CN103332193A - 基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法 - Google Patents

Abstract

它本发明公开了一种基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法，1：ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；2：ISG系统根据电机转子的当前位置，得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；3：得到合成扭矩Te₂；4：判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩；5：是，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₃=Te(n)_Max；6：否，判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统的发电状态峰值扭矩；7：是，则ISG系统实际输出扭矩Te₃=Te(n)_Min。8：否，ISG系统实际输出扭矩Te₃ =Te₂。本发明能对发动机扭矩波动进行抑制和补偿，从而降低混合动力汽车动力总成系统的振动和噪声。

Description

基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，具体地指一种基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法。

背景技术

全球能源与环境的严峻形势、特别是国际金融危机对汽车产业的巨大冲击，推动世界各国加快交通能源战略转型，以混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车为代表的新能源汽车成为未来汽车发展的重要方向。

由于电动汽车在当前面临着续驶里程短、电池价格贵、基础设施不完善等困难，需要相当一段时间的努力才可能逐步解决；而混合动力汽车在现阶段具备更好的产业化条件，混合动力汽车对我国汽车产业发展具有十分重要意义。这就意味着在相当长的一段时期内，新能源汽车动力总成由较低功率的发动机和电机驱动装置构成。

传统发动机在一个工作循环内的扭矩波动较大，以目前家用紧凑型轿车最常用的四缸发动机为例，如图一所示发动机一圈（360度）的近似扭矩波形曲线，平均扭矩为150Nm，但扭矩变换从530N变化到-110Nm，扭矩波动较大，造成较大的振动、噪声，且影响系统效率。这个缺陷在单纯采用发动机作为动力总成的传统汽车上，是难以完全克服的。而传统ISG（Integrated Starter and Generator，汽车起动发电一体机）系统扭矩控制采用的是输出扭矩跟随指令扭矩的方式，在一个发动机周期内，ISG系统的输出扭矩近似为一条直线，这种控制方式对传统发动机的上述缺陷无任何改善，且因为电机系统自己本身的振动、噪声，使得装有ISG系统的混合动力汽车动力系统振动和噪声还要高于传统汽车动力系统的振动和噪声。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法，该方法能对发动机扭矩波动进行抑制和补偿，从而降低混合动力汽车动力总成系统的振动和噪声，进而提高动力总成系统效率。

为实现此目的，本发明所设计的基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；

步骤2：ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置，按照如下公式得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

Te₁(θ)=-Te(n)_max·sin(θ)

其中：Te₁(θ)为发动机补偿扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，n为当前ISG系统电机转速，θ为ISG系统的电机位置角度；

步骤3：当前位置的发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂=Te^*+Te₁；

步骤4：在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤5：如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₃为Te₃=Te(n)_Max；

步骤6：如果Te₂≤Te(n)_Max，为保证ISG系统安全工作，合成扭矩Te₂的幅度应不超过ISG系统的发电外特性曲线，此时，判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min；

步骤7：如果Te₂<Te(n)_Min，则ISG系统实际输出扭矩Te₃为：Te₃=Te(n)_Min。

步骤8：如果Te₂≥Te(n)_Min，此时合成扭矩Te₂的幅度在ISG系统扭矩输出能力范围内，ISG系统直接输出该扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₃=Te₂。

所述ISG系统的扭矩变化速率至少大于发动机扭矩变化速率的两倍。

所述步骤2的Te(n)_max为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }(n\&le;n_1)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为ISG系统转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

本发明的有益效果在于：

由于ISG系统中的电机与发动机同轴，ISG系统在发动机正扭矩区，将发动机的一部分动能转化为电能存储在动力电池组中；在发动机负扭矩区，将存储的电能转化为动能；即通过对发动机扭矩进行削峰填谷来减小动力系统的扭矩波动范围，从而实现减小动力系统的振动和噪声，进而提高整车的效率。另外，本发明并没有对ISG系统和发动机的结构作出改变，仅仅是在现有系统的基础上改变了补偿控制方法，这样明显降低了本发明的实现成本，使得本发明具有较广的应用范围。

附图说明

图1为传统ISG系统的扭矩曲线；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的扭矩波动补偿控制流程图；

