CN108688643B - 混合动力传动系统转速控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及混合动力传动系统转速控制。一种车辆动力传动系统包括控制器、变矩器以及通过离合器连接的发动机和电机。变矩器可被配置为将电机连接到输出轴。控制器可被配置为：产生用于输出扭矩的电机的命令以将变矩器朝着期望的转速驱动，并根据期望转速与实际转速之间的差而修改所述命令，以减小所述差，其中，所述差的值是由随着动力传动系统运转而改变的阈值所限制的。

Description

混合动力传动系统转速控制
技术领域
本公开涉及混合动力传动系统控制系统。
背景技术
具有自动变速器的车辆基于车速和驾驶员加速需求来改变齿轮比。在减速期间，自动变速器逐步地换挡经过较低的齿轮比。从给定挡位切换到下一个相邻挡位的平顺性影响被驾驶员所察觉到的噪声、振动和声振粗糙度。
混合动力车辆可以使用一个或更多个电机，所述一个或更多个电机具有与内燃发动机结合的马达-发电机。根据车辆运转状况，电机可以在用作动力源和用作动力传动系统上的减速负载之间选择性地交替。
发明内容
一种车辆动力传动系统包括控制器、变矩器以及通过离合器连接的发动机和电机。变矩器可被配置为将电机连接到输出轴。控制器可被配置为：产生用于输出扭矩的电机的命令以将变矩器朝着期望的转速驱动，并根据期望转速与实际转速之间的差而修改所述命令，以减小所述差，其中，所述差的值是由随着动力传动系统运转而改变的阈值所限制的。
一种混合动力传动系统控制方法包括：通过控制器产生命令并修改命令。控制器产生用于电机的命令以输出期望的转速，该期望的转速基于扭矩估计。控制器根据期望的转速与实际转速之间的差而修改所述命令，以减小所述差，其中，所述差的值被限制到基于混合动力传动系统运转模式的范围。
根据本公开的一个实施例，还包括：响应于所述运转模式是即将到来的发动机启动事件，将所述范围设置为最大。
根据本公开的一个实施例，还包括：响应于所述运转模式是即将到来的车辆停止，将所述范围设置为最小。
根据本公开的一个实施例，还包括：在车辆行驶仅由电机推进期间，将所述范围设置为最小。
根据本公开的一个实施例，还包括：响应于所述运转模式从非动力挡位转换到动力挡位，将所述范围设置为标称范围。
一种用于车辆动力传动系统的控制系统包括控制器，该控制器被配置为：根据与电机连接的变矩器的期望转速与实际转速之间的差而调节用于电机的命令，以减小所述差，其中，所述差的值是由随着车辆动力传动系统的运转模式而改变的阈值所限制的。
根据本公开的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于变速器在车速小于速度阈值时降挡，将所述阈值设置为标称范围。根据本公开的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于变速器从非动力挡位转换到动力挡位，将所述阈值设置为最小范围。
根据本公开的一个实施例，所述控制器还被配置为：在车辆行驶仅由电机推进期间，将所述阈值设置为最小范围。
附图说明
图1是混合动力电动车辆动力传动系统和控制系统的框图。
图2是动力传动系统转速控制算法的框图。
图3A和图3B是动力传动系统控制方法的流程图。
图4是动力传动系统转速控制算法的框图。
图5A和图5B是包括变矩器模型的动力传动系统控制方法的流程图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例并且可以以各种可替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式应用本发明的代表性基础。
转速控制通常用于动力传动系统控制系统，以调节电机或致动器的转速。控制系统比较致动器的转速目标与测量的(或估计的)转速之间的差。随后控制系统计算期望的扭矩命令，以调节所述转速。控制系统通常使用PID策略，其中P代表比例、I代表积分、D代表微分。PID控制器具有被调谐为特定运转环境的PID增益，影响整体PID性能的是所有运转环境。
在具有自动变速器的传统车辆中，发动机可置于转速控制模式。在混合动力电动车辆中，电动马达还可用于转速调节。电动马达被认为是调节给定转速的快速调节器，它能够即时增大和减小扭矩。控制系统的扭矩命令通常饱和在估计的扭矩致动器的扭矩限制处。然而，扭矩命令饱和在致动器的物理限制处可能不足以在一些故障状况下提供平稳的运转。例如，动力传动系统控制系统通常可根据驾驶员操控和动力传动系统的系统状态而在转速控制与扭矩控制之间来回切换。在其它情况下，一个致动器可以总是处于转速控制下。众多的噪声因子还可能利用标准转速控制产生不期望的车辆响应。例如，当控制系统应该处于扭矩控制模式下时而所述系统却在转速控制下运转，就产生了误差模式命令。此处，控制系统运转以遵循给定转速目标，并且如果转速目标不处在实际转速，则来自转速控制器的扭矩命令可增大到产生对车辆的显著和明显的扰动的水平。另一示例是转速目标命令误差，即当所述系统命令不正确的转速目标(该转速目标可能与可能对车辆产生显著和明显扰动的实际转速相差很远)时。另一示例是实际转速测量误差，其中在从扭矩控制转换到转速控制期间，转速的测量存在误差，转速目标也可与实际转速相差很远，这产生不期望的车辆响应。
