CN102398590A - 用于混合动力车辆和电动车的闭环速度和扭矩阻尼控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于使车辆中的传动系统干扰最小化的方法，包括使用控制器以闭环方式将阻尼扭矩控制指令与电动机速度控制指令自动结合，以防止在档位状态改变的过程中在所施加的电动机扭矩中有可觉察到的不连续性。该方法可包括计算一个或两个牵引电动机的旋转速度的误差值，然后使用该计算的误差值以确定所需的阻尼扭矩。所述控制器可在确定所需的阻尼扭矩之前将一个牵引电动机的误差值乘以另一牵引电动机的增益值。车辆包括第一和第二牵引电动机、传动装置以及控制器。传动装置由牵引电动机提供动力，以及控制器将阻尼扭矩控制指令和电动机速度控制指令相结合，以防止如上所述的在应用的电动机扭矩中的不连续性。

Description

用于混合动力车辆和电动车的闭环速度和扭矩阻尼控制
技术领域
本发明涉及一种用于在车辆中实现与传动系统(driveline)振荡的闭环阻尼协同的闭环电动机速度控制的方法和控制系统。
背景技术
油电混合动力车辆(hybrid electric vehicle：HEV)选择性利用内燃发动机和一个或多个高压牵引电动机作为替代或并存的动力源，以使燃料效率优化。也就是说，具有完全混合动力系统(hybrid powertrain)的HEV可至少在某些时候(通常刚好在启动HEV时以及当在低于阈值车辆速度之下运行时)经由牵引电动机(一个或多个)进行电驱动。一个或多个牵引电动机可根据需要交替地从能量储存系统获得电力和将电力传输到能量储存系统。一旦启动车辆或当在阈值速度之上工作时，发动机可使用多个牵引电动机中的一个或辅助起动电动机重新起动，然后与传动输入构件快速接合。
各种混合动力系统操控原动机(prime mover)(即牵引电动机(一个或多个)和内燃发动机)的扭矩输出。在这些车辆中传动系统的振动可剧烈地变化。典型地，传动系统的振动可通过消除在用当前齿轮比(传动比：gearratio)决定的特定频率或频率范围的扭矩振荡得以最小化。扭矩消除典型地包括让传动系统输入经过信号调节过滤器，这可使整个系统的响应变慢。发动机的速度可用作单个反馈变量，以命令单个的控制信号，例如发动机扭矩。然而，单个的可变反馈/控制方案可能会在具有多个原动机的车辆中提供不充分的振动阻尼。
解决HEV中或替代地在电瓶车中传动系统振动的另一方法，包括使用主动(active)传动系统阻尼。在该方法中，确定期望的动力系统和传动系统的运行状态，电动机阻尼扭矩被计算并以随着传动装置(transmission：变速箱)模式而变化的方式增加到被控制的电动机扭矩。阻尼和速度控制典型地相对于彼此“脱节”，即阻尼和速度控制要求的增益被单独地校准和应用。
发明内容
在本文中公开了一种用于使用集成闭环方法控制车辆的速度和阻尼缓冲(damping)的方法。阻尼控制和速度控制具有不同的目的。如在本文中使用的，阻尼控制目的是在顺数传动系统振荡抵达车辆的驱动轮之前减小瞬间传动系统振荡。速度控制目的是将特定的旋转部分保持在目标速度，例如发动机的空转在700RPM或通过换档事件跟踪特定离合器中的期望打滑。在复杂水平增加的某些现代传动装置中，脱节的阻尼控制和速度控制方法会在档位状态改变期间在所施加的电动机扭矩中产生不连续性。该方法因此将速度控制和阻尼控制的要素相耦合或结合到同一部件中。
本方法使用比例积分(PI)控制，即与受控制的部分的积分器并行的比例增益。该比例增益提供了相对快速的错误响应，同时积分器将系统驱动到零稳态误差，如这些术语是领域内所理解的。该方法通过在用于第一和第二牵引电动机的积分器之前应用积分增益(integral gain)，从而使得在具有PI控制器的车辆中由于开关增益而引起的传动系统干扰最小化。也就是说，阻尼扭矩(damping torque)为速度控制提供了比例增益，同时受控部分的积分器接收单独的指令。阻尼和速度控制扭矩被一起设计，以使阻尼扭矩不会与分离的速度控制PI有冲突，例如当阻尼扭矩在一个方向上而速度控制扭矩在另一方向上时。
特别地，提供一种用于在具有控制器和由至少一个牵引电动机提供动力的传动装置的车辆中使传动系统干扰最小化的方法。该方法包括检测传动装置的档位状态的改变，以及经由控制器以闭环的方式将阻尼控制扭矩与电动机速度控制扭矩自动结合，以防止在档位状态改变的过程中来自于至少一个牵引电动机的所施加电动机扭矩中有可觉察到的不连续性。
