CN1103839A - 采用最小脉宽对车辆传动系进行控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用最小脉宽控制车辆传动系的方法和设备，用脉 冲调频控制由电磁阀28控制的液压致动器22制动 和离合器10。对于所有占空因数的短脉冲周期是由 来自阀28或致动器22的反馈产生。在一电路中， 控制器30触发触发器38而启动螺线管电流。螺线 管移动导致反电势，检测其对磁通或电场影响作为触 发器复位的反馈信号。同时计算机发出某一脉冲周 期指令。监视致动器压力或位置以产生反馈信号。 用致动器响应幅度与阀值比较来实现脉冲周期最小 化。

Description

本发明涉及对机动车扭矩传递装置的控制，尤其涉及借助电力操纵的液压执行机构进行这种控制的方法和设备。

近年来，人们对机动车的传动系统的控制，特别是对大卡车的传动系统自动化方面的关注正日益增长。在小客车和轻型卡车中使用自动变速器是众所周知的。这种车辆的一般自动传动系采用了带有液压起动的离合器的液力变矩器和齿轮系以及用于选择发动机轴与驱动轮之间的最终传动比的制动器。这种齿轮系的选择是基于发动机速度，车辆速度等等的。用于重型卡车另一种传动系应用自动摩擦离合器来取代液力变矩器。这种传动系及其离合控制进一步描述于美国专利申请S.N.772，204（该申请于1991年10月7日提交，名称为“自动离合器的闭路起动和蠕变控制”）以及于1991年10月7日提交，题为“用Robust算法的自动离合器闭环起动与蠕动控制”的S.N772778，该两申请已转让给本发明的受让人。

用于控制这种传动系中各种制动器和离合器的普通技术是借助一种液压致动机构，通常是液压的但也可为气压的，该机构是由一液压源通过由电子控制操纵的电磁阀供给液体的。这种控制为在啮合和分离状态间的瞬变期间，获得平滑和有效的扭矩转移而确定启动率。更具体地说，这类控制使用脉宽调制去确定致动率;以固定频率发射脉冲同时脉宽是与所需占空因数成比例地变化。因此快速致动是由大的脉冲宽度提供的。这种控制方式的一个结果是每个大的脉宽引起致动器的大增量移动致使在需要中等或大致动率的场合不可能得到细微变化或平稳移动。再者，慢致动要求甚小的脉宽。如予设定一个为确保足以引起致动的最小起动宽度，则就会大于所需最小脉宽。否则，有必要从近乎零脉宽开始在每个产生时延的列表脉冲加大脉宽直到获得有效脉宽为止。当这种时间延迟施加到闭环控制时能引起不稳定。

因此，本发明的一个目的是通过可分辨的最精细控制法去平稳地控制车辆传动系统或其他力矩发送装置中的制动和离合操作，从而防止大的致动增量。

本发明建议的一种较好控制方式是采用脉冲频率调制，其脉宽始终是小的而变化其频率以产生所需占空因数。小脉宽导致致动器移动的小增量。为获得最平稳的操纵，最好选择该设备将提供的最小脉宽或脉冲周期。

本发明还建议采用改进了的脉宽调制的控制法，即选择对应最小占空因数的可能最小的脉宽。

为确保最小实际脉宽的实现和系统响应每个脉冲，还提出检验对每个电脉冲的响应。那时系统能确认脉冲不是太小或能通过检验反馈控制该脉宽。检验响应的一种方式是检测螺线圈衔铁或电磁阀移动时，由于移动改变了场通量所引起在电磁阀线圈中产生的反电势。该反电势是通过螺线圈衔铁中的一个单独线圈，或通过探测螺线圈起动电流的变化来检测的。为检验对螺线圈驱动脉冲的响应的另一方式是探测致动器的移动或探测致动器压力的变化。

为产生其长度刚好足以保证电磁阀动作的短脉冲的硬件技术是起动一个脉冲信号，通过该信号接通一螺线管驱动器（solenoid driver），检验该响应，并当接收到该检验时关断该驱动器。这样该脉冲将具有最小周期，还肯定动作。在此情况下最好探测反电势来检验该响应;该检测是同时发生而且执行是简单的。

