CN102431555A - 用于车辆中速度控制的积分器饱和的单侧检测和禁用 - Google Patents

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Abstract

一种方法或算法，控制具有比例积分控制器的车辆中的电动机。控制器确定受命令的阻尼控制扭矩作为比例输出扭矩值，并确定受命令的发动机速度控制扭矩作为积分器输出扭矩值。仅在比例扭矩输出值相对于极限饱和并且速度误差的方向与积分器扭矩输出值的方向相同的情况下冻结积分器扭矩输出值。通过利用与计算积分器输出值中使用的误差值不同的误差值进行计算比例扭矩输出值。一种车辆，包括一个或多个牵引电动机和如上所述的控制器。对于两个电动机，控制器分别确定每个电动机的阻尼扭矩和发动机速度控制扭矩。

Description

用于车辆中速度控制的积分器饱和的单侧检测和禁用
技术领域
本方面涉及用于提供车辆中速度和阻尼(damping)扭矩控制的比例-积分控制方法和系统，其中积分项(也就是积分器)的饱和(wind up)在一个误差方向上被检测并且被选择性地禁用。
背景技术
油电混合动力车辆包括管理多个原动机(例如一个或多个电力牵引电动机和内燃发动机)的扭矩输出的控制器。在这样的车辆中的传动系统(drive line)振动典型地通过消除在特定频率上或者在特定频率范围内的扭矩震荡而得以最小化。扭矩消除技术可以包括使得传动系统输入通过信号调理过滤器。该处理可以使得整个系统响应性变慢。发动机速度典型地用作单一反馈变量，以对相应的控制信号发出命令，例如发动机扭矩。但是，单一变量反馈控制方案在具有多个原动机的车辆中会提供不足够的振动阻尼缓冲。
最小化传动系统振动的另一方法包括主动传动系统阻尼缓冲。在这样的方法中，期望的动力系统(power train)和传动系统运行状态被确定。电动机阻尼扭矩然后被计算并以随着传动装置运行模式而变化的方式被加到受命令的电动机扭矩。阻尼扭矩和速度控制经由比例-积分(PI)或者比例-积分-微分(PID)控制器提供，如现有技术中所知的，阻尼扭矩和速度控制命令通常关于彼此脱节。
也就是说，传动系统阻尼和速度控制需要的增益被单独校准和施加。在给定的设定点会发生大幅升高或者“饱和”，从而导致来自PI或者PID控制器积分器部分的积分(I)控制项积累明显的误差。这种情况会在控制器以这种不稳定或极小限度稳定的方式被校准时或者在比例扭矩相对于极限饱和时发生这种情况。积分扭矩持续饱和以修正产生的所积累的误差，同时比例扭矩不能针对饱和进行修正。
发明内容
相应地，在此公开一种方法，其允许单侧冻结或者保持比例-积分(PI)车辆控制器中的积分器，也就是积分(I)扭矩控制项。控制器以积分闭环方法提供速度和传动系统阻尼扭矩控制。如在此使用的，阻尼扭矩控制是指在任何瞬时传动系统震荡能够抵达车辆的驱动轮之前减少这种震荡。速度扭矩控制是指以目标速度保持特定旋转部件，例如在发动机在700RPM的怠速下或者在换挡事件中跟踪正接近的离合器中的期望打滑速度。
在PI控制器中，比例(P)项提供相对快的误差响应，而积分(I)项将正被控制的设备或者系统驱使到零稳态误差，如在自动控制系统领域熟知的。本方法和系统将特定配置的PI控制器应用到第一检测积分器饱和，也就是速度控制命令，然后无论何时比例项(也就是阻尼扭矩命令)相对于校准的极限饱和，则冻结也就是保持或者防止积分器的输出值的进一步的变换。仅当积分器控制项在比例控制项已经饱和的方向上饱和时才进行冻结。换句话说，如果积分器在相反方向上解饱和(wind down)，则控制器允许解饱和的动作。
特别地，在这里提出一种用于控制具有PI控制器的车辆中电力牵引电动机的方法。控制器配置用于确定用于受命令的阻尼控制扭矩的比例扭矩值，以及确定积分扭矩值作为受命令的电动机速度扭矩。所述方法包括确定到积分器中的误差的方向，并判断该方向是否与积分器的输出相同。如果所述方向是相同的，则认为存在积分器饱和。如果该方向不同，则存在积分器解饱和。
所述方法进一步包括仅在(a)比例输出值(也就是比例扭矩)已经相对于校准极限饱和且(b)速度误差的方向处于与积分器输出值相同的方向的情形下才将积分器输出值冻结在刚刚之前的输出值。所述方法包括利用与在计算积分器输出值过程中使用的误差值不同的误差值来计算比例输出值。
本文还公开一种车辆，包括电力牵引电动机和如上所述的PI控制器。控制器确定受命令的阻尼扭矩作为比例输出值和确定受命令的电动机速度扭矩作为积分器输出值。控制器确定积分器输出值的方向，并计算当比例输出值已经相对于校准扭矩极限饱和时进入积分器中的速度误差的方向。仅在比例输出值已经饱和并且速度误差的方向与积分器输出值的方向相同的情形下才将积分器输出值冻结在刚刚之前的值。