该方法可包括使用来自于阻尼控制扭矩的比例增益值计算电动机速度控制扭矩。自动将阻尼扭矩控制与电动机速度控制扭矩结合可包括计算至少一个牵引电动机的旋转速度的误差值，然后利用该计算的误差值确定所需阻尼扭矩，用于提供阻尼控制扭矩。
当使用两个牵引电动机时，该方法可包括在确定所需阻尼扭矩之前将其中一个牵引电动机的计算的误差值乘以另一牵引电动机的增益值。
该方法可进一步地包括接收一组期望的目标，包括实际发动机扭矩、车轴的期望车轴扭矩、车辆驱动轮的车轮速度、传动装置的期望输入速度以及离合器的期望离合器速度中的至少一个。然后为牵引电动机(一个或多个)计算期望的工作状态，以及控制器为每个期望运行状态输出一组参考信号。参考信号可包括对车轴扭矩、电动机转速、传动装置输出速度发动机速度、以及来自输入离合器的阻尼器扭矩中的一个或多个的校准参考值。
该方法还可包括使用控制器的电动机转速扭矩(MST)控制块来计算至少一个牵引电动机的速度控制扭矩信号，以及使用控制器的电动机阻尼扭矩(MDT)控制块来计算至少一个牵引电动机的电动机阻尼扭矩信号。速度控制扭矩信号和电动机阻尼扭矩信号然后被结合，以产生至少一个牵引电动机的总电动机控制扭矩。总电动机控制扭矩可通过车辆传动系统模型进行处理，以产生用于输入离合器的估算阻尼器扭矩、用于车轴的估算车轴扭矩以及用于驱动轮的估算车轮转速。该方法然后可包括将估算阻尼器扭矩、估算车轴扭矩以及估算车轮速度反馈到MDT控制块，作为MDT控制块的输入量。
如在本文中阐述的车辆包括至少一个牵引电动机、由该牵引电动机提供动力的传动装置以及控制器，该控制器被配置成执行上述方法，以及由此自动将阻尼扭矩控制指令与比例积分(PI)电动机速度控制指令的比例(P)部分相结合。在各个实施例中，积分增益可在牵引电动机(一个或多个)的积分器之前被应用，以防止例如在传动装置的档位状态改变的过程中由于施加的电动机扭矩中的开关增益(switching gain)而引起的不连续性。换句话说，积分增益可将前端增益(pre-gain)施加到牵引电动机的积分器，其有助于消除在档位状态改变的过程中由增益改变引起的干扰。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是如本文中阐述具有闭环速度控制器的车辆的示意图；
图2是可由图1所示的车辆的控制器执行的控制逻辑的方块图；以及
图3是描述图2所示的控制逻辑的增益放大方法的流程图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在整个的几幅图中对应于相同或相似的部件，车辆10在图1表示为具有传动装置18。传动装置18从多个车载扭矩产生装置接收输入扭矩。扭矩产生装置可包括内燃发动机16和/或一个或两个牵引电动机12，14，牵引电动机的实际数量取决于车辆设计。这样一种设计可以是如一个实施例所示的并联混合的、串联混合的或另一设计。具有控制逻辑100的电动机控制器22提供与对来自牵引电动机(一个或多个)12、14的传动系统阻尼扭矩的闭合控制协同闭环电动机速度控制，如下面参照图2和3更详细阐述的。
使用如图2所示的控制逻辑100，控制器22自动地以闭环来结合阻尼扭矩控制和电动机速度控制，以防止在传动装置18的档位状态改变的过程中所应用的电动机扭矩中发生可觉察到的不连续性。因此本发明的方法阐明了对用于传动系统阻尼扭矩和电动机速度控制的增益值分开校准的某些现有控制设计中的缺点，并且避免了两种不同指令之间的潜在冲突。
也就是说，在现有系统中提供比例积分(PI)控制，使用受控制的速度直接确定PI控制值。这些系统典型地将到传动装置的输入速度和各个离合器打滑(clutch slip)速度作为计算所需的控制扭矩的反馈变量。本方法替代地计算各个牵引电动机的速度中的误差，并且利用这些计算的误差值来确定所需的控制扭矩。
在现有系统中，受到控制的每一电动机速度典型地在PI控制方案中具有其自己的积分器，在此积分器的输入被赋予期望的速度剖面(speed profile)或目标速度，减去测量或推导的速度。误差被积分并乘以增益，该增益将给定积分器输出量映射到不同驱动电动机的电动机扭矩。该控制方法可导致当没有任何期望时提供输出扭矩，以及在驱动电动机中的速度误差。积分器后增益(post-gain)也会由于档位状态改变而加重任何的不连续性。对比之下，本控制器22及其控制逻辑100提供了间接的控制方法，该方法将电动机速度和阻尼扭矩结合到积分控制方法中。
