后的倾角信号进行放大。在信号锁存器4和驱动核5之间还设置有光耦8，该光耦8用于信号隔离，增加DSP系统的可靠性。 

如图4所示，为本发明一个实施例汽车爬坡控制方法的流程图，同样该方法也结合图1中所示出的爬坡策略(结合图1中粗线)，由控制器(如数字信号处理DSP)根据坡度和图1中的爬坡策略生成相应的电流值，在汽车的油门深度值生成的电流值小于控制器生成的电流值时，选用控制器生成的电流值作为最终的电流值，即使此时司机松开油门，车辆也不会快速倒退，而是以控制器生成的电流值慢慢爬坡。并且该方法还考虑了死区对电机低速控制的影响，在电机当前速度绝对值小于死区补偿的临界速度值时进行死区补偿。另外该方法还可防止车辆静止状态急加速时出现的超调现象，使油门的响应速度与控制系统的响应速度同步。该方法包括以下步骤： 

步骤S401，检测汽车爬坡时的倾角信号和加速度信号。作为本发明的一个实施例，可通过在汽车上设置倾角传感器实现在汽车爬坡时对坡度倾角和加速度的检测。 

步骤S402，通过滤波器和放大器对检测到的倾角信号和加速度进行滤波和放大，去除噪声和干扰。 

步骤S403，对滤波和放大的倾角和加速度信号进行模数转换(A/D)，转换为数字倾角信号，以供后续的控制器进行处理，如DSP、单片机、CPU等控制器。 

步骤S404，根据数字倾角信号及爬坡策略(如图1粗线所示)计算相应的控制电流值。其中可根据上述公式(1)实现。 

步骤S405，将控制电流值与按照正常行驶规则根据当前油门值计算的电流值进行比较，选择电流值大的作为最终的控制电流值。如果控制电流 值大于根据当前油门值计算的电流值，则选择控制电流值作为最终的控制电流值；如果根据当前油门值计算的电流值大于控制电流值，则选择根据当前油门值计算的电流值作为最终的控制电流值。 

步骤S406，根据最终的控制电流值控制汽车的电机，以使电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。 

步骤S407，同样，为了避免死区对电机的低速控制的影响，还需对其进行死区补偿。因此首先判断是否在死区时间内，作为本发明的一个实施例，可通过判断电机的当前速度绝对值V是否大于死区补偿的临界速度值V₀来判断是否在死区时间内，如果检测到电机的当前速度绝对值V大于死区补偿的临界速度值V₀，则判断未在死区时间内；如果检测到电机的当前速度绝对值V小于死区补偿的临界速度值V₀，则判断在死区时间内。如果不在死区时间内，则继续进行步骤S409。 

步骤S408，如果判断在死区时间内时，则对PWM进行死区补偿。作为本发明的一个实施例，对PWM进行死区补偿得到的死区补偿值为： 

其中，T₀为设定的死区时间，V为所述电机当前速度绝对值，V₀为死区补偿的临界速度值。如果当前电机速度绝对值大于等于V₀，则死区补偿值为0。根据上式来看，速度越小，死区补偿值越大，当速度为0时，系统已经补偿了全部的死区时间，经过实践证明，此时已经能启动电机。而在死区补偿的临界速度V₀附近，死区补偿值过渡平滑，没有阶跃现象存在，从而保证了电机的平稳运行。 

步骤S409，根据预设的速度阈值判断所述电机是否处于低速状态。本发明实施例为了避免出现控制系统的响应速度不够大而使电流超出控制系统的控制范围而出现失控现象，需要保持油门的响应速度与控制系统的响应速度同步。并且由于上述现象只存在车辆静止状态急加速时才出现，因此控制系统预先设定了一个低速区，小于速度阈值V₁时，则认为其在低速区，处于低速状态，因此需要保持油门的响应速度与控制系统的响应速度同步。 

步骤S410，如果判断电机处于低速状态，则在低速状态时每A个周期根据实际油门值和控制系统采用的油门值得到新的油门值，以限制油门的 响应速度使油门的响应速度和所述控制系统的响应速度同步。例如：计算采集的实际油门值与目前系统采用的油门值的差值，如果差值小于某一常数值B，则控制系统直接采用采集进来的实际油门值作为新的油门值供控制系统使用，如果差值大于B，则控制系统把目前采用的油门值加上某一常数值C，作为新的油门值供控制系统使用。 

本发明提出了一种简单、有效的汽车爬坡控制方法和相应装置，以解决电动汽车及混合动力汽车爬坡时遇到的问题，使其能够平稳爬坡，并且避免因为爬坡力不足而倒退下滑的技术缺陷，从而提高了车辆的安全性。并且通过本发明实施例中对死区的补偿，使电机不仅能够正常启动，并且在死区补偿的临界速度V₀附近，死区补偿值过渡平滑，没有阶跃现象存在，保证了电机的平稳运行。另外本发明实施例，还能够避免在车辆从静止状态急加速时电机因为电流超出控制系统的控制范围而出现的失控现象。本发明不仅消除了现有技术中存在的汽车爬坡时存在的弊端，提高了车辆的安全性，并且结构紧凑，与电动汽车或混合动力系统具有良好的兼容性，能够轻松实现纯无级变速和混合无级变速工作模式，从而提高车辆的动力性。 