此处，提出用于转速控制和扭矩控制的方法，以在误差状况期间减小和减轻潜在的不期望的车辆响应。那些方法包括将目标转速限制为测量转速的范围，使得ωactl-Δω1＜ωtarget＜ωactl+Δω2，其中，ωactl是测量的致动器转速，并且Δω1和Δω2是目标转速与实际转速的转速差。Δω1和Δω2可取决于动力传动系统/车辆工况。另一种方法包括将转速控制器的扭矩命令限制为特定范围，使得Trqspdcntl＝TrqFdFrd+TrqFdbck，扭矩可被限制为TrqMin＜TrqspdCntl＜TrqMax，或反馈扭矩可被限制为TrqFbMin＜TrqFdbck＜TrqFbMax。
此处，可调节PID控制器增益，以反映扭矩在这些限制上的饱和。这些限制可能受到正常系统扭矩限制的限制，正常系统扭矩限制能够根据动力传动系统构造或车辆运转模式而进行校准。可以选择这些限制，使得它们在处于正常转速控制下时足够大以抗噪，并且在误差状况期间足够小以减小无法接受的车辆响应。
图1示意性地描述了混合动力电动车辆(HEV)10，并示出了车辆组件之间的代表性关系。组件在车辆中的物理布局和方位可改变。车辆10包括具有发动机14的动力传动系统12，发动机14驱动传动装置16。如下文将进一步详细描述的，传动装置16包括电机(诸如电动马达/发电机(M/G)18)、变矩器22以及多阶梯传动比自动变速器或齿轮箱24。还存在与M/G 18连接的高电压牵引电池20，用于向M/G 18提供电力和接收来自M/G 18的电力。
发动机14和M/G 18均能够为HEV 10提供动力。发动机14通常代表可以包括内燃发动机(诸如，汽油、柴油或天然气驱动的发动机)或燃料电池的动力源。当发动机14和M/G 18之间的分离离合器26至少部分地接合时，发动机14产生功率和供应到M/G 18的对应的输出扭矩。M/G 18可以由多种类型的电机中的任何一种来实现。例如，M/G 18可以是永磁同步马达。如下文将描述的，电力电子器件28将电池20提供的直流电(DC)调节至M/G 18所要求的。例如，电力电子器件可向M/G 18提供三相交流电(AC)。此外，DC/DC转换器56使来自高电压电池20的电压降低，以向其它较小的车辆负载提供电力。在至少一个实施例中，DC/DC转换器调节电力以供给辅助传动泵和低电压发动机起动马达。
传动装置16可运转为提供可变齿轮比。齿轮箱24可包括通过摩擦元件(诸如，离合器和制动器(未示出))的选择性接合而置于不同的齿轮比以建立期望的多个离散或阶梯传动比的内部齿轮组(未示出)。可通过连接和分离齿轮组的特定元件以控制齿轮箱输入轴34和变速器输出轴38之间的传动比的换挡计划来控制摩擦元件。齿轮箱24最终通过输出轴38提供动力传动系统输出扭矩。例如，可以有两个系列的离合器，其中，每个系列的离合器对应于奇数齿轮组或偶数齿轮组。在从当前齿轮比切换到相邻的请求的齿轮比期间，来自第二系列的离合器接合，同时来自第一系列的离合器分离。一旦作为换挡的一部分完成了从第一系列的离合器到第二系列的离合器的转移，则变速器输出轴38和变速器输入轴34之间的速比和扭矩比均根据挡位选择而改变。
如图1中的代表性实施例进一步所示的，输出轴38连接到差速器40。差速器40通过连接到差速器40的相应的车桥44来驱动一对车轮42。差速器传递分配给各个车轮42的扭矩，同时允许轻微的转速差异(诸如当车辆转弯时)。可使用不同类型的差速器或类似的装置将来自动力传动系统的扭矩分配至一个或更多个车轮。例如，在一些应用中，根据特定的运转模式或状况，扭矩分配可以有所变化。
车辆10还包括基础制动系统54。该制动系统可包括适合通过将固定片附连到固定到各个车轮的转子而选择性地施加压力的摩擦制动器。在所述片和转子之间施加的压力产生摩擦，以抵制车轮42的旋转，并因此能够降低车辆10的速度。
当分离离合器26至少部分地接合时，功率可以从发动机14流到M/G 18或者从M/G18流到发动机14。例如，当分离离合器26接合时，M/G 18可作为发电机运转，以将曲轴30经由M/G轴32提供的旋转能转换成电能储存在电池20中。如下文更详细地讨论的，通过能量再生施加在轴上的旋转阻力可以用作使车辆减速的制动器。也可以将分离离合器26分离以将发动机14与动力传动系统12的其余部分分离，使得M/G 18可以作为车辆10的唯一驱动源运转。
当发动机14正在运转时，利用主传动泵46来操作传动装置16。此外，主传动泵46由车辆发动机14驱动。主传动泵46从传动装置16底部的油底壳汲取流体并在液压系统中产生压力。主传动泵46通常由M/G 18驱动。只要M/G以足够高的转速旋转，压力便被提供至变速器和分离离合器。当M/G停止时，辅助电动泵52提供主传动泵46的某些功能并支持一些受限制的传动装置运转。因此，在特定的运转状况期间，可通过辅助电动泵52来接合分离离合器26以及其它传动机构以维持功能性。
可以通过至少一个控制器来支配动力传动系统12的操作状态(还称作操作模式)。在至少一个实施例中，存在包括多个控制器的更大的控制系统。可以通过整个车辆10中的各种其它控制器来影响各个控制器或控制系统，其中，车辆系统控制器(VSC)48相对于其它从属控制器以较高的层次运转。VSC 48输出可直接地或间接地支配或影响若干车辆功能，诸如，启动/停止发动机14、运转M/G 18以提供车轮扭矩或为牵引电池20再充电、选择或计划变速器换挡等。例如，VSC 48可以接收来自其它从属控制器的数据并向其它从属控制器发出命令，所述从属控制器可以相对于VSC 48以较低的控制器层次运转。例如，与VSC通信的其它控制器包括传动装置控制模块(TCM)、制动系统控制模块(BSCM)、高电压电池能量控制模块(BECM)、逆变器系统控制器(ISC)以及负责各种车辆功能的相互通信的其它控制器。在至少一个实施例中，所述BECM和所述ISC包括在电力电子器件28中。