仍参照图1，传动装置18包括输入构件21和输出构件33。在传动装置18内，一个或多个行星齿轮组30和离合器32被用来以取决于目前受到控制的档位状态或运行模式的方式将扭矩传递到输出构件33。在一个可行的实施例中，离合器32可以是液压促动的装置。传动装置18可包括尽可能多的提供期望输出速度范围所需的行星齿轮组30和离合器32，例如在一个实施例中，三个或更多行星齿轮组30和四个或更多离合器32。
根据两种可行的配置，图1的车辆10可以是混合动力车辆(HEV)或电瓶车(BEV)。再者，HEV可以是并联或串联的混合动力设计。发动机16可经由输入离合器11选择性地连接到传动装置18。输入离合器11因此允许在某些驱动模式下发动机16的曲轴13与传动装置18的输入构件21选择性接合，并且可包括瞬间扭矩阻尼结构，例如阻尼机构和弹簧，它们对两种发动机连接的任何脉冲进行阻尼缓冲，特别是在发动机启动/停止事件的过程中。在HEV或BEV配置中，牵引电动机12可经由电动机轴120提供足以推进车辆10的水平的电动机扭矩。在某些传动装置实施例中牵引电动机14可根据车辆配置与牵引电动机12协同使用，电动机14的电动机轴140被直接连接到车辆10的传动系统。
牵引电动机12和14每个都被配置为多相永磁体/AC感应式电机，它们可分别额定用于大约60VAC或大约300VAC或更大，这取决于车辆的设计。电动机12、14经由高电压DC汇流线26、牵引功率逆变器模块(traction powerinverter module：TPIM)20、以及高电压AC汇流线28而电连接到能量储存系统(energy storage system：ESS)24。ESS24是电池或其他可充电的能量储存装置，当电动机例如通过在再生制动事件过程中获得能量而有效运行为发电动机时所述能量储存装置可使用来自于电动机12、14中的任一个或两个的电动机扭矩进行选择性地再次充电。
来自于电动机12、14中的任一个或两个的电动机扭矩被传递到它们各自的电动机轴120和140，每个电动机轴被连接到传动装置18的一个或多个行星齿轮组30的各个构件。多个制动和/或旋转离合器32也设置在传动装置18内，以选择性地将扭矩从电动机12和/或14和/或从发动机16的曲轴13传递到传动装置的输出构件33。传动装置18的输出构件33最终通过轴36和最终齿轮组35连接到车辆10的驱动轮34。
车辆10包括TPIM20，其是功率逆变器和控制装置，其被配置成从控制器22接收电动机控制指令41。控制器22可电连接到每个牵引电动机12和14，并且适合于从在整个车辆10上根据需要定位的各个速度传感器43(例如轴36、电动机轴120和140、输入构件21等上的)接收未处理的速度数据40。控制器22控制电动机速度、运行模式以及往返流动于车辆10上的电动机(一个或多个)和其他电气装置的电力。
控制器22使用控制逻辑100以自动控制从牵引电动机12和14经过传动装置18到达车轴36的扭矩输出。控制逻辑100自动结合电动机12、14的阻尼扭矩和速度控制。这有助于防止在传动装置18的档位状态改变过程中在所应用的扭矩中可觉察的不连续性。因此，速度控制与阻尼控制结合作为集成系统的一部分，以及以闭环的方式，从使用来自用于输入速度和离合器速度的速度积分器的误差值到使用来自用于电机12和14的速度积分器的误差值，可以发生根本的变化。这消除了在将参照图2和3描述的方法中的电动机速度的稳态误差。
参照图2，控制逻辑100包括各个逻辑块50、54、56和58。期望的动态块50接收一组期望的目标(箭头42)，例如实际发动机扭矩、期望的车轴扭矩、车轮速度以及到传动装置18的期望的输入速度和离合器速度。这些值可基于操作者的输入量(例如施加到加速器踏板的力)、传动齿轮选择器的位置、车辆制动系统的状态、速度控制设置和/或其他合适的操作者输入量进行确定。期望的动态块50的输入被用来根据各个工作状态的参考参数或信号44确定用在车辆10上使用的每个扭矩产生装置的期望运行状态。
