CN102398521A - 车辆扭矩控制的分频和独立限制 - Google Patents

Abstract

一种在具有控制器和旋转部件的车辆中优化扭矩控制的方法，包括使用控制器的状态空间反馈部分产生闭环总比例扭矩指令，且将该总比例扭矩指令分频成高频和低频比例扭矩分量。在不需要速度控制时，总比例扭矩被传递至旋转部件，以提供动力传动系阻尼控制。在需要速度控制时，高频扭矩分量被传递至旋转部件以提供动力传动系阻尼控制，且低频扭矩分量被和总积分扭矩指令一起传递至旋转部件，以提供速度控制。车辆包括具有比例积分控制能力和状态空间观测器的控制器，以及包括速度和阻尼特质受控制器控制的旋转部件的动力传动系。

Description

车辆扭矩控制的分频和独立限制

本申请要求2010年9月14日提交的美国临时专利申请No.61/382,515的权益，且通过引用的方式将其全文合并于此。

技术领域

本发明涉及根据车辆内基于状态观测器的控制法则，将总比例扭矩命令分拆成不同的高频和低频扭矩分量，以及使用这些扭矩分量对阻尼和速度控制扭矩的独立限制。

背景技术

一些车辆可被使用一个或多个高压电牵引马达驱动。包括完全合动力传动系的混合动力电动车(HEV)选择性地使用内燃发动机，这可是单独地或结合一个或多个牵引电动机地。电池电动车(BEV)使用牵引电动机作为唯一的动力源，而增程式电动车(EREV)在需要额外的电能时使用汽油发动机来驱动发电机。通常地，完全的HEV在达到阈值车辆速度之前使用电动车(EV)运行模式，而在达到阈值速度以后自动启动发动机。此后，HEV转换成至少部分地使用发动机扭矩。

HEV、BEV、EREV或EV传动系中的各个旋转部件的速度，诸如变速器输入部件的输入速度和/或变速器中使用的一个或多个离合器的离合器滑转速度，可被使用比例积分(PI)或比例积分微分(PID)的控制器来控制。不同的PI或PID控制器可被用来管理特定的旋转部件的速度，以及阻尼任何动力传动系统的振动或脉冲。状态观测器可被当作总体控制法则的一部分，以使用各种输入输出参数，以及任何需要的线性或其他合适的状态公式，在特定的物理系统中提供状态预测，所述系统诸如变速器。在一些车辆中，共用状态空间控制法则可被用于速度控制扭矩和动力传动阻尼控制扭矩两者。

发明内容

相应地，公布了在具有至少一个牵引电动机的车辆内，一种基于状态空间观测器的控制法则拆分总比例发动机扭矩指令的方法。总比例扭矩指令和总积分扭矩指令一起由比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制器产生，这在本领域中是众所周知的。此处使用的术语“分频”指的是在需要速度控制时，使用滤波或其他合适的方法，将总比例扭矩指令的选择性地拆分成独立的高频和低频扭矩分量。

拆分后，高频扭矩分量可被分配给较低的优先级，且在需要速度控制时，即，在一个或多个系统中的速度自由度被控制时，作为阻尼控制扭矩指令。低频扭矩分量可被附加于积分扭矩上，即，附加于控制器的积分器部分的扭矩输出上，并在需要速度控制时作为速度控制扭矩指令被传递。当不需要速度控制时，总比例扭矩指令可被通过阻尼控制路径传递至旋转部件，并被用来控制动力传动系阻尼。在分频后，独立的扭矩分量可在需要的时候各自被相对于彼此增益限制。这样的结果可在面对诸如电池电力极限或牵引电动机扭矩极限的预设限制时有用处。

此处公开的控制器选择性地将总比例扭矩指令中的低频扭矩分量和积分扭矩指令一起传递通过共用速度控制路径，且在需要时使用合并的扭矩来提供对旋转部件的速度控制。这可通过扭矩确定模块或其他合适的算法或软件子程序来实现。校准后的低通滤波器可被用来分离需要的低频扭矩分量，其带有可选的软件触发器，所述软件触发器被用来确定何时需要这样的过滤。高频扭矩分量可通过从总比例扭矩指令中减去低频扭矩分量而计算出。高频扭矩分量可随后被用作传动动力系统阻尼扭矩，并由此在衰减扭矩将被削减或暂时限制时稳定状况，所述状况可能是由于预设的限制的存在而造成的。低频扭矩和总积分扭矩即使在高频扭矩分量受限时也被通过。