以上提到的任何控制器还可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理器(CPU)。例如，计算机可读存储装置或介质可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性存储和非易失性存储。KAM可以实现为可以用于在CPU掉电时存储各种操作变量的永久或非易失性存储器，或者它可实现为以备用电池供电的RAM。计算机可读存储装置或介质可以使用任意数量的已知存储装置(诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪存(例如，NAND FLASH或NOR FLASH)或能够存储数据的任意其它电、磁性、光学或组合的存储装置，这些数据中的一些数据代表由控制器使用以控制发动机或车辆的可执行指令)来实现。
VSC 48和其它控制器通过输入/输出(I/O)接口与各种发动机/车辆传感器和致动器通信，所述I/O接口可以被实施为提供各种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等的单个集成接口。或者，在将特定信号提供给CPU之前，一个或更多个专用硬件或固件芯片可用于调节和处理该特定信号。如图1中的代表性实施例总体上示出的，VSC 48可以向高电压电池20和电力电子器件28中的电子器件传送信号和/或传送来自高电压电池20和电力电子器件28中的电子器件的信号。电力电子器件28可包括ISC和BECM两者，所述ISC和BECM管理流到电池20的电力和从电池20流出的电力。此外，VSC 48可以与上述的其它车辆控制器通信，或者直接地与车辆传感器和/或组件(包括发动机14、制动系统54、DC/DC转换器56、低电压电池58和起动机60)通信。尽管未明确说明，但是本领域的普通技术人员应认识到，VSC 48可以控制上述各个子系统中的各种功能或组件。
可使用通过控制器执行的控制逻辑直接或间接致动的参数、系统和/或组件的代表性示例包括燃料喷射正时、速率和持续时间、节气门位置、(用于火花点火式发动机的)火花塞点火正时、进气/排气门正时和持续时间、前端附件驱动(FEAD)组件(诸如，交流发电机)、空调压缩机、电池充电、再生制动、M/G运转、用于分离离合器26、变矩器旁通离合器36的离合器压力以及传动装置齿轮箱24等。例如，通过I/O接口传输输入的传感器可以用于指示曲轴位置、发动机转速(RPM)、M/G轴转速、动力传动系统输出轴转速、车轮转速、发动机冷却剂温度、进气歧管压力、加速踏板位置、点火开关位置、节气门位置、空气温度、排气氧或其他排气成分浓度或存在度、进气流量、变速器挡位、传动比或模式、变速器油温、传动装置涡轮转速、变矩器旁通离合器状态、减速或换挡模式。
VSC 48还包括扭矩控制逻辑功能。VSC 48能够基于多个车辆输入解释驾驶员请求。例如，这些输入可包括挡位选择(PRNDL)、加速踏板输入、制动踏板输入、电池温度、电压、电流和电池荷电状态(SOC)。进而，VSC 48可以向电力电子器件28发出影响M/G 18运转的命令信号。
M/G 18还通过轴32与变矩器22连接。因此，当分离离合器26至少部分地接合时，变矩器22还连接到发动机14。变矩器22包括固定到M/G轴32的泵轮和固定到变速器输入轴34的涡轮。变矩器将电机流体地结合到输出轴。更具体地，变矩器22在轴32和变速器输入轴34之间提供液力耦合。变矩器还可设置内部旁通离合器36，使得内部旁通离合器36在接合时摩擦地或机械地结合变矩器22的泵轮和涡轮，从而允许更高效的动力传递。变矩器22及其旁通离合器36可以使用提供车辆起步的起步离合器来代替。相比之下，当旁通离合器36分离时，M/G 18可以与差速器40和车桥44机械地分离。例如，在减速期间，旁通离合器36可以在车速低时分离，以将发动机与传动装置和传动系分离，从而允许发动机在车速低时怠速运转或者停止。M/G的交替运转的正时和程度可用于优化燃料经济性，并且应当符合变速器的换挡操作。
车辆10的驾驶员可以在加速踏板50处提供输入并产生所需求的扭矩、功率或驱动命令以推进车辆10。通常，踩下和松开踏板50产生可被VSC 48分别解释为需要增加动力或减小动力的加速器输入信号。至少基于来自踏板的输入，控制器48可以在发动机14和/或M/G 18中的每者之间分配扭矩命令，以满足驾驶员所需求的车辆扭矩输出。控制器48还可控制齿轮箱24中的换挡正时以及分离离合器26和变矩器旁通离合器36的接合或分离。可以在接合位置和分离位置之间的范围内调节变矩器旁通离合器36。除由泵轮和涡轮之间的液力耦合产生的可变打滑之外，这也可在变矩器22中产生可变打滑。或者，根据特定应用，可在不使用调节的运转模式的情况下将变矩器旁通离合器36操作为锁止或者打开。
另外，车辆10的驾驶员可以在制动踏板处提供输入以产生车辆制动需求。踩下制动踏板产生制动输入信号，该制动输入信号被控制器48解释为使车辆减速的命令。进而，VSC 48可以向动力传动系统输出轴38发出导致负扭矩的施加的命令。另外或组合地，控制器可以发出激活制动系统54的命令以施加摩擦制动阻力，从而抑制车轮42的旋转。由动力传动系统和摩擦制动器两者提供的负扭矩值可被分配以改变各自满足驾驶员的制动需求的量。