在一个实施例中，所述车辆可包括两个电力牵引电动机。在这种情况中，PI控制器确定分别用于两个牵引电动机每一个的受命令的阻尼扭矩和受命令的电动机速度扭矩，分别用作一对比例输出值和一对积分器输出值。
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是如本文公开的具有提供积分器饱和的单侧检测和禁用的比例-积分(PI)控制器的车辆示意图；
图2是当本方法经由如图1所示的PI控制器施加时饱和的阻尼扭矩及其对速度控制的影响的示意图；和
图3是描述用于积分器饱和的单侧检测和禁用的本方法的流程图。
具体实施方式
参照附图，车辆10在图1中示出为具有传动装置(transmission)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/或一个或两个电力牵引电动机12、14，牵引电动机的数量可能随着车辆设计而不同。车辆10可以配置为所示的并行混合动力车辆(HEV)、串行HEV、电瓶电动车(BEV)、增程式电动车辆(EREV)或者其他适当设计，而不会改变本发明意在保护的范围。为简单起见，在此及后，将仅对HEV进行说明。
用于车辆10的比例-积分(PI)控制器22包括计算装置和计算机可执行处理指令形式的控制逻辑，也就是本方法100。方法100可以记录在非易失性存储器27中。控制器22提供车辆10上的闭环电动机速度和传动系统(driveline)阻尼扭矩控制。特别地，在后文参照图3详细描述的方法100提供在控制器22内的积分器饱和的单侧检测和禁用。PI控制系统通常使用到传动装置的输入速度和各离合器打滑(clutch slip)速度作为计算所需的控制扭矩的反馈变量。该控制器22又计算用于各牵引电动机的速度误差，然后使用经计算的速度误差值来确定所需的要求阻尼扭矩。
控制器22提供在积分控制方法中将电动机速度和阻尼扭矩结合的间接控制方法。方法100在控制器22内运行以使得阻尼扭矩(也就是PI或者PID控制方案中的比例(P)控制项)完全饱和，而不会影响速度控制(也就是积分(I)控制项)。换言之，积分控制项不能在不提供修正比例扭矩指令的情况下饱和。这样，在比例扭矩变得饱和的情形下保持对积分器的控制。
对于其上有控制器22运行的车辆10来说，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可以用于以依赖于当前命令的档位状态或者运行模式的方式传递扭矩到输出构件33。在一种可行的实施方式中，离合器32可以是液压促动的装置。传动装置18可包括根据需要尽可能多的行星齿轮组30和离合器32，以提供期望范围的输出速度，例如，在两种可行实施方式中，可包括三个或者更多的行星齿轮组和四或者更多的离合器32，或者，单个行星齿轮组和两个离合器。
内燃发动机16用于如上所述的HEV设计中。发动机16可以经由输入离合器11选择性连接到传动装置18。输入离合器11由此允许在某些驱动模式下选择性地将发动机16的曲轴13和传动装置18的输入构件21接合，并可以包括瞬时扭矩阻尼结构，例如配置来对发动机到传动装置的连接进行阻尼缓冲的阻尼器机构和弹簧(未示出)。
在HEV、EREV或者BEV架构中，牵引电动机12可以经由电动机输出轴120以足以推进车辆10的水平提供电动机扭矩。牵引电动机14可以单独使用或者与牵引电动机12协同使用，这取决于车辆的架构，在一些传动装置的实施方式中牵引电动机14的电动机输出轴140直接连接到车辆10的传动系统。牵引电动机12和/或14还可根据需要用作发电动机。
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。牵引电动机12、14经由高电压DC汇流线26、牵引功率逆变器模块(traction power inverter 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可以配置为多个单元的可充电电池或者能够利用来自牵引电动机12、14之一或者二者(例如通过在再生制动事件中捕获能量)的电动机扭矩而被选择性地充电的其他贮能装置。
来自于牵引电动机12和/或14的电动机扭矩被传递到它们各自的电动机输出轴120和140，每个电动机输出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也被设置在传动装置18内，以选择性地将扭矩从牵引电动机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最终通过车轴36和最终齿轮组35连接到车辆10的驱动轮34。