特别地，本方法优化了具有控制器和带有旋转部件的传动系的车辆中的扭矩控制。控制器选择性地结合积分扭矩和低频比例扭矩分量，以提供对旋转部件的速度控制，其中在需要速度控制时，动力传动系阻尼控制由高频比例扭矩提供。本方法包括在需要速度控制时选择性地将总比例扭矩指令拆分成高频扭矩和低频扭矩分量，且随后通过共用速度控制路径将合并的低频扭矩分量和总积分扭矩传递至旋转部件。这在电池电力限制、离合器扭矩限制、发动机扭矩限制、或其他预设的扭矩存在的情形下优化了控制的状况。

车辆包括控制器和传动系，所述控制器具有比例积分控制能力且包括状态空间观测器，而所述传动系包括速度和阻尼特质受控制器控制的转动部件。控制器被配置为用来执行上述的方法。

当结合附图时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势在下文中对实施本发明的最佳模式进行的详尽的描述中是非常明显的。

附图说明

图1是车辆的示意图，所述车辆包括具有此处描述的状态观测器和比例积分(PI)控制能力的控制器；

图2是图1中示出的控制器的扭矩信号分频功能的示意图；和

图3是描述了可用于图1中示出的车辆的控制模块。

具体实施方式

参见附图，车辆10被示意性地示出在图1中。车辆10可至少在部分时间上以电动车(EV)推进模式被推动，诸如作为示出的混合动力电动车，或作为电池电动车或增程电动车。车辆10包括控制器11，该控制器经由PI算法80提供了比例积分(PI)功能且经由状态观测器90提供了状态空间反馈控制，以由此在车辆10内控制速度扭矩和动力传动系阻尼相关扭矩。状态观测器90提供状态空间代表，其形式为受控制的不同系统的一个或多个数学模型，其中所述模型形成本领域中已知的输入、输出和状态参数的相关集合。PI算法80的PI功能在下面详述。

和下文中引用图2和3进行的解释一样，控制器11在需要速度控制时执行本方法100，以将由PI算法80产生的总比例扭矩指令(即，PI控制法则中的比例(P)项)可选择地分频，成为高频比例扭矩分量和低频比例扭矩分量。控制器11将速度控制(即，低频比例扭矩分量以及PI控制法则中的积分(I)项)和动力传动系阻尼控制(即，相同的PI控制法则中的高频比例扭矩分量)相结合。积分分量和低频比例扭矩分量被传递至扭矩确定/随机算法或子程序66(参见图2)，所述算法或子程序位于控制器11内或可被控制器11所执行。

在此处使用时，术语“高频”和“低频”被相对于误差计算增益而确定。比例扭矩被作为由控制器11产生的多个预测状态以及参照或目标状态中获得的任何获得的误差的函数而产生。示例性地，在时间(t)上，基于获得的误差的扭矩可从0Nm跳至10Nm。一个处理器循环中如此大小的突变被认为是高频的。这样的循环在一个可能的实施例中为大约6.25ms，但循环时间可随着车辆设计而发生变化。如果扭矩在预设数目的后续处理器循环中保持为10Nm，这可被认为是低频的，即，术语“高”和“低”和处理器循环时间是相对的，且彼此是相对的。

控制至速度目标通常需要较控制至阻尼目标而言要慢的响应时间。因此，在一个实施例中，控制器11可使用校准后的过滤频率，诸如，约2Hz，以使得处在所述水平之下的扭矩被用于速度控制，而处在所述水平之上的扭矩被用于动力传动系阻尼。校准后的过滤频率值可在车辆10的多个运行状态中按需求被修改，且所述修改基于动力传动系的特定的频率响应。

仍参见图1，控制器11可启动对扭矩指令的优先级区分，这示例性地按照下列顺序：(1)速度控制，其示例性地由合并的积分扭矩分量和低频比例扭矩分量提供：(2)推进扭矩，即，变速器输出扭矩；和(3)动力传动系阻尼扭矩，其至少为高频比例扭矩分量。控制器11可确定是否存在电池电力限制、电动机扭矩限制、或其他预设的限制。具有最低优先级的扭矩分量在存在这样的限制的情形下被暂时削减，或限制。这是动力传动系阻尼扭矩或高频比例扭矩。但是，此处观察到仅通过总积分扭矩而不通过比例扭矩分量可在一定的运行状况下导致系统的不稳定。控制器11和本方法100因此被构造以解决该问题。