M/G 18可以作为发电机运转以将来自动力传动系统12的动能转换成电能储存在电池20中。例如，当发动机14提供用于车辆10的唯一推进动力时，M/G 18可以用作发电机。另外，在输出轴38旋转产生的旋转能通过齿轮箱24回传并转换成储存在高电压电池20或低电压电池58中的电能的再生制动期间，M/G 18可用作发电机。
应理解，图1中示出的示意图仅仅是示例性的并不意味着限制。可以考虑利用发动机和马达两者的选择性接合以通过变速器进行传递的其它配置。在不脱离本公开的范围的情况下，可以考虑其它这样的配置。
通常，与发动机相比，电机具有较高的扭矩带宽。因此，发动机通常在扭矩控制下运转，当需要时，电机可以使用转速控制来运转，从而更精确地控制整个动力传动系统输出转速。根据本公开的动力传动系统，发动机支配系统功率输出，而电机调节系统转速。在这种情况下，使用电机来调节整个动力传动系统的转速输出。
可通过测量变矩器22的泵轮输入处的扭矩和转速来监测使用电机调节系统转速的有效性。通常，可以通过下式(1)来描述离合器泵轮的扭矩。
τimp＝τe+τm (1)
在式(1)中，τimp是泵轮扭矩，τe是发动机输出扭矩，τm是电机的输出扭矩。如果电机辅助发动机推进车辆，则τm为正。当电机运转为发电机且吸收一部分发动机输出扭矩时，τm为负。
支配电机的输出的动态特性可通过下面的式(2)来近似估计。
Figure BDA0001609359110000081
其中，Jm是电机惯量，
Figure BDA0001609359110000082
是从电机输出的旋转加速度，τclt是离合器扭矩，τtc是来自变矩器的扭矩负载。离合器扭矩τclt将会是施加到电机的扭矩量，并且取决于离合器是打开、闭合还是处于打滑模式。
在最简单的情况下，当离合器打开时，传递穿过离合器的扭矩为零。如果离合器锁止，则离合器扭矩容量足够大，使得传递通过离合器的扭矩等于发动机制动扭矩减去发动机惯性矩。下面的式(3)为离合器处于锁止状态时的离合器扭矩的代表性估计。
Figure BDA0001609359110000083
如果离合器处于打滑模式，则离合器扭矩等于扭矩容量，并且为离合器片的表面状态λ和施加在离合器上的液压压力p的函数。下面的式(4)表示了典型的关系。
τclt＝f(λ,p) (4)
如上所述，发动机扭矩输出可随着离合器状态的改变而超过和/或低于理想值。动力传动系统惯量在纯电动模式和混合动力车辆模式之间变化显著。使用来自分离离合器的前馈信息以及任何电机转速误差的反馈这两者来管理动力传动系统转速输出是有益的。根据本公开的各方面，马达控制可以使用τclt的初始估计作为前馈信息，以抵消与离合器状态改变相关的离合器扭矩的改变。另外，可以使用来自实际的输出转速的反馈来抑制转速输出的扰动和限制误差。在下面的式(5)中表示了转速域传递函数。
Figure BDA0001609359110000091
Figure BDA0001609359110000092
是穿过离合器的估计的扭矩，其通过基于实际的动力传动系统输出的反馈项被不断地调整。/>
Figure BDA0001609359110000093
是命令的电机转速，ωm(s)是测量的电机输出的实际转速。命令的电机转速和实际的电机转速之间的差被输入到算法中的调节部分Gm(s)。这种调节使系统克服离合器扭矩估计误差。
图2的控制系统图中表示了扭矩估计算法。系统200表示系统中的控制器之间的信息流，所述系统采用前馈和反馈信息两者的组合来控制动力传动系统转速。
离合器控制202处表示了算法的前馈部分。基于来自发动机的信息204(即，输出扭矩和转速)和来自离合器的信息206(即，锁止状态、表面状态和液压压力)，提供估计的离合器扭矩208。马达控制210利用离合器扭矩估计来产生调节电机转速的命令。在实践中，由于系统动态特性的变化，导致离合器扭矩估计208往往是错误的。
特别地，马达动态特性212严重影响实际的电机转速输出214。实际的电机输出扭矩216和实际的离合器扭矩218受到电机惯量220以及车辆速度和加速度曲线222的影响。测量实际的电机转速输出214并将其反馈到马达转速控制210。利用命令的电机转速224和实际的电机转速输出214之间的任何误差来修正马达扭矩命令。测量的误差(包括任何电机噪声226)反馈到马达转速控制210，以起到误差修正的作用。这个修正的大小取决于控制系统增益228。随后，其与离合器扭矩估计208结合，以产生使转速命令和实际转速之间的误差最小化的马达扭矩命令。整个反馈控制运转为提高动力传动系统鲁棒性并改进瞬态响应。
通常，控制算法的反馈部分包括误差修正以补偿和降低转速差异，从而提高鲁棒性。然而，反馈部分是反应性的，在修正中有一些固有的时间延迟。控制算法的前馈部分预测了性能并避开了某部分的输出转速误差。当输入改变时，下游的转速输出在其出现之前被预测。前馈控制可以在误差出现之前对已知的马达动态特性进行一定程度的补偿，从而减小系统延迟。不管怎样，当系统响应为高度可预测时，前馈控制是非常有效的。离合器扭矩的预先估计可因多种原因而带有误差。例如，指示离合器压力的信号的丧失、控制系统中的控制器之间失去通信、常规信号条件差以及通信延迟长都可导致离合器扭矩估计的误差。当两种控制类型被一起使用时，前馈分量(feedforward component)有助于提供快速的系统响应，反馈分量(feedback component)有助于补偿动力传动系统的系统模型中不可避免的误差。本控制器的方法为控制混合动力传动系统输出提供了鲁棒的方式。