仍参照图1，TPIM20是配置为接收来自控制器22的电动机控制指令41的功率逆变和控制装置。控制器22可以电连接到每一牵引电动机12和14，并适于接收来自根据需要定位在整个车辆10上(例如定位在电动机输出轴120、140、在输入构件21、在车轴36上或它们的附近，等等)的各个速度传感器43的原始速度数据。控制器22控制电动机速度、运行模式和来往于车辆10上的电动机(一个或多个)及其他电气装置的动力流。
控制器22经由阻尼扭矩信号90自动控制来自牵引电动机12和14之一或者二者的经命令的阻尼扭矩，并经由速度信号92控制牵引电动机12和14的速度。这样，速度控制由此与阻尼控制相结合，并代表一根本变化，该根本变化是在闭环中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牵引电机12和14的速度积分器的误差值而造成的。除了将受控制的速度(例如输入速度和离合器打滑)变成它们各自的目标值之外，还消除电动机速度中的稳态误差。但是，对此针对速度控制增加了积分器饱和的单侧检测和禁用，以使得阻尼扭矩(也就是比例(P)控制项)能够完全饱和，而不必关闭速度控制项(也就是积分(I)控制项)。
参照图2，按时间(X轴)描绘一组迹线50，Y轴表示各信号的大小。迹线50被示出用来简要地解释本方法100的效果。迹线51代表比例(P)控制项，也就是阻尼控制扭矩。迹线52代表积分(I)控制项，也就是速度控制扭矩。迹线51的点53-55代表饱和的阻尼扭矩区域。也就是，阻尼扭矩大约在点53处抵达校准极限，并且迹线51变平。同时，图1的控制器22使得冻结(freeze)积分器，即迹线52被冻结在点54和56之间。
但是，积分器被允许解饱和(wind down)或者在与比例控制项的方向相反的方向变化。这在点56开始，并持续直到点58，在该点处，控制器22再一次冻结积分器。也就是说，迹线52从点58到60变平。比例项(迹线51)保持饱和，控制器22因此阻止在相同方向发生积分项(迹线52)的任何变化。在点55处，比例控制项开始解饱和，并且积分器(迹线52)被允许在相反方向饱和。
控制器22可利用诸如实际发动机扭矩、电动机阻尼扭矩、期望的车轴扭矩、车轮速度、阻尼器扭矩、期望输入速度和/或期望离合器速度的值产生由迹线51和52代表的值。可以基于各种操作者的输入(例如施加到加速踏板的力、传动装置档位选择器的位置、车辆制动系统的状态、速度控制设置和/或其它适当的操作者输入)来确定这些值。输入被用于根据实现各运行状态需要的参考参数来确定在车辆10上使用的扭矩产生装置每一个的期望运行状态。
例如，以下比例(P)控制项可以通过控制器22计算为：
PA＝(K1·NE*)+(K2·NA*)+(K3·NB*)+(K4·NO*)+(K5·TDMPR*)+(K6·TAXLE*)
PB＝(K7·NE*)+(K8·NA*)+(K9·NB*)+(K10·NO*)+(K11·TDMPR*)+(K12·TAXLE*)
其中，PA和PB是比例控制项，也就是分别用于各A和B牵引电动机或者牵引电动机12和14的阻尼扭矩命令；K1-K6代表比例增益。可以作为受控的发动机速度(NE)、各牵引电动机12和14的电动机速度(NA，NB)、用于对发动机-传动装置连接进行阻尼缓冲的阻尼器扭矩(TDMPR)和车轴扭矩(TAXLE)的函数来计算比例增益(K1-K6)。由星号(*)代表的值是速度或者扭矩误差值，例如，NA *是电动机A/牵引式电动机12的速度误差，TAXLE *是关于车轴扭矩的扭矩误差。
以下积分(I)控制项可以通过控制器22进行计算：
IA＝(K13·NA*)+(K14·NB*)
IB＝(K15·NA*)+(K16·NB*)
其中IA和IB是用于各牵引电动机12和14的积分速度命令，K13-K16代表积分增益，其可以作为牵引电动机12和14的速度误差的函数进行计算。
参照图3，流程图更详细地解释本方法100。当通过控制器22正确执行时，方法100确保积分项(也就是如上所述的IA和IB)不会在没有相应的修正的比例扭矩(即也就是PA和PB)的情况下饱和。控制器22并不配置为传统的PI控制器，也就是其中比例和积分控制项用于输入速度误差或者正受控制的另一变量的控制器。相反地，控制器22使用的比例项并不使用与积分项相同的误差，如在上面的例子中解释的。相反地，比例项使用来自各不同的速度和扭矩(例如发动机速度、电动机速度、输出速度、车轴扭矩和阻尼器扭矩)的误差组合。
