CN105270393B

CN105270393B - 扭矩差错检测和扭矩估计系统

Info

Publication number: CN105270393B
Application number: CN201510408171.2A
Authority: CN
Inventors: 法扎尔·阿拉曼·塞伊德; 丹尼尔·理查德·卢德克; 巴德·M·巴德雷戴恩; 苏珊·丽贝卡·齐卡内克
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: US20160018287A1; US9448135B2; DE102015110805A1; CN105270393A

Abstract

公开了一种扭矩差错检测和扭矩估计系统。一种车辆可包括：动力传动系统，具有发动机、通过行星齿轮组连接到发动机的发电机和连接到驱动轴的马达；逆变器，被配置为向发电机提供相电流；控制器，被配置为基于第一发电机扭矩和第二发电机扭矩输出故障状况，第一发电机扭矩基于发动机扭矩，第二发电机扭矩基于发电机的至多两个相电流。

Description

扭矩差错检测和扭矩估计系统

技术领域

在此描述了一种扭矩差错检测和扭矩估计系统。

背景技术

混合动力电动车辆(HEV)通常使用动力分流式结构来对由发动机产生的燃烧扭矩和由两个电机产生的电动扭矩进行组合以驱动车辆。电机可包括发电机和马达。每个电机的逆变器处的电流传感器可测量马达逆变器和发电机逆变器两者的相电流。这些相电流可用于确定在系统内是否出现扭矩差错(torque error)。

发明内容

一种车辆可包括：动力传动系统，具有发动机、通过行星齿轮组连接到发动机的发电机和连接到驱动轴的马达；逆变器，被配置为向发电机提供相电流；控制器，被配置为基于第一发电机扭矩和第二发电机扭矩输出故障状况，第一发电机扭矩基于发动机扭矩，第二发电机扭矩基于发电机的至多两个相电流。

一种扭矩差错检测系统可包括控制器，所述控制器包括：输入通信信道，被配置为接收发动机扭矩和发电机的至多两个相电流；输出通信信道，被配置为输出故障状况；控制逻辑，被配置为响应于第一发电机扭矩与第二发电机扭矩之差超过阈值而产生故障状况，其中，第一发电机扭矩基于发动机扭矩，第二发电机扭矩基于所述两个相电流。

根据本发明的一个实施例，第一发电机扭矩还基于马达加速度和发电机加速度。

根据本发明的一个实施例，在电子控制器单元中估计发动机扭矩。

根据本发明的一个实施例，第二发电机扭矩还基于发电机磁通量和发电机拖曳扭矩。

一种用于检测发电机扭矩差错的方法可包括：响应于第一发电机扭矩与第二发电机扭矩之差超过阈值而输出故障状况，其中，第一发电机扭矩基于稳态发动机扭矩、发动机加速度和发电机加速度，其中，第二发电机扭矩基于发电机相电流。

根据本发明的一个实施例，第二发电机扭矩基于至多两个发电机相电流。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：基于稳态发动机扭矩以及行星齿轮组的中心齿轮与齿轮架的传动比而估计稳态发电机扭矩。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：对发电机加速度和马达加速度进行滤波，其中，发动机加速度基于滤波后的发电机加速度和行星齿轮组的中心齿轮与齿轮架的传动比以及滤波后的马达加速度、马达与环形齿轮的传动比和行星齿轮组的环形齿轮与齿轮架的传动比。

根据本发明的一个实施例，第一发电机扭矩还基于发电机惯性扭矩，发电机惯性扭矩基于滤波后的发电机加速度。

根据本发明的一个实施例，第一发电机扭矩还基于发动机惯性扭矩，发动机惯性扭矩基于发动机加速度。

附图说明

图1是用于车辆的动力分流式系统的示例性动力传动系统；

图2是用于确定是否存在发电机扭矩故障的示例性过程；

图3是用于估计第一发电机扭矩的示例性过程；

图4是用于估计第二发电机扭矩的示例性过程；

图5是用于确定是否存在发电机扭矩故障的示例性框图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以多种和替代的形式来实施。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

混合动力电动车辆(HEV)通常使用动力分流式动力传动系统结构，以将由发动机产生的燃烧扭矩和由两个电机(例如，发电机和马达)产生的电动扭矩组合。发电机和马达可以是具有三相电流输入的永磁交流(AC)马达。逆变器用于给马达和发电机供电以传递期望的扭矩。电流传感器通常用于控制和监测扭矩。现有的方法会需要使用三个电流传感器，以执行由传感器检测的相电流的校验和。如果问题存在于扭矩或传感器，则电流的和将不是零或接近零。然而，该方法需要三个相电流值，因此需要三个电流传感器。另外，该方法仅检测电流传感器故障而不是直接检测发电机扭矩差错。