在本公开的动力传动系统中可以应用转速控制模式来提高多个特定的运转状态下的运转。图3A和图3B是方法300的流程图，示出了在各种动力传动系统运转状态下转速控制模式确定的示例。
在步骤302处，如果动力传动系统未处于正式的转速控制模式，则仍可使用电机转速控制，以防御某些潜在的动力传动系统故障状况，从而保护发动机和/或传动装置。
在步骤304处，如果电机转速低于第一阈值(诸如当车辆即将停止时)，则控制器可命令电机停止以节省能量。在步骤306处，如果电机扭矩为负，则在308处，控制器可命令电机平缓地斜坡降低到零速。在至少一个实施例中，控制器响应于车辆即将停止，通过对电机产生平缓降低转速目标的命令，使电机转速立即斜坡降低。控制器可利用电机扭矩来调节转速直到其足够接近零速为止。在转速非常低时执行转速死区控制，使得电机扭矩完全下降至零，并在冷却油阻力的帮助下使电机转速自动降低到静止。
在步骤306，如果电机扭矩为正，则在步骤310处，死区可以是单边的，也具有零速目标。低转速时的死区控制的优势是：当电机完全停止时，确保电机扭矩为零。例如，小于约20rpm的电机转速可受死区支配，从而在需要时允许转速保持为零。在这样的低转速，由于转速测量中的噪声对系统修正的影响较大，因此可需要更严格的控制。由于测量或计算具有积累的误差，因此使用死区避免了零速时的小扭矩振荡。当在非常低的转速另外利用误差修正时，电机转速的误差可引起持续的小的扭矩调整，这是不必要且低效的。
在步骤304处，如果马达转速高于第一阈值，则控制器仍可保护传动装置中的最小油压。例如，当变矩器关闭时，可调节泵轮转速以保护传动装置的高优先级运转。传动装置要求泵轮转速高于能够保证足够油压的值。一般而言，这个值在300rpm至400rpm之间。当系统处于扭矩控制时，扭矩输出的不准确性可导致泵轮转速的下降。如果在步骤312处，泵轮转速低于压力阈值转速，则控制器可在步骤314处调用变速器转速保护，以增加电机输出，从而确保泵轮转速高于预定的最小泵轮转速。在又一个示例中，当泵轮转速为零时，可应用类似的转速保护来控制泵轮转速，以防止在多个控制/系统故障的事件中泵轮转速变为负。
在步骤312处，如果泵轮转速高于压力阈值转速，则即使动力传动系统处于扭矩控制模式，控制器仍可保护发动机和电机的最小怠速转速。处于扭矩控制模式的正常运转将向发动机和马达两者发送扭矩命令。然而，如果计算错误或者致动器交付不足(under-delivering)或过量交付(over-delivering)，则组合的扭矩可能处于错误的方向，这导致转速急剧下降到低于怠速，尤其是当变矩器旁通离合器打开时。当发动机正在运行且分离离合器锁止时，控制器可命令马达转速将发动机转速保持在怠速转速阈值以上。如果在步骤316处，发动机转速低于怠速阈值转速，则控制器可在步骤318处调用怠速转速保护，以增加电机输出，从而将发动机转速保持在阈值以上。
根据在此描述的方法的各个方面，当发动机开启时，控制器可防止动力传动系统转速下降到低于期望的怠速转速，在EV模式下，控制器可防止动力传动系统转速下降到低于针对传动装置压力的最小转速，在所有使用情况下，控制器可防止动力传动系统转速下降到低于零。
如果在步骤302处启用了转速控制，则在各种运转状况下，控制器可命令电机输出转速来降低动力传动系统的声振粗糙度。如果在步骤320处，车辆动力传动系统处于怠速，则针对EV模式和HEV模式两者，控制器均可调用怠速转速控制。
如果在步骤322处，发动机没有即将启动，则当发动机关闭时，怠速转速控制的前馈项可以为零。因此在步骤324处，使用电机扭矩来直接调节泵轮扭矩，例如，通过使用上面讨论的式(5)中的反馈计算，其中估计的离合器扭矩为零。
当动力传动系统以EV模式运转时，多个状况可以引起发动机启动以补充动力。例如，当车辆在EV模式下怠速运转时，低SOC可能需要发动机启动以避免SOC减小到低于预定的电荷阈值。类似地，当动力传动系统在EV模式下处于怠速时，可能需要启动发动机以向高电力负载(诸如，空调压缩机)提供电力。在另一个示例中，驾驶员加速需求的急剧增加或者踩踏加速踏板可能超过电机输出扭矩的容量。可能需要启动发动机以补充推进扭矩。然而，当发动机启动时，可能对马达产生显著的负载，并干扰系统转速。如果在步骤322处，发动机即将启动，则马达转速可斜坡增加以为抗干扰做准备。例如，通过式(4)计算出的分离离合器扭矩可用作前馈项。在至少一个实施例中，响应于发动机即将启动事件，控制器可在步骤326处命令电机转速斜坡增加。所述斜坡增加可以以具有小于预定的粗糙度阈值的变化率的转速曲线为特征。该转速斜坡增加可操作为使在发动机启动事件期间的动力传动系统输出扭矩的差异最小化。
如果在步骤320处，车辆在高于怠速的低速处于转速控制模式下，则可以有响应于变速器即将换挡而在步骤328处使用的目标电机转速输出。目标转速控制(称之为“Target-N”)是在变矩器完全打开之前变速器开始降挡时转速控制器的特殊模式。所述控制器被配置为在步骤330处将泵轮转速保持在预定的转速或者Target-N，以在换挡事件期间提供平顺的扭矩转变。在这种情况下，转速控制增益将不同于在上面讨论的怠速转速控制中使用的那些增益。Target-N需要一组激进性更小的增益，以达到保持泵轮转速从而使传动系的扭矩冲击最小化的目标。在至少一个实施例中，Target-N是在换挡事件期间使用的固定值，以命令马达转速来稳定泵轮转速。一个示例性应用为，在高于怠速的非常低的车速时的变速器降挡期间。在另一个示例中，Target-N可包括在换挡事件期间变化的转速曲线，以补偿换挡事件期间的扭矩激增。类似于本公开的其它方面，转速曲线可包括小于粗糙度阈值的变化率，以促进平顺转变。