图4为ISG系统输出零扭矩的发动机扭矩补偿曲线；

图5为ISG系统输出正扭矩的发动机扭矩补偿曲线；

图6为ISG系统输出负扭矩的发动机扭矩补偿曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

基于ISG系统的发动机扭矩补偿方法减小动力系统扭矩波动的效果与ISG系统的扭矩输出能力和扭矩指令相关，ISG系统的扭矩输出能力越小和扭矩指令越接近系统扭矩输出能力上限，减小动力系统扭矩波动的效果越不明显；相反则减小动力系统扭矩波动的效果越好，当ISG系统的驱动能力与发动机的驱动能力相当，理论上可使动力系统的输出扭矩波动减为零；并且采用扭矩补偿方法，可使单缸发动机动力系统输出扭矩与同排量的多缸发动机输出扭矩同样平稳，系统的振动、噪声同样小。

综合以上内容本发明的基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法，如图2和图3所示，它包括如下步骤：

步骤1：整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；

步骤2：ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置，按照如下公式得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

Te₁(θ)=-Te(n)_max·sin(θ)

其中：Te₁(θ)为发动机补偿扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，n为当前ISG系统电机转速，θ为ISG系统的电机位置角度；

步骤3：当前位置的发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂=Te^*+Te₁；

步骤4：在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤5：如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₃为Te₃=Te(n)_Max；

步骤6：如果Te₂≤Te(n)_Max，为保证ISG系统安全工作，合成扭矩Te₂的幅度应不超过ISG系统的发电外特性曲线，此时，判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min（该扭矩为负值，对应发电状态最大扭矩）；

步骤7：如果Te₂<Te(n)_Min，则ISG系统实际输出扭矩Te₃为：Te₃=Te(n)_Min。

步骤8：如果Te₂≥Te(n)_Min，此时合成扭矩Te₂的幅度在ISG系统扭矩输出能力范围内，ISG系统直接输出该扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₃=Te₂。

步骤2的Te(n)_max为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }(n\&le;n_1)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为ISG系统转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

上述技术方案中，与其它动力系统类似，ISG系统的电动、发电外特性曲线指的是在全转速范围内（0～n2），ISG系统可以输出的最大扭矩；在其扭矩能力范围内（n<n1）恒扭矩(Te_Max)输出，转速超过这一范围(n≥n1)按恒功率（P_Max）输出，因此ISG系统输出最大扭矩随转速上升而下降，而恒扭矩区与恒转矩区的交界转速n1称为系统峰值扭矩最高转速，一般该转速与电机系统基转速接近，因此这一转速也称为基转速。

上述技术方案中，所述ISG系统的扭矩变化速率至少大于发动机扭矩变化速率的两倍。本发明要求ISG系统的实际输出扭矩Te₃能很好的快速跟踪发动机的扭矩波动。根据采样定理：当采样频率fs.max大于等于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号能完整地保留原始信号中的信息。

发动机扭矩波动频率：

$f=\frac{L\&CenterDot;p}{60}$

其中：L为发动机转速（r/m），p为发动机极对数（对于4缸发动机，P=2），f为发动机扭矩波动频率（Hz），对于4缸发动机，发动机的转速范围为600～6000r/m，输出扭矩波动频率范围为：20～200Hz，周期为50～5ms。

ISG系统中的永磁电机驱动系统的扭矩调节速度较快，理论上，永磁电机的输出扭矩变换速率与永磁电机控制器的电压调节速率（即功率器件的开关频率）相同，一般功率IGBT(即功率管，也叫功率开关，是进行不同电源转换的装置，如逆变：直流变交流，对应ISG系统电动；如整流：交流变直流，对应ISG系统发电。)的工作频率在8～15kHz（常用工作频率10KHz），即理论上的永磁电机扭矩调节速率可以达到8～15kHz，按IGBT常用工作频率10kHz，永磁电机扭矩可以100us调节一次。以常见的四缸发动机为例，ISG系统扭矩调节速率为发动机扭矩波动最大频率的50倍，可以很好的跟踪补偿发动机的扭矩波动变化。