在此公开了一种用于通过使用发电机的相电流中的两个来估计发电机扭矩的系统。可使用发动机扭矩来确定另一估计的发电机扭矩。然后可将这些估计的发电机扭矩进行比较以建立扭矩差错。如果该扭矩差错超过预定差错值，则可确立发电机扭矩故障。公开的系统在发电机处仅需要两个电流传感器。对另外的第三个传感器的需要是不必要的，因此省去了一个组件，从而使成本、重量、空间减小并使可靠性提高。此外，公开的系统在不使用相电流不平衡的情况下检测关于发电机扭矩的差错。发电机扭矩故障可归因于电流传感器的失效以及会导致扭矩差错的其它的发电机扭矩状况。该系统可使发电机电流传感器将失效的可能性降低高达33％。因为对于现有的设计来说需要三个电流传感器，并且每个电流传感器均有可能失效或者有三分之一的失效的可能性，所以省去一个电流传感器表示少了1/3或大约33％的失效的可能性。

图1是针对车辆(未示出)的动力分流式系统100的示例性动力传动系统，该动力分流式系统100用于将由发动机105产生的燃烧扭矩和由马达110和发电机115产生的电动扭矩进行组合。马达110和发电机115可以是电机，该电机为具有三相电流输入的永磁AC马达。发动机105和发电机115可通过行星齿轮组120连接。齿轮组120可包括环形齿轮130、齿轮架133和中心齿轮135。齿轮组120可提供多种传动比，例如，马达与环形齿轮的传动比k_m2r、环形齿轮与齿轮架的传动比k_r2c以及中心齿轮与齿轮架的传动比k_s2c。发电机115可直接连接至中心齿轮135。环形齿轮130可连接至中间轴(countershaft)150，中间轴150可通过固定的传动比直接驱动车辆。马达轴155上的马达齿轮153可以以固定的传动比啮合。马达110可连接至车辆上的驱动轴165。驱动轴165可将来自马达110和/或发动机105的扭矩传递至车辆的车轮。

系统100可包括与发电机逆变器175和马达逆变器180进行通信的马达发电机控制单元(MGCU)控制器170。控制器170可包括输入通信信道和输出通信信道，并且可以控制逆变器175、180以期望的扭矩驱动马达110和/或发电机115。逆变器175、180可直接连接至车辆的高电压电池或通过可变电压转换器(VVC)185连接至车辆的高电压电池。控制器170可以是被配置为经由控制逻辑执行在此公开的过程的计算机。控制器170可连接到存储器(未示出)。控制器170和/或其存储器可产生并保持马达的值和发电机的值。发动机还可具有产生发动机的值的单独的控制器(未示出)。这些值可特别针对马达110、发电机115和发动机105。这些值可以是常量系数以及实时或接近实时的变量。可从系统100内的传感器接收这些值。还可从外部源接收这些值。一些值可以是基于其它接收的或保存的值的推导值。例如，可基于马达加速度a_m和发电机加速度a_g计算发动机加速度a_e。

控制器170使用从传感器195接收的两个相电流I_a、I_b来控制马达110和发电机115中的每个并经由逆变器175、180传递期望的扭矩。相电流可按线路190的形式传输，如图1所示。线路可以是能够传输电流的线。可使用Y形构造。连接至发电机逆变器175的线路190中的至少两个可包括至少一个相电流传感器195。连接至马达逆变器180的三个线路190中的每个可包括至少一个相电流传感器195。可在至少两个线路上检测相电流(例如，相电流I_a、I_b)。传统上，第三个电流传感器195可布置在第三个线路190上。虽然该第三个传感器195将不影响(drive)扭矩，但是针对电流传感器的失效检测，该第三个传感器195将用于执行三个相电流的校验和。在这里描述的当前实施方式中，仅需要两个传感器来估计发电机扭矩并检测失效。电流传感器可以是用于AC电机磁场控制的任何标准传感器。

传感器195中的每个可将相电流值提供回控制器170。相电流值可指示各个线路190上的相电流。控制器170可对接收的相电流(例如，相电流I_a、I_b)中的每个进行编目分类。相电流值可源于在传感器195处的相电流读数。例如，第一相电流I_a和第二相电流I_b可从电流传感器传输至控制器170。相电流I_a、I_b可表示电机电流并可用于计算第三相电流I_c。这三个相电流均相隔120度，使得I_a+I_b+I_c＝0。因此，如果两个相电流是已知的或通过传感器195感测到的，则可计算第三个相电流。磁场定向控制是用于控制三相电机的标准控制方法。使用磁场定向控制，三个相电流可用于计算两个等效相电流，以推导出表示电机电路的等式。这两个相电流可以是直轴电流(磁场电流)和交轴电流(扭矩电流)。这些电流允许按照与DC电机类似的方式控制三相电机。