如果在步骤328处不使用Target-N控制，则控制器可在转速控制从零恢复的情况下采用特殊状况。如果在步骤332处，转速控制恢复，则转速恢复曲线成形(profileshaping)以及单边死区控制两者均可使用。下面更详细地讨论这两个方面。
在步骤334处，控制器可根据预定的曲线命令初始转速斜坡增加，以减轻由于齿轮系统中的间隙而引起的潜在的冲击声以及由于传动系共振而引起的混乱。被称为输入成形的控制机制可以被应用到马达目标转速。转速斜坡增加速率需要被设计为能够相对于传动系统的实际属性而改变。可以使用修正或控制参数调整来调节转速斜坡增加速率和滤波，从而可实现平稳的扭矩响应。
当挡位杆首先从非动力挡位(诸如，“驻车挡”或“空挡”)切换到动力挡位(诸如，“前进挡”或“倒车挡”)时，将转速曲线应用到电机输出也可被用于协调传动装置接合。变速器油压大体上与变矩器泵轮转速成比例。期望的转速曲线可使油压快速恢复，同时仍允许传动装置控制有足够的时间接合所有的离合器。在传动装置接合完成之前，泵轮转速不宜再次上升。否则，车辆操作者会察觉到冲击感(clunking feel)。
在步骤334处，控制器还可响应于转速控制从零恢复而调用单边死区控制。在低泵轮转速，图2中所示的整个控制构架可变为禁用前馈项。在转速低于发动机怠速转速时，前馈离合器扭矩估计是不准确的，因此，所报告的发动机扭矩也可能是不准确的。在泵轮转速低于最小的发动机燃烧速度时，也可以禁止发动机启动。在这种情况下，前馈离合器扭矩估计项可造成不期望的状况，诸如，在已经命令了转速恢复时转速不期望地从零下跌至负。当马达转速低时，为了提供平稳的斜坡增加而没有导致负的泵轮转速的危险，转速控制被设计为单边的。如此，仅使用马达扭矩来使马达转速从零增加到怠速，至少增加到使转速增加为足够接近怠速转速的值。
在步骤332处，如果转速控制没有恢复，则控制器可以在步骤336处在低转速期间调用如上讨论的死区控制。在正常运转期间，转速控制器的反馈部分提供鲁棒性。然而在某些状况下，转速控制器反馈扭矩能够消极地影响车辆性能和可操控性。例如，如果在请求打开离合器时变矩器离合器故障引起离合器锁止，则可能无法达到期望的转速目标。转速控制器的反馈部分可以增大到不期望的水平。为了防止这些类型的潜在问题，可将额外的安全措施添加到转速控制系统200。图4是用于动力传动系统的包括反馈边界的转速控制系统的框图。系统400表示系统内的控制器之间的信息流，该系统采用前馈信息和反馈信息两者以及扭矩边界和转速边界两者的组合来控制动力传动系统转速。
在离合器控制402处表示了算法的前馈部分。基于来自发动机的信息404(即，输出扭矩和转速)和来自离合器的信息406(即，锁止状态、表面状态和液压压力)，确定离合器扭矩估计408(tqclc est)并作为负的反馈提供到马达控制框410。马达控制410使用离合器扭矩估计产生调节电机的转速的命令。在实践中，由于系统动态特性的变化而导致离合器扭矩估计408往往是错误的。连同离合器控制402，变矩器模型430用于产生被提供到马达控制框410的估计的离合器扭矩(tqtcc est)。
到马达控制框410的另一输入是已通过基准转速定界框434的标称基准马达转速(ωi m)432。应该注意的是，控制器、处理器或执行本系统400的其它结构可将标称基准马达转速(ωi m)432视为期望的转速。在进入转速控制时，测量的马达转速可与标称基准马达转速(ωi m)432明显不同。为了防止系统试图施加大的初始转速控制反馈扭矩，可根据下面的式(6)来对该基准转速进行定界：
Figure BDA0001609359110000141
其中，(ωr m)是基准马达转速，
Figure BDA0001609359110000142
是估计/测量的马达转速，(ωi m)是标称基准马达转速，C1是预定的最小基准转速差，C2是预定的最大基准转速差。基准转速定界434的使用确保了初始转速控制误差的大小足够小，以产生到转速控制的平稳转换。如果需要定界修正，则边界修正可以由下面的式(7)来描述：
Figure BDA0001609359110000143
其中，(ωr m，corr)是基准马达转速修正。因此在转速控制激活时，基准马达转速(ωr m)应渐进地接近标称基准马达转速(ωi m)。这能够通过使用诸如一阶滤波器的滤波器将基准马达转速修正衰减到零来实现。例如，下面的式：
Figure BDA0001609359110000144
ωr m,corr(t-t0)﹦ωr m,corr(t0)e-t/τcorr (9)
其中，t是时间，t0是进入转速控制时的时间，τcorr是转速修正时间常量。
因此，马达动态特性412严重地影响实际的电机转速输出414。并且，实际的电机输出扭矩416和实际的离合器扭矩418受电机惯量420以及车辆速度和加速度曲线422影响。应该注意的是，控制器、处理器或实现本系统400的其它结构可将实际的电机输出扭矩416视为对电机的命令以输出扭矩或命令的扭矩。测量实际的电机转速输出414并将其反馈到马达转速控制410。使用命令的电机转速424与实际的电机转速输出414之间的任何误差来修正转速命令。测量误差还包括任何电机噪声426，并被反馈到马达转速控制410以影响控制系统增益428并起到误差修正的作用。由于在正常运转期间通常不会遇到大的转速控制误差，因此转速控制器通常被优化为拒绝小至中等的转速控制误差，而大的转速控制误差可能提出明显更复杂的挑战。例如，如果比例增益过大，则转速控制反馈扭矩能够比所述系统能够作出的物理响应更快地改变，从而产生马达振荡。同样，当首次启动时，大的转速误差可以建立积分器饱和(integrator windup)。为了防止这些问题，可以通过转速差限制框436来对马达转速误差定界，该转速差限制框436具有上最大阈值438和下最小阈值440。可以根据下面的式(10)和式(11)来对马达转速误差定界。