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。 

Claims (11)

1.一种汽车爬坡控制装置，其特征在于，包括倾角传感器、模数转换器、控制器、信号锁存器和驱动核；

所述倾角传感器，用于检测汽车爬坡时的倾角信号；

所述模数转换器，用于将所述倾角传感器检测到的所述倾角信号转换为数字倾角信号后，发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述模数转换器发送的数字倾角信号和以下公式计算相应的控制电流值并输出给所述信号锁存器，所述公式为：iq＝M[a+g×(sin(θ)+u×cos(θ))]×j/K，其中，iq为控制给定电流，K为iq与转矩的比例系数，其通过试验标定，M为整车的质量，a为所述倾角传感器读的车辆加速度，θ为所述倾角传感器读的车辆爬坡角度，j为车辆驱动电机轴和车轮系统的传动比，g为重力加速度，u为滚动摩擦系数；

所述信号锁存器，用于对所述控制器输出的控制电流值进行锁存并提供给所述驱动核；

所述驱动核，用于根据所述信号锁存器锁存的控制电流值控制所述汽车的电机，以使所述电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。

2.如权利要求1所述的汽车爬坡控制装置，其特征在于，所述控制器包括保存模块和计算模块，

所述保存模块，用于保存所述公式；

所述计算模块，用于根据所述数字倾角信号和所述保存模块保存的所述公式计算所述控制电流值。

3.如权利要求2所述的汽车爬坡控制装置，其特征在于，所述计算模块包括正常电流值计算子模块、公式计算子模块和判断模块，

所述正常电流值计算子模块，用于根据汽车正常行驶的规则根据当前油门值计算正常电流值；

所述公式计算子模块，用于根据所述数字倾角信号和所述保存模块保存的所述公式计算公式电流值；

所述判断模块，用于比较所述正常电流值计算子模块计算的正常电流值和所述公式计算子模块计算的公式电流值，选择电流值大的作为所述控制电流值。

4.如权利要求1所述的汽车爬坡控制装置，其特征在于，所述控制器还包括死区判断模块和死区补偿模块，

所述死区判断模块，用于判断是否在死区时间内；

所述死区补偿模块，用于在所述死区判断模块判断在死区时间内时，对脉宽调制PWM进行死区补偿。

5.如权利要求4所述的汽车爬坡控制装置，其特征在于，所述死区补偿模块对PWM进行死区补偿得到的死区补偿值为：

其中，T₀为设定的死区时间，V为所述电机当前速度绝对值，V₀为死区补偿的临界速度值。

6.如权利要求1所述的汽车爬坡控制装置，其特征在于，所述控制器还包括低速检测模块和同步模块，

所述低速检测模块，用于根据预设的速度阈值检测所述电机是否处于低速状态；

所述同步模块，用于在所述低速检测模块检测所述电机处于低速状态时，根据实际油门值和控制系统采用的油门值得到新的油门值，以限制所述油门的响应速度使油门的响应速度和所述控制系统的响应速度同步。

7.一种汽车爬坡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测汽车爬坡时的倾角信号；

根据所述倾角信号和以下公式计算相应的控制电流值，所述公式为：iq＝M[a+g×(sin(θ)+u×cos(θ))]×j/K，其中，iq为控制给定电流，K为iq与转矩的比例系数，其通过试验标定；M为整车的质量，a为所述倾角传感器读的车辆加速度，θ为所述倾角传感器读的车辆爬坡角度，j为车辆驱动电机轴和车轮系统的传动比，g为重力加速度，u为滚动摩擦系数；

根据所述控制电流值控制所述汽车的电机，以使所述电机在爬坡时保持最大电机输出扭矩。

8.如权利要求7所述汽车爬坡控制方法，其特征在于，在所述根据倾角信号计算相应的控制电流值之后，还包括：

将所述控制电流值与按照正常行驶规则根据当前油门值计算的电流值进行比较；

选择电流值大的作为最终的控制电流值。

9.如权利要求7所述汽车爬坡控制方法，其特征在于，还包括：

判断是否在死区时间内；

如果判断在死区时间内，则对脉宽调制PWM进行死区补偿。

10.如权利要求9所述汽车爬坡控制方法，其特征在于，所述判断是否在死区时间内具体为：

判断所述电机的当前速度绝对值V是否小于死区补偿的临界速度值V₀；

所述对PWM进行死区补偿得到的死区补偿值为：

其中，T₀为设定的死区时间。

11.如权利要求7或10所述汽车爬坡控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

根据预设的速度阈值判断所述电机是否处于低速状态；

如果判断所述电机处于低速状态，则根据实际油门值和控制系统采用的油门值得到新的油门值，以限制所述油门的响应速度使油门的响应速度和所述控制系统的响应速度同步。

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