可使用下面的变换：

等式1

等式2

等式3

其中，w为旋转坐标系(rotating frame)的转速(以rad/s为单位)。在同步电机的情况下，定子量参照转子。I_d和I_q表示在两个等效转子绕组(d绕组与磁场绕组位于同一直轴上，q绕组位于交轴上)中流动的两个DC电流，产生与定子电流I_a、I_b和I_c相同的通量。

图2是用于确定是否存在发电机扭矩故障的示例性过程200。该过程开始于框205，在框205处确定第一估计扭矩T_G1。可基于发动机、马达和发电机的多个值确定第一估计扭矩T_G1。这些值可以是特别针对发动机、马达和发电机的预先设定的常量。这些值还可以是由遍及系统100的各个传感器检测的实时变量。用于计算第一估计扭矩的这些值中的一个可以是发动机扭矩T_e。下面参照图3更详细地描述第一估计扭矩T_G1的计算。

在框210处，确定第二估计扭矩T_G2。也可基于多个值确定第二估计扭矩T_G2。可部分地基于从MGCU控制器170获得的直轴电流和交轴电流(例如，I_d和I_q)来计算第二估计扭矩T_G2。

在框215处，可将第一估计扭矩T_G1与第二估计扭矩T_G2相互比较，以产生比较值T_{g_err}。可通过取得扭矩T_G1、T_G2之差而对这两者进行比较。还可通过取得一个扭矩与另一个扭矩之比而对扭矩T_G1、T_G2进行比较。

在框220处，控制器170可通过将所得的比较值(或扭矩差错)T_{g_err}(差值或者比值)与预定阈值进行比较而确定是否存在发电机扭矩故障。所述预定阈值可以是被配置为在可能出现扭矩差错时作为基准的预定值。在一个示例中，所述预定阈值可以为大约30Nm。在空档下0.1g的意外的车辆加速可使发电机扭矩为38Nm，因此超过预定阈值并指示可能出现了扭矩差错。

如果在预定时间段内，所得的差错值T_{g_err}在预定阈值以上，则可存在发电机扭矩故障且过程200进行到框225。如果在预定时间段内，所得的差错值T_{g_err}不在预定阈值以上，则过程200结束。在框225处，可向车载诊断系统(OBD)发出警报，以指示可能出现了扭矩故障并且可能需要维修。此外，可能出现受限制的操作动作，例如，禁用发电机致动器。

图3是用于基于发动机扭矩T_e(也被称作稳态发动机扭矩)计算第一估计扭矩T_G1的示例性过程300。发动机扭矩T_e与发电机扭矩T_g之间的关系可按如下表示：

等式4

其中，J_e是发动机有效惯量，w_g是发电机转速，w_e是发动机转速，J_g是发电机有效惯量，k_s2c是中心齿轮与齿轮架的传动比。

在框305处，控制器170可接收发动机、发电机和马达的多个值。这些值可包括发动机扭矩T_e、发动机有效惯量J_e、发电机转速w_g、发动机转速w_e、发电机有效惯量J_g以及中心齿轮与齿轮架的传动比k_s2c。可从车辆内的电子控制单元(ECU)接收发动机扭矩T_e。该值可以是基于发动机105的当前状态的估计值。发动机扭矩估计T_e基于点火角度、燃料喷射、空气流量。控制器170还可接收其它值，例如，马达加速度a_m和发电机加速度a_g。这些加速度值可从马达110和发电机115内的传感器(例如，加速计)读取。还可基于马达110和发电机115的速度随时间的变化而计算加速度值。

在框310处，控制器170可通过在ECU中估计的稳态发动机扭矩而确定或计算稳态发电机扭矩T_{g_ss}。可通过发动机扭矩T_e计算稳态发电机扭矩T_{g_ss}，其中，T_{g_ss}＝-k_s2cT_e，其中，k_s2c为中心齿轮与齿轮架的恒定传动比。

在框315处，可对稳态发电机扭矩T_{g_ss}进行滤波以获得滤波后的稳态发电机扭矩T_{g_ss_f}。例如，可使用滚动平均滤波器(rolling average filter)。