Figure BDA0001609359110000151
ωerr,bounded＝max(C5,min(ωerr,ratelim,C6)) (11)
其中，(ωerr)是马达转速误差，(ωerr,rate lim)是比率限制的马达转速误差，(ωerr,bounded)是定界的马达转速误差，C3是预定的最小转速误差变化率，C4是预定的最大转速误差变化率，C5是预定的最小转速误差，C6是预定的最大转速误差。此处，预定的限制(C3、C4、C5和C6)可以根据运转模式而改变。例如，在EV模式期间，误差的主要来源是变矩器模型中的不确定性。由于仅预期存在非常小的扰动，所以最小误差边界和最大误差边界可能是窄的。在发动机启动期间当分离离合器扭矩估计是非常不确定的时，可以指定较大的误差边界。在使用Target-N控制的滑行换挡(coasting shift)期间，可指定中等误差边界。
接下来，边界输出在增益阶段428中乘以系数，以将角速度误差转换为扭矩。在增益阶段428之后，根据增益后限制442对所述扭矩定界。即使在转速误差在基准转速边界434和转速差限制框436中被定界时，反馈控制仍可产生大的反馈修正。为了防止这些问题，所述扭矩能够通过扭矩限制框442进行定界，该扭矩限制框442具有上最大阈值444和下最小阈值446。为了确保马达响应被保持在边界内，能够根据下面的式(12)和式(13)来限制转速控制反馈扭矩：
Figure BDA0001609359110000161
tqfb,bounded＝max(C9,min(tqfb,C10)) (13)
其中，(tqfb)是转速控制反馈扭矩，(tqfb,ratelim)是比率限制的转速控制反馈扭矩，(tqfb,bounded)是定界的转速控制反馈扭矩，C7是预定的最小扭矩变化率，C8是预定的最大扭矩变化率，C9是预定的最小扭矩，C10是预定的最大扭矩。预定限制能够根据运转模式而改变。例如，在EV模式期间，误差的主要来源是变矩器模型中的不确定性。由于仅预期存在非常小的扰动，因此最小误差边界和最大误差边界可以是窄的。在发动机启动期间当分离离合器扭矩估计是非常不确定的时，可以指定大得多的误差边界。在使用Target-N控制的滑行换挡期间，可指定中等误差边界。
这进而改善离合器扭矩估计408，以使转速命令与实际转速之间的误差最小化。整体反馈控制运转为改善动力传动系统鲁棒性和瞬态响应。
通常，控制算法的反馈部分包括对转速差异进行补偿并减小转速差异的误差修正，以改善鲁棒性。然而，反馈部分是反应性的，并且在修正中存在一些固有的时间延迟。控制算法的前馈部分预测了性能并避开了某部分的输出转速误差。当输入改变时，下游的转速输出在其出现之前被预测到。在误差出现之前，前馈控制能够对已知的马达动态特性进行一定程度的补偿，从而降低系统延迟。不管怎样，在系统响应为高度可预测时前馈控制是非常有效的。出于多个原因，离合器扭矩的预先估计可带有误差。例如，指示离合器压力的信号的丧失、控制器系统内的控制器之间的失去通信、常规信号状况差和通信延迟长都可导致离合器扭矩估计的误差。当两种控制类型被一起使用时，前馈分量有助于提供快速的系统响应，反馈分量有助于对在动力传动系统的系统模型中不可避免的误差进行补偿。本控制器的方法为控制混合动力传动系统输出提供了鲁棒的方式。
转速控制模式可应用于本公开的动力传动系统中，以改善多个特定运转状态或运转模式下的运转。图5A和图5B是方法500的流程图，示出了在各个动力传动系统运转状态或运转模式下的转速控制的模式确定的示例。
在步骤502处，基于如果动力传动系统不处于转速控制模式下，控制器分支到操作504。如果动力传动系统处于转速控制模式下，则控制器将分支到操作506A。在操作504中，如果需要转速控制，则控制器分支到操作506B，而如果不需要转速控制，则控制器分支回到操作502。
在操作506A和506B中，控制器确定标称的期望基准马达转速并分别进行至操作508A和508B。操作506A和506B的示例是图4的要素432。在操作508A和508B中，控制器执行基准转速定界。该基准转速定界可以使得转速修正衰减到零。基准转速定界的示例是图4的要素434。在操作508A和508B的基准转速定界之后，控制器进行到操作510，在操作510中控制器再次计算基准马达转速。控制器随后在操作512中测量马达转速，并在操作514中确定马达转速误差。
在操作516中，控制器对转速误差进行限制。该限制的示例是图4的要素436。一旦转速误差被定界，控制器便在操作518中确定转速控制反馈修正扭矩。其示例是增益框(图4的要素428)。随后控制器在操作520中对马达反馈修正扭矩进行限制。将限制施加到马达反馈修正扭矩的示例是图4的要素442。随后控制器在操作522中估计克服变矩器负载所需的前馈扭矩并进行到操作524并估计前馈分离离合器扭矩估计。前馈分离离合器扭矩估计的示例是图4的要素408。随后，控制器在操作516中确定最终马达扭矩命令并循环回到开始。确定的最终马达扭矩命令的示例是图4的要素416。