在将基于微计算机的电路用于控制螺线管的场合，用于产生短脉冲的软件技术是有用的。产生一个具有起动编程周期的脉冲并加到螺线管;管该脉冲不足以触发一个检验信号，则对下一脉冲增大脉冲周期，以此类推，直至响应发生。该脉冲周期一旦足以产生响应，就将该周期用作后继脉冲的周期。将响应幅度同一阈值相比较，一旦超过阈值，便减小脉冲周期。在本实施例中，该检验最好采用致动器位置或压力探测。

从以下结合附图的说明中将会更明白本发明的上述和其他优点，附图中相同标号表示相同部件，附图中：

图1和2是分别显示脉宽调制效果和脉冲频率调制效果的压力增大曲线图;

图3是根据本发明的传动系统控制的方块图;

图4和5是供图3控制所用的电路原理简图;

图6是根据本发明的另一实施例的传动系统控制的方块图;

图7是表示图6控制所用的计算机程序的流程图;

图8是实施本发明的脉宽调制控制所用的电路原理;

图9是图6电气控制的概略原理图;以及

图10是应用图6控制的计算机程序和图7对脉宽调制控制的程序流程图。

对传动系统控制的以后说明是基于一种用自动摩擦离合器作为对齿轮组的输入的控制实例，但本发明同样可应用于采用液压启动制动或离合以有效控制力矩传动系场合的其他传动系装置。该说明是按照压力增大来表达的，但压力减小是以相同方式可控制的。术语“扭矩传递装置”有时用于指制动器或离合器。

图1和2是分别显示脉宽调制效果和脉冲频率调制效果的压力增大图。该调制后信号接通和关断电磁阀，对时间的百分数表达为占空因数。每个脉冲在脉冲持续期维持阀启动力不变。总的压力增长率取决于螺线管的占空因数而且对各种情况均相同。就脉宽调制而言，脉冲以固定频率出现而宽度从低占空因数的短脉冲到较高占空因数的较长脉冲而不同。由于对脉冲宽度有一个实际的下限，在较高占空因数下的宽度也有一个最小值;亦就是说，若最小宽度出现在1%占空因数下，则50%占空因数下的宽度一定是最小宽度的50倍。如图1所示，中等占空因数在压力递增时产生大阶跃，导致粗的分辨率。较高占空因数导致较大的阶跃尺寸和相同的递增频度。

脉冲频率控制采用均匀的脉冲宽度并为改变占空因数而改变频率。如图2所示，为获得小的压力增量，选择小的脉冲宽度和使脉冲宽度或周期在所有频率下均大致相等。为得到高的占空因数，采用高频。结果是压力变化的平滑精细的分辨率使传动系功能的控制得以改善。

用3示出一种用电控制的摩擦离合器10，该离合器将发动机12连接到驱动车轮16的齿轮组14。实际可包含许多板的离合器10被画成一个固定板18和一个可移到固定板与其啮合的可动板20。致动器22借助控制杆24控制可动板20的位置。致动器包括一个由液压源26通过电磁阀28供给的气动或液力线性电动机。致动器运动或力的小变化取决于以小增量将液体导入致动器。电气控制器30在油门踏板32的影响下确定离合器10的所需动作并产生脉冲频率调制信号以实现将获得适当离合动作的电磁阀的占空因数。线34和36耦连电气控制器30和电磁阀28。

为获得脉冲频率调制方法的全部好处，脉冲宽度应按照螺线管要求尽可能地小;也就是说，该脉冲必须不是如此之短，以致电磁阀不响应每个脉冲。用于确保脉冲周期之长度刚好是以起动电磁阀的技术方案包括：给螺线管供以励磁电流，通过探测螺线管衔铁或阀的移动产生一反馈信号，然后再终止该电流。这样阀的启动得到了保证而脉冲不会超出最小启动时间以外。这里介绍两种实现这种作用的电路。