在框320处，对马达加速度a_m和发电机加速度a_g中的每个进行滤波以获得滤波后的加速度a_{m_f}和a_{g_f}。例如，可使用滚动平均滤波器。

在框325处，使用滤波后的加速度值来确定或计算发动机加速度a_e。

等式5

其中，k_m2r是马达与环形齿轮的传动比，k_r2c是环形齿轮与齿轮架的传动比。

在框330处，控制器170使用滤波后的马达加速度a_{m_f}和滤波后的发电机加速度a_{g_f}来计算发动机惯性扭矩T_{e_i}，其中：

T_{e_i}＝J_e[a_{g_f}·k_s2c+a_{m_f}·k_m2r·k_r2c] 等式6

在框335处，控制器170使用滤波后的发电机加速度a_{g_f}来计算发电机惯性扭矩T_{g_i}，其中：

T_{g_i}＝J_g(a_{g_f}) 等式7

在框340处，控制器170将滤波后的稳态发电机扭矩T_{g_ss_f}、发动机惯性扭矩T_{e_i}和发电机惯性扭矩T_{g_i}相加，以确定第一估计发电机扭矩T_G1。使用等式6和等式7，第一估计发电机扭矩T_G1可表示为：

T_g＝T_G1＝-k_s2cT_e+J_e(a_{g_f}·k_s2c+a_{m_f}·k_m2r·k_r2c)+J_g·a_{g_f} 等式8

然后，过程可结束。

图4是用于基于两个相电流I_a&I_b而计算第二估计扭矩的示例性过程400。

在框405处，控制器170可接收发动机和发电机的多个值。如上所解释的，这些值可包括关于发电机115和发动机105中的每个的常量值和实时值两者。这些值可包括使用诸如磁场定向控制的马达控制方法而被转换成扭矩电流I_q和磁场电流I_d的两个相电流I_a和I_b、极数p、磁链λ和发电机的拖曳扭矩T_drag。在一个示例中，拖曳是发动机负载。磁通量可以是构成磁场电流I_d的一部分。

在框415处，控制器170可计算第二估计发电机扭矩T_G2。可以用I_d和I_q来表示第二估计发电机扭矩T_G2并通过表示马达行为的电机电路等式来计算第二估计发电机扭矩T_G2，所述电机电路等式如下：

等式9

等式10

第二估计发电机扭矩T_G2可表示为：

等式11

其中：

L<sub>q</sub>,L<sub>d</sub>	q轴(交轴)电感和d轴(直轴)电感
		R	定子绕组的电阻
i<sub>q</sub>,i<sub>d</sub>	q轴电流和d轴电流
		v<sub>q</sub>,v<sub>d</sub>	q轴电压和d轴电压
w<sub>r</sub>	转子的角速度
		λ	由转子的永磁体在定子相中感应的磁链幅值
p	极对数
		T<sub>g_tcb</sub>	电磁估计的发电机扭矩

然后，过程可结束。

图5是用于确定是否存在发电机扭矩故障的框图。参照图5描述的过程可经由处理器和存储器在控制器170中实现。框505至框540示出的过程与针对过程300在图3中描述的过程相似。在框505处，控制器170可接收发动机、发电机和马达的多个值。这些值中的一个可以是发动机扭矩T_e。控制器170可通过发动机扭矩T_e计算稳态发电机扭矩T_{g_ss}。在框510处，可对稳态发电机扭矩T_{g_ss}进行滤波。在框515和框520处，对马达加速度a_m和发电机加速度a_g中的每个进行滤波以获得a_{m_f}和a_{g_f}。在框525处，使用滤波后的加速度值来计算发动机加速度a_e。

在框530处，控制器170使用发动机加速度计算发动机惯性扭矩T_{e_i}。在框535处，控制器170使用滤波后的发电机加速度a_{g_f}计算发电机惯性扭矩T_{g_i}。在框540处，控制器170可将滤波后的稳态发电机扭矩T_{g_ss_f}、发动机惯性扭矩T_{e_i}和发电机惯性扭矩T_{g_i}相加，以确定第一估计发电机扭矩T_G1。

在框545处，与图2的框215类似，可将第一估计扭矩T_G1与第二估计扭矩T_G2进行比较。即，将等式8的值与等式11的值进行比较。在框550处，可对所得的比较值(或扭矩差错)T_{g_err}进行滤波。在框560处，控制器170可响应于滤波后的比较值T_{g_err_f}而确定是否存在扭矩差错。如上面关于框220所解释的，这可通过将滤波后的比较值T_{g_err_f}与预定阈值进行比较而实现。如果超过预定阈值，则可确定存在扭矩差错。