期望的动态块50确定参考信号(箭头44)并经过测量的速度(箭头46)。参考信号(箭头44)可包括阻尼器扭矩(即来自于输入离合器11)、车轴扭矩、牵引电动机12和14的速度、传动装置输出速度以及发动机速度每一个的校准的参考值。测量的速度(箭头46)可包括电动机12和14二者的速度。
参考信号(箭头44)和测量速度(箭头46)被馈送到电动机速度扭矩(motor speed torque：MST)控制块54和电动机阻尼扭矩(motor dampingtorque：MDT)控制块56。对于MST控制块54来说，该块计算用于各个电动机12和14的速度控制扭矩信号65、165。这些值被馈送到不同的求和节点75和76，如所示。同时，MDT控制块56单独地计算各个电动机12和14的阻尼扭矩信号60，160。速度控制扭矩信号65抵达和阻尼扭矩信号160相同的求和节点，即节点75，以使用于电动机12的速度控制的扭矩信号与用于对电动机14的扭矩进行阻尼缓冲的扭矩信号结合。同样地，速度控制扭矩信号165抵达和阻尼扭矩信号60相同的求和节点，即节点76，以使电动机14的速度控制的扭矩信号与用于对电动机12的扭矩进行阻尼缓冲的扭矩信号结合。
在虚线框95中，开环扭矩指令70和170还被输入到各个求和节点75和76。节点75和76的输出是电动机12的总电动机控制扭矩80和电动机14的总电动机控制扭矩180。这些扭矩值被馈送到传动系统动态模型模块58。扭矩值80和180然后被控制器22使用，按需要与其他传动系统动力控制操作协同，用来沿着车辆10的传动系统控制和管理的振动。还将一组系统扭矩输入到传动系统动态模型模块58，该一组系统扭矩例如是发动机扭矩、离合器扭矩、制动扭矩、附加载荷、道路载荷等。
传动系统模型块58具有可由施加在传动系统上的各个动态力以及传动系统的已知的各个特征(例如质量和惯性力)确定的不同输出。控制器22因此计算或以其他方式确定各个需要的反馈参数，包括来自于输入离合器11(参见图1)的估算的阻尼器扭矩90、估算的车轴扭矩92、以及例如用于车轮34、牵引电动机12和14、传动装置输出构件33以及发动机16的估算的或测量的数据40。这些进出于块58的值可经过任何所需的模拟到数字或数字到模拟的转换、过滤、校准以及其他所需的操作，以获得表征信号。估算的阻尼器扭矩90、估算的车轴扭矩92以及估算或测量的速度数据40被反馈到MDT控制模块56，作为到该模块的额外输入，以及估算的或测量的速度信号40还被反馈到期望的动态模块50。
在一个实施例中，第一矩阵可由控制22形成，包括一维的矩阵或包括参考信号44的子集的矢量。第二矩阵可使用估算的阻尼器扭矩90、估算的车轴扭矩92以及估算的或测量的速度40来形成。第二矩阵然后可乘以增益因子矩阵，以计算反馈矩阵。
对于每个传动装置运行模式，可确定单独的增益因子矩阵。这些增益因子矩阵可离线确定并被存储为用于应用的校准值，如下所述。第一矩阵可输入到MDT控制块56，以将参考信号44传送到MDT控制模块。同样地，反馈矩阵可将反馈的估算阻尼器扭矩90、估算的车轴扭矩92以及估算的或测量的速度40传送到MDT控制块56。MDT控制模块56然后可例如使用矩阵代数同时求解多个方程。解出的方程可用来基于包含在第一矩阵和反馈矩阵中的运行状态参数确定要从牵引电动机12和14命令给出的扭矩。
参考图3，流程图通常解释图2所示和以上所述的控制逻辑100的增益计算和相乘计算的方面。控制器22分别在步骤102和106处计算牵引电动机12和14的速度误差。这可在图2的误差计算块54处进行。来自于步骤102和106的速度误差然后被馈送到各个乘法器节点110和112。
在步骤104处，控制器22计算牵引电动机14的增益，需要该增益用于控制牵引电动机12。该增益值然后被馈送到节点110，在此其与来自步骤102的误差值相乘。节点110的输出被馈送到节点114。
步骤108计算牵引电动机12的需要的增益值，用于控制牵引电动机14。该增益值馈送到节点112，在此其与来自于步骤106的电动机速度误差值相乘。节点112的输出被馈送到节点114。在节点116处，来自于节点110和112的输出值被加在一起，所得到的值可在步骤116处用来计算牵引电动机12需要的电动机扭矩。相似的处理可用来计算牵引电动机14需要的电动机扭矩。