下面以乘用车常见的1.6L，4缸发动机为例，具体介绍本发明的发动机扭矩补偿控制原理及效果。

以1.6L，4缸发动机为例，其峰值平均扭矩约为150Nm,扭矩波动范围：-110Nm～530Nm，最大最小扭矩相差640Nm；若ISG系统峰值扭矩90Nm，两者均工作在恒扭矩区时，采用ISG系统输出零扭矩的发动机扭矩补偿，如图4所示,可使动力系统输出扭矩波动最小，扭矩波动范围-62Nm～446Nm，最大最小扭矩相差508Nm；与单纯的发动机相比，将最大最小扭矩波动减小了约130Nm。从而大大减小了动力系统的振动与噪声。

ISG系统的输出扭矩按规则曲线变化（如正弦、梯形波、方波等），补偿扭矩幅度为ISG系统最大扭矩，在ISG系统扭矩范围内可对发动机扭矩波动进行补偿，该补偿方法易于实现；其中正弦扭矩补偿实现简单，且效果较好，下面就以正弦扭矩补偿进行说明。

按正弦规律变化的规则曲线补偿扭矩Te₁计算如下面公式所示：

Te₁(θ)=-Te(n)_max·sin(θ)

其中：Te₁(θ)为发动机补偿扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，n为当前ISG系统电机转速，θ为ISG系统的电机位置角度；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }(n\&le;n_1)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为ISG系统转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

按正弦规律变化的发动机扭矩跟踪补偿控制流程如图3所示，ISG控制系统根据当前电机转子位置，按公式

Te₁(θ)=-Te(n)_max·sin(θ)

计算规则曲线补偿扭矩Te₁，结合整车给定扭矩Te*,得到合成扭矩指令Te₂，并对合成扭矩指令进行限幅，合成扭矩的幅度应不超过ISG系统的外特性曲线，当合成扭矩指令大于ISG系统的最大扭矩输出能力时，ISG系统扭矩指令为最大扭矩指令，同理，当合成扭矩指令小于ISG系统的最大扭矩输出能力时，ISG系统扭矩指令为最小扭矩指令，ISG系统按限幅后的扭矩指令进行扭矩控制。

1、ISG系统输出的扭矩能力范围内，ISG系统输出零扭矩的补偿曲线如图4所示。ISG系统在正半周期存储能量，在负半周期释放能量，在整个周期内做功为零，但减小了动力系统的扭矩波动范围。

2、ISG系统输出的扭矩能力范围内，ISG系统输出正扭矩的补偿曲线如图5所示，ISG系统输出负扭矩的补偿曲线如图6所示，通过补偿使动力系统的扭矩大为减小。实现了对发动机扭矩波动进行抑制和补偿，从而降低混合动力汽车动力总成系统的振动和噪声，进而提高动力总成系统效率。

基于ISG系统的发动机扭矩补偿控制原理，如图2所示：ISG控制系统利用位置解码电路读取当前电机位置角θ，直接根据发动机输出扭矩规则曲线补偿控制算法，得到当前发动机补偿扭矩Te₁，结合接收整车对ISG系统的扭矩需求指令Te*，得到ISG系统的指令扭矩Te₂，将指令扭矩Te₂按照ISG系统最大扭矩输出能力（电动、发电外特性）进行限幅后，得到最终的控制指令扭矩Te₃,经扭矩调节器、电流矢量空间矢量闭环控制后输出6路PWM（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制）信号，经驱动电路进行功率放大后，驱动功率变换单元进行电能的功率变换（整流/逆变），输出三相交流驱动ISG电机输出指令扭矩Te=Te₃,与发动机输出扭矩Te₄叠加后，合成动力系统输出扭矩。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于规则曲线补偿控制法的发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；

步骤2：ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置，按照如下公式得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

Te₁(θ)=-Te(n)_max·sin(θ)

其中：Te₁(θ)为发动机补偿扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，n为当前ISG系统电机转速，θ为ISG系统的电机位置角度；

步骤3：当前位置的发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂=Te^*+Te₁；

步骤4：在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤5：如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₃为Te₃=Te(n)_Max；

步骤6：如果Te₂≤Te(n)_Max，此时，判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min；

步骤7：如果Te₂<Te(n)_Min，则ISG系统实际输出扭矩Te₃为：Te₃=Te(n)_Min；

步骤8：如果Te₂≥Te(n)_Min，此时ISG系统直接输出该扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₃=Te₂。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于：所述ISG系统的扭矩变化速率至少大于发动机扭矩变化速率的两倍。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于：

所述步骤2的Te(n)_max为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }(n\&le;n_1)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为ISG系统转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

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