因此，公开的系统可使用两个相电流和发动机扭矩来估计一对发电机扭矩。可将这些扭矩进行比较，如果比较值超过阈值，则可发生扭矩差错。通过仅使用一对相电流，可省去建立扭矩差错通常所必需的第三个传感器。此外，公开的系统和方法可直接检测发电机扭矩差错，而不仅仅是相电流不平衡。

在此描述的诸如控制器的计算装置通常包括计算机可执行指令，其中，所述指令可通过诸如上面所列举的一个或更多个计算装置而执行。可通过利用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序来编译或解释计算机可执行指令，所述编程语言和/或技术包括而不限于Java^TM、C、C++、Visual Basic、Java Script、Perl、Matlab Simulink、TargetLink等中的单个或其组合。通常，处理器(例如，微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等接收指令并执行这些指令，从而执行一个或更多个过程(包括在此描述的一个或更多个过程)。可利用各种计算机可读介质存储并传输这样的指令和其它数据。

计算机可读介质(也称为处理器可读介质)包括参与提供数据(例如，指令)的任何非临时性(例如，有形的)介质，所述数据可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取。这样的介质可采用许多形式，所述形式包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括例如EEPROM(电可擦除可编程只读存储器，并且EEPROM是在计算机和其它电子装置中使用的一种非易失性存储器，用于存储在断电时必须保存的少量数据(例如，校准表或装置配置))、光盘或磁盘以及其它永久性存储器。易失性介质可包括例如通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这样的指令可通过一个或更多个传输介质进行传输，所述一个或更多个传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，这些传输介质包括构成连接到计算机的处理器的系统总线的线。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质、穿孔卡(punch card)、纸带、具有穿孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其它存储芯片或盒或者计算机可读的任何其它介质。

在此所描述的数据库、数据储存库或其它数据存储可包括用于存储、访问和检索各种类型的数据的各种类型的机制，包括层次数据库、文件系统中的一组文件、专用格式的应用程序数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储通常被包括在采用诸如上面所提到的计算机操作系统的计算装置中，并经由网络以各种方式中的一种或更多种方式进行访问。文件系统可从计算机操作系统访问，并可包括以各种格式存储的文件。RDBMS除采用用于创建、存储、编辑和执行存储的程序的语言之外，通常还采用结构化查询语言(SQL)(诸如PL/SQL语言)。

在一些示例中，系统元件可在一个或更多个计算装置(例如，服务器、个人计算机等)上被实现为存储在与其相关联的计算机可读介质(例如，盘、存储器等)上的计算机可读指令(例如，软件)。计算机程序产品可包括存储在计算机可读介质上以执行在此所描述的功能的这样的指令。

关于在此所描述的过程、系统、方法、启发式算法(heuristics)等，应该理解的是，尽管这样的过程等的步骤已被描述为按照特定的有序序列进行，但是这样的过程可以以按照与在此所描述的顺序不同的顺序执行的步骤实施。还应该理解的是，特定步骤可同时执行，可增加其它步骤或者可省略在此所描述的特定步骤。换言之，为了说明特定实施例的目的而提供在此对过程的描述，该描述决不应该被解释为限制权利要求。

因此，应该理解的是，以上描述意在是说明性的而不是限制性的。在阅读以上描述时，除了所提供的示例以外的多个实施例和应用将是明显的。范围不应该参照以上描述来确定，相反，而是应该参照权利要求以及这样的权利要求的等同物享有的全部范围来确定。预期并预料到，未来的发展将发生在在此所讨论的技术中，并且所公开的系统和方法将包括在这样的未来的实施例中。总之，应该理解的是，本申请能够修改和变型。

权利要求中所使用的所有术语意在赋予其最大的合理的解释以及由熟知在此所描述的技术的技术人员所理解的其普通含义，除非明确地指出与在此描述的含义相反。

虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地说，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合实现的多个实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims

1.一种车辆，包括：

动力传动系统，包括发动机、通过行星齿轮组连接到发动机的发电机和连接到驱动轴的马达；

逆变器，被配置为向发电机提供相电流；

控制器，被配置为基于第一发电机扭矩和第二发电机扭矩输出发电机扭矩故障状况，所述第一发电机扭矩基于发动机扭矩、马达加速度和发电机加速度，所述第二发电机扭矩基于发电机的两个相电流、发电机磁通量和发电机拖曳扭矩。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为响应于第一发电机扭矩与第二发电机扭矩之差超过差错阈值而识别故障状况。

3.根据权利要求1所述的车辆，其中，在电子控制器单元中估计发动机扭矩。