当被配置为如图1所示的混合动力电动车时，内燃发动机12可被经由输入离合器以及阻尼器组件15选择性地连接至变速箱14。离合器和阻尼器组件15可操作用于阻尼由发动机12的旋转曲轴13和变速器14的输入轴17之间的连接部产生的瞬态脉冲。高压牵引电动机16、116选择性地将需要的电动机扭矩传输至变速器14，并由此以EV推进模式驱动车辆10。这可以发生在阈值车辆速度以下。在阈值速度之上，发动机12可被自动重启，且此后的发动机输出扭矩可被用来驱动输入轴17。

变速器14具有输出轴19，所述轴被连接至一组驱动轮20。变速器14可被配置为电动可变变速器(EVT)或任何能够经由输出轴19将扭矩传输至轮20的合适的变速器。输出轴19响应来自车辆10的驾驶者的扭矩请求，诸如，压下加速器踏板，提供输出扭矩(箭头33)。

牵引电动机16、116可在一个可能的实施例中被配置为多相电动机，其具有约60VAC至300VAC或更多，这取决于需要的设计。其他的实施例可被使用，诸如，感应电动机，这取决于车辆的设计。每个牵引电动机16、116被经由高压DC总线、电力变换器模块25、和高压AC总线电连接至能量存储系统(ESS)。DC-AC变换器(未示出)可被用于调节传输至车载12VDC辅助电力系统的电压。

方法100可被编程成为计算机可执行的指令或编码的集合，且被存贮在有形/非暂时性计算机可读介质或分布式介质中。这样的指令或编码可随后被控制器11中相关的硬件构件，诸如将被如下文所述地配置的主机或计算机设备，选择性地执行。控制器11可为单个控制设备或分布式联网控制设备，所述分布式联网控制设备被电连接至发动机12、或布置为经由合适的控制通道和发动机12、牵引电动机16和116以及变速器14电通信。这样的控制通道可包括任何需要的转移导体，所述导体提供适合传输和接受必要的电控制信号的硬连线或无线控制连接器，以在车辆10上进行恰当的功率通量控制和协调。控制器11可在需要的情形下包括这样的附加控制模块和能力，以用需要的方式在车辆10上执行需要的电力流动控制功能。

仍然参见图1，控制器11可包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机读取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、高速时钟、模数转换(A/D)和数模转换(D/A)转换器电路、输入/输出电路和设备(I/O)、以及合适的信号调节和缓存电路。任何存储在控制器11中或通过其可被访问的算法或参照表，包括实行本发明100所需要的任何算法或参照表，可被存储在存储器18，即，非暂时性和有形计算机可读介质中，且由控制器11的硬件构件，即，主机，自动执行，以提供相应的功能。

被控制器11使用的存储器18可包括任何参与提供计算机可读数据或进程指令的非暂时性介质。这样的介质可具有很多种形式，这包括但不限于，非易失性介质和易失性性质。非易失性介质可包括，诸如，光盘或磁盘、闪存和其他持久性存储器。易失性介质可包括，诸如，动态随机读取存储器(DRAM)，其可构成主存储器。这样的指令可被一个或多个传输介质传播，所述介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括具有耦连至计算机处理器的系统总线的线。存储器18也可包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质等。

如上所述，控制器11提供了比例积分控制功能和状态空间观测功能。这两个术语都是在本领域中熟知的。控制器11的状态空间观测器质量包括对物理系统建模的能力，所述系统诸如图1中示出的动力传动系或变速器14的离合器状态或其他需要的状态，以使用多种输入和输出测量值来提供对系统的内部状态，以及通过一阶导数公式相关的状态变量的预测。至控制器11的输入可包括测得的发动机速度、牵引电动机16、116的速度和变速器14的实际或预测输出速度。控制器11将总扭矩指令21输出至给定的受控制的给定旋转构件，诸如，牵引电动机16、116，以控制部件的速度以及由所述部件提供的动力传动系阻尼水平两者。