从步骤102开始，控制器22计算馈送到积分器中的用于计算积分控制项的速度误差的大小和方向。在步骤102，一旦速度误差已经被计算，则在步骤104，速度误差的符号或者方向被估算。如果速度误差与刚刚之前的积分器输出不在相同方向，则控制器22进行到步骤105。如果速度误差处于与刚刚之前的积分器输出相同的方向，则控制器22进行到步骤106。
在步骤105和106，控制器22可设定表示在步骤104确定的结果的标志。在步骤105，标志被设定为FALSE、零(0)或者表示积分器没有正在饱和的其它适当值，并进行到步骤109。在步骤106，标志设置为TRUE、一(1)或者表示积分器当前正在饱和的其他适当值。控制器22然后进行到步骤108。
在步骤108，控制器22判断用于牵引电动机12和/或14的电动机扭矩是否已经饱和。如果电动机扭矩已经饱和，则控制器22进行到步骤110。如果没有，则控制器22进行到步骤109。
在步骤109，控制器22继续计算和应用积分项。控制器22然后重复步骤102以及如上面描述的任何随后的步骤。
在步骤110，控制器22将积分器冻结到它最后的输出值，并保持积分项处在它们先前的值，然后重复步骤102。这可以在图2的迹线54中在点56和58之间看出。所述值以这种方式保持冻结，直到在方法100的顺序中的步骤表明它解冻积分值是可接受的。
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。
本申请要求2010年9月13日提交的美国临时专利申请No.61/382,059的权益，该临时申请在此通过参考而被全文引入。

Claims (10)

1.一种用于控制车辆中的牵引电动机的方法，该车辆具有牵引电动机和比例-积分(PI)控制器，其中所述PI控制器配置为用于确定受命令的阻尼扭矩作为比例扭矩输出值和牵引电动机的受命令的电动机速度作为积分器扭矩输出值，所述方法包括：
确定所述积分器扭矩输出值的方向；
确定当所述比例输出扭矩值相对于校准的扭矩极限饱和时积分器速度误差的方向；以及
当所述比例扭矩输出值已经饱和并且速度误差的方向处于与积分器扭矩输出值相同的方向时冻结或者保持所述积分器扭矩输出值。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
利用与计算积分器扭矩输出值过程中使用误差值不同的误差值来计算比例扭矩输出值。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
允许所述控制器的积分器在与所述比例控制项的方向相反的方向解饱和。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
利用以下的至少之一确定阻尼扭矩和受命令的电动机速度：实际发动机扭矩、电动机阻尼扭矩、期望车轴扭矩、车轮速度、阻尼器扭矩、期望输入速度和期望离合器速度。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个值基于以下之一进行确定：施加到加速踏板的力、传动装置档位选择器的位置、车辆制动系统的状态和速度控制设定。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：利用参考参数确定用于牵引电动机的期望运行状态。
7.一种车辆，包括：
牵引电动机；和
比例-积分(PI)控制器，其确定受命令的阻尼控制扭矩作为比例扭矩输出值以及确定牵引电动机的受命令的电动机速度控制扭矩作为积分器扭矩输出值；
其中所述控制器配置用于：
确定积分器扭矩输出值的方向；
计算当比例扭矩输出值相对于校准的扭矩极限已经饱和时积分速度误差的方向；和
当比例扭矩输出值已经相对于极限饱和并且速度误差的方向处于与积分器扭矩输出值相同的方向时冻结或者保持积分器扭矩输出值。
8.如权利要求7所述的车辆，包括一对牵引电动机，其中控制器配置为确定分别用于所述一对牵引电动机每一个的受命令的阻尼控制扭矩和受命令的电动机速度控制，以分别作为一对比例输出值和一对积分器扭矩输出值。
9.如权利要求7所述的车辆，其中，所述PI控制器配置用于利用与在计算积分器扭矩输出值过程中使用误差值不同的误差值来计算比例扭矩输出值。
10.如权利要求7所述的车辆，其中，所述PI控制器配置用于允许所述积分器在与所述比例控制项的方向相反的方向上解饱和。
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