如图3所示，这些增益值被相乘，以使计算的控制扭矩和电动机速度被完全积分。这避免了如上其他地方所述的控制扭矩中的不连续性。牵引电动机12和14的电动机速度误差被用来计算电动机控制扭矩，而不是使用例如传动装置输入速度和/或离合器打滑速度。从而改进了车轮的驱动质量，其中将电动机速度误差驱使到零，因此使传动装置18的换档或状态改变优化。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
该申请要求2010年9月7日提交的美国临时专利申请号为61/380,352的权利，其以参考的方式被整体并入于此。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
牵引电动机；
由该牵引电动机提供动力的传动装置；以及
控制器，该控制器被配置成自动将阻尼扭矩控制指令和电动机速度控制指令结合，由此防止在所述传动装置的档位状态改变的过程中来自于所述牵引电动机的所施加的电动机扭矩有不连续性。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述牵引电动机包括第一和第二牵引电动机，且其中，所述控制器自动将阻尼扭矩控制指令与所述第一和第二牵引电动机每一个的电动机速度控制指令结合。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述阻尼控制扭矩为所述电动机速度控制扭矩提供比例增益。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器被配置为，通过计算所述牵引电动机的旋转速度中的误差值然后使用该计算的误差值来确定用于提供所述阻尼控制扭矩所需的阻尼扭矩，以将所述阻尼扭矩控制与所述电动机转速控制部分地自动结合。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，所述牵引电动机包括第一和第二牵引电动机，以及其中所述控制器被配置为在确定所需的阻尼扭矩之前将所述第一牵引电动机的计算的误差值乘以所述第二牵引电动机的增益值。
6.如权利要求5所述的车辆，还包括发动机、车轴、驱动轮以及所述传动装置的离合器，其中所述控制器被配置为：
接收一组希望的目标，包括以下中的至少一个：所述发动机的实际发动机扭矩、所述车轴的期望车轴扭矩、所述驱动轮的车轮速度、所述传动装置的期望输入速度以及所述离合器的期望离合器速度；
计算所述牵引电动机每一个的期望运行状态，以及
经由所述控制器输出所述期望运行状态的一组参考信号。
7.如权利要求6所述的车辆，还包括在所述发动机和所述传动装置之间的输入离合器，其中所述参考信号包括来自于所述输入离合器的阻尼器扭矩的校准的参考值。
8.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器被配置为：
使用电动机转速扭矩(MST)控制块来计算所述电动机每一个的速度控制扭矩信号；
使用电动机阻尼扭矩(MDT)控制块来计算所述电动机每一个的电动机阻尼扭矩信号；以及
将所述速度控制扭矩信号和所述电动机阻尼扭矩信号结合，以产生用于所述电动机每一个的总电动机控制扭矩。
9.如权利要求8所述的车辆，其中，所述控制器被配置为：
通过车辆传动系统模型处理用于电动机的总电动机控制扭矩，由此产生用于所述车辆的输入离合器的估算阻尼器扭矩、用于所述车辆的车轴的估算车轴扭矩以及用于所述车辆的驱动轮的估算车轮速度；以及
将所述估算阻尼器扭矩、所述估算车轴扭矩以及所述估算车轮速度反馈到所述MDT控制块作为该MDT控制块的输入。
10.一种用于使车辆中的传动系统干扰最小化的方法，该车辆具有
控制器及由第一和第二牵引电动机提供动力的传动装置，该方法包括：
检测所述传动装置的档位状态的改变；以及
经由所述控制器以闭环的方式自动地将阻尼控制扭矩与所述第一和第二牵引电动机每一个的电动机速度控制扭矩自动结合，以防止在档位状态改变的过程中来自于所述第一和第二牵引电动机的所施加的电动机扭矩中有可觉察到的不连续性；
其中，自动结合阻尼控制扭矩包括计算至少一个牵引电动机的旋转速度的误差值，然后使用该计算的误差值来确定用于提供所述阻尼控制扭矩所需的阻尼扭矩。
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