参见图2，控制器11的共用状态空间反馈部分可被用来产生闭环比例扭矩指令52，以用于施加在图1中示出的牵引电动机16、116中选定的一个上的阻尼控制扭矩。如在本领域中已知地，开环电动机扭矩指令受多种限制，诸如，电池电力限制和/或电动机扭矩限制。但是，闭环电动机扭矩指令不在这样的限制中被考虑。作为结果，闭环比例扭矩指令52可有时超出限制。方法100因此被用来解决这一状况。

当需要速度控制时，可能包括使用校准后的低通滤波器的分频路径50(参见图1)被控制器11执行，以自动将闭环比例扭矩指令，即，由控制器11提供的比例积分控制法则的总比例项，拆分成不同频率的分量。这包括用于衰减扭矩的高频扭矩分量56和用于速度控制扭矩的低频扭矩分量58。在电池电力限制、电动机扭矩限制、离合器扭矩限制、或其他预设的限制(一个或多个)下，低频扭矩分量58可被选择性地分配给比高频组分56高的优先级，以保持至图1中示出的变速器14的必须的输入速度，以及变速器14内的离合器滑转速度控制。

分频路径50可通过使闭环电动机扭矩指令52通过合适的低通滤波器60而分离出低频组分58。除非暂时地被中止，诸如，被软件触发器51或其他选择性允许的信号中止，低频扭矩分量58可随后被传送给计算节点54。

低频扭矩分量58在低通滤波器60被软件触发器51重置或标示时，被削弱至零值。削弱过程的影响是将比例积分指令52的低频部分以混合的方式从低频扭矩分量58上调至高频扭矩分量56。换句话说，所有比例扭矩，一旦其被完全削弱至零时，成为高频扭矩分量56，且形成比例扭矩指令52的全部。当该情形发生时，低频扭矩分量58等于0Nm而积分扭矩分量63，即，速度控制扭矩也等于0Nm，并由此使得速度控制扭矩64等于0Nm。

在节点54，低频扭矩分量58被从闭环比例扭矩指令52中减去，以计算高频扭矩指令56。低频扭矩组分58随后被发送至计算节点56，其在此处和积分扭矩分量63，即速度控制扭矩合并。产生的扭矩指令64被传送至控制系统11的扭矩确定模块66。用这样的方式，车辆10的选定旋转部件，诸如，图1中示出的变速器14的输入部件17，不论预设的限制是否存在，都通过共用速度控制路径接收低频扭矩分量58。当限制不再存在时，高频扭矩分量56也可被提供。

这两个扭矩值可在需要时在节点54下游被独立地限制。这允许了保持图1中的变速器14的输入速度，以及离合器滑转速度的控制，这示例性地在图1中的车辆10对抗电动机扭矩、离合器扭矩和/或电池电力限制运行时发生。换句话说，速度控制扭矩，其总体地、但不必须地被限制为积分控制项和低频比例控制项，可在需要时被允许具有在高频比例控制项之上的优先级，以不超出限制。

参见图3，本方法100从步骤102开始，其中图1中示出的控制系统11产生图2中的总比例扭矩指令52。在步骤104，控制器11确定在特定的运行状态时是否需要速度控制。如果不需要速度控制，控制器11执行步骤106。但是，当速度控制需要时，步骤108被执行。

当存在至少一个速度自由度时，可能需要速度控制。在此处使用时，术语“速度自由度”指的是可被独立控制的速度的数量。利用速度控制，多达两个速度可在给定的时间上被控制，诸如，离合器输入速度和离合器滑转，或当处在中性状态时，两个离合器滑转(两个速度自由度)。一个速度自由度在模式状态中存在，诸如，仅有输入速度。在固定档位情形中，可完全不存在受控速度，即，零自由度，这是由于速度受车辆指定。因此，在一个实施例中，速度控制被认定为在中性状态或任何模式状态中是被需要的，而在固定档位情形中是不被需要的。

在步骤106，比例扭矩指令52未被分频，且完整的闭环比例扭矩提供了需要的动力传动系阻尼。由于扭矩分频被有效地禁止，图2中的低通滤波器60被削弱，以使得全部比例扭矩进入上文中针对图2所述的高通侧。示例性地，图2中示出的可选软件触发器51可在车辆状况不需要速度控制时被启动，而在该状况发生时，图2中低通滤波器60的输入被设为零。低通滤波器60的滤波器系数可随后被设定为较快的响应，以加速取消过程。