本公开提供了可以使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现的代表性控制策略和/或逻辑。正因如此，在此示出的各个步骤或功能可以以示出的序列执行、并行地执行或在某些情况下被省略。尽管并不总是明确地示出，但本领域的普通技术人员将认识到，根据使用的特定的处理策略，可以重复执行一个或更多个示出的步骤或功能。同样地，处理的顺序不一定需要取得在此描述的特点和优点，而是为了便于说明和描述才被提供。
所述控制逻辑可主要在由以微处理器为基础的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器执行的软件中来实现。当然，根据特定应用，所述控制逻辑可以在一个或更多个控制器中的软件、硬件或软件和硬件的组合中来实现。当在软件中实现时，所述控制逻辑可被设置在一个或更多个计算机可读存储装置或介质中，所述计算机可读存储装置或介质具有代表由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的存储数据。所述计算机可读存储装置或介质可包括利用电、磁和/或光学存储以保持可执行指令和相关的修正信息、操作变量等的多个已知物理装置中的一个或更多个。或者，所述处理、方法或算法可以使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来整体地或部分地体现。
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权利要求所涵盖的所有可能的形式。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，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如之前所描述的，可组合各个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或在一个或更多个期望的特征方面优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定应用。

Claims (15)

1.一种车辆动力传动系统，包括：
发动机和电机，通过离合器连接；
变矩器，被配置为将电机连接到输出轴；
控制器，被配置为：改变所述电机的扭矩输出以减小所述变矩器的期望的转速与实际转速之间的差，并且根据动力传动系统运转来改变限制所述差的最大值的阈值。
2.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：响应于动力传动系统运转是即将到来的发动机启动事件，将所述阈值设置为最大范围并命令电机增大所述扭矩输出。
3.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：响应于动力传动系统运转是即将到来的车辆停止，将所述阈值设置为最小范围并命令电机减小所述扭矩输出。
4.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：响应于动力传动系统运转是仅经由电机进行推进，将所述阈值设置为最小范围。
5.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：响应于变速器降挡，将所述阈值设置为标称范围并命令电机输出扭矩以在离合器的分离期间将变矩器朝着预定的转速驱动。
6.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：将从期望的转速获得的期望扭矩限制到基于动力传动系统运转的范围。
7.如权利要求6所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：响应于动力传动系统运转是即将到来的发动机启动事件，将所述范围设置为最大范围。
8.如权利要求6所述的车辆动力传动系统，其中，控制器还被配置为：在车辆行驶仅由电机推进期间，将所述范围设置为最小范围。
9.一种混合动力传动系统控制方法，包括：
通过控制器，
操作电机以输出期望的转速，所述期望的转速基于扭矩估计；
响应于与电机连接的变矩器的期望的转速与实际转速之间的差而改变电机输出，以减小所述差；以及
根据混合动力传动系统的运转模式来改变限制所述差的范围的阈值。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：响应于所述运转模式是即将到来的发动机启动事件，将所述范围设置为最大的。
11.如权利要求9所述的方法，还包括：响应于所述运转模式是即将到来的车辆停止，将所述范围设置为最小的。
12.如权利要求9所述的方法，还包括：在车辆行驶仅由电机推进期间，将所述范围设置为最小的。
13.如权利要求9所述的方法，还包括：响应于所述运转模式从非动力挡位转换到动力挡位，将所述范围设置为标称范围。
14.一种用于车辆动力传动系统的控制系统，包括：
控制器，被配置为：响应于与电机连接的变矩器的期望转速与实际转速之间的差而操作电机，以减小所述差；并且
根据车辆动力传动系统的运转模式而改变限制所述差的最大值的阈值。
15.如权利要求14所述的控制系统，其中，所述控制器还被配置为：响应于变速器在车速小于速度阈值时降挡，将所述阈值设置为标称范围。
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