也可存在当一个牵引电动机用于速度控制而另一个牵引电动机没有的其他的状况或模式。换句话说，速度自由度影响一个电动机，而另一个电动机的速度由另一个速度规定。这通常是其中和输入值最接近的电动机被用于速度控制，而和输出值最接近的电动机被用于阻尼控制的情形。

在步骤108，图1中的控制器11启动了分频程序50，以将总比例扭矩指令52拆分成图2中所示的高频扭矩分量56和低频扭矩分量58。这些扭矩指令被如上所述地处理以及应用，即，高频扭矩指令56被用来阻尼动力传动系振动，而合并的低频扭矩分量和积分扭矩被用来在需要时提供速度控制。

尽管已对实施本发明的最佳模式进行了详尽描述，本发明所涉及领域的技术人员将认出落在所附权利要求的范围内用来实施本发明的多种可替换设计和实施例。。

Claims (10)

1.一种用于优化具有控制系统和旋转部件的车辆中的扭矩控制的方法，其中，所述控制系统被配置具有比例积分(PI)控制算法和状态空间反馈控制法则，所述方法包括：

使用所述状态反馈控制法则产生闭环总比例扭矩指令；

通过执行所述PI控制算法产生总积分扭矩指令；

在对所述旋转部件的速度控制被需要时，选择性地将所述总比例扭矩指令分频成高频比例扭矩分量和低频比例扭矩分量；

在所述速度控制不被需要时，将总比例扭矩从所述控制器传递至所述旋转部件，以提供动力传动系阻尼控制；和

在所述速度控制被需要时，将所述高频比例扭矩分量传递至所述旋转部件以提供动力传动系阻尼控制，且将所述低频扭矩分量和所述总积分扭矩指令经由共用速度控制路径传递至所述旋转部件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述总比例扭矩指令分频包括将所述总比例扭矩指令传递通过校准后的低通滤波器，以由此分离所述低频比例扭矩分量。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

在探测到所述车辆的固定档位状态时，选择性地将用于将所述总比例扭矩指令分频的低通滤波器重置或削弱至零。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

在预设的车辆限制中，将单独的增益限制器应用于所述高频扭矩分量和所述低频扭矩分量。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述预设的车辆限制是电池电力限制、离合器扭矩限制和牵引电动机扭矩限制中的一个。

6.一种车辆，包括

控制器，其具有比例积分(PI)控制算法和提供了状态空间反馈控制法则的状态空间观测器；和

动力传动系，其包括旋转部件，所述旋转部件的速度和阻尼特质被所述控制器控制；

其中所述控制器被配置为用来：

使用所述状态空间观测器的所述状态空间反馈控制法则产生总比例扭矩指令；

通过执行所述PI控制算法产生总积分扭矩指令；

在所述旋转部件的速度控制被需要时，选择性地将所述总比例扭矩指令分频成高频比例扭矩分量和低频比例扭矩分量；和

当所述速度控制被需要时：

将所述低频比例扭矩分量和所述总积分扭矩指令经由共用速度控制路径传递至所述旋转部件，以由此提供对所述旋转部件的速度控制；和

将所述高频比例扭矩分量传递至所述旋转部件，以经由所述旋转部件提供动力传动系阻尼控制；和，

当所述速度控制不被需要时：

将所述总比例控制扭矩传递至所述旋转部件，以提供动力传动系阻尼控制。

7.如权利要求6所述的车辆，其中，将总比例扭矩指令选择性地分频包括使用低通滤波器，且其中所述低通滤波器的过滤频率被允许随着所述车辆的运行模式而变动。

8.如权利要求6所述的车辆，其中，所述旋转部件是用来控制至变速器的输入速度的牵引电动机。

9.如权利要求6所述的车辆，其中，所述控制器被配置为执行分频路径，以将所述总比例扭矩指令分频成所述高频分量和所述低频分量，且在预设的车辆限制中选择性地向所述低频分量分配较高的优先级。

10.如权利要求6所述的车辆，其中，所述控制器被配置为在所述低通滤波器被经由软件触发器重置时，将所述低频扭矩分量削弱至零值。

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