用于最小脉冲周期控制的一种电路示于图4中。电气控制器30的一部分包括一个D触发器38，其数据输入端连接到一个恒定电压源V+，其时钟输入端耦合到用于占空因数控制的频率控制信号，而其Q输出端连到驱动器FET40的栅极。电磁阀的螺线管线圈42的一侧连接到电压V+，而另一侧通过线34连到FET40，以致螺线管电流的脉冲周期与Q输出端的相同。线圈42被缠绕和定位于铁芯44和可动衔铁46（耦合至电磁阀，未示出）上，以响应铁芯内的磁通量。衔铁移动产生磁通变化，这在线圈42中作为反电势反映出来。铁芯44上的传感器绕组48也响应该磁通变化，以产生对应于反电势的信号。绕组48通过二极管50耦合到触发器38的复位端。二极管50的各侧通过电阻52和54接地。操作时，加到时钟输入端的输入脉冲触发触发器操作，使Q输出端变为高电平而FET至导通。通过绕组42的电流使得衔铁46的移动和在传感器绕组48中由此产生的反电势将一个信号加到触发器的复位端，终止Q输出和通过线圈42的电流。此时加到时钟输入端的输入脉冲必须短于Q输出的周期。

用于最小脉冲周期控制的每二种电路示于图5并与前述电路一样采用D触发器38和FET40，以启动通过线圈42的电流，但是不采用单独的传感器绕组去检测由反电势引起的线圈电流变化。不需要将控制器30同电磁阀相连接的第二根线36。FET40通过电阻56接地。反向放大器58，有其连接在电阻56两端的输入端和通过微分电路接地的输出端，该微分电路包括串联电容器60和电阻62。该电阻和电容的接点被连到触发器38的复位端。耦连电阻上的箝位二极管64防止电压信号比接地电位以下的一个二极管压降更低。该操作是由通过电阻56的电流波形66示出，微分器电压波形68加到复位端。线圈电流是由至触发器38时钟输入端的很短脉冲起动。当线圈电流66上升时放大器产生一个负信号，该信号在微分器内被箝位于一个小值。当衔铁移动引起小的反电势信号时，电流被减小，同时微分器通过产生波形68中足以复位触发器38的正脉冲而快速响应。由此产生的FET状态的变化使线圈电流继续其减小直至零电平。正如图4电路一样，启动脉冲宽度的阀将是为可靠操作电磁阀所必需的最小宽度而且是对于使用高达100%占空因数所需频率范围而言的最小值。

图6示出用于控制离合器致动器的另一系统，在该电路中使用了基于微计算机的控制器。传动系10-16与图3系统的相同，而且致动器22，电磁阀28，压力源26和油门控制器32也是一样的。然而，电气控制器30′是以计算机为基础的，并为产生启动电磁阀所需最小脉宽而执行一程序和为确定获得所需占空因数所要求的脉冲频率而执行另一程序。控制器30′需要检验阀动作的信息。该信息是通过响应至允许液体进入致动器的起动参数来提供的。该参数由机械耦合到致动器22或离合器10的位置传感器70产生，该传感器检测致动器或离合器的移动，并给控制器30′发出一反馈信号。另一方面，以虚线示出的压力传感器72被耦合至致动器22，感测启动器中的压力变化并给控制器30′发送反馈信号，当按照脉冲命令接收到位置或压力反馈信号时，即证实电磁阀已动作。然后该反馈信号可用于表示脉冲命令已被成功执行。此处来自控制器的脉冲信号给出一个脉冲周期指令。最初，将一予编程值设置为脉冲周期。若不出现反馈信号则对下一脉冲选择较长周期，以此类推直至该周期大到足以可靠操作螺线管。

图7的流程图示出用于控制操作和确定脉冲周期的一个示范性最小脉冲发生器程序78。每个脉冲的频率或定时由控制器30′单独确定并对每个脉冲事件产生一次中断。第一步80是将值Pmin初始化成予期对螺线管启动足够大或足够接近的周期Pi。在步骤82，设置脉冲周期等于值Pmin以致当产生脉冲时，其具有周期Pmin。在步骤84，识别接收到中断，然后在步骤86，该程序等待一段短时间，例如20ms，足以使系统能响应阀启动。若在设定时间期满时，未接收到反馈响应（步骤88），则在步骤90增大脉冲周期Pmin，以致在下一脉冲事件将应用较长脉冲，然后重复步骤82-88。如在步骤88判定接收到反馈时，则在步骤92将位置或压力响应幅值与一个阀值相比较。若该响应未超过阈值，则连续产生脉冲而不再改变脉冲周期Pmin，但若该响应超出阈值，则在步骤94对下一脉冲减小最小脉冲宽度值Pmin。借助于该程序，每当脉冲周期不足以成功启动电磁阀时，便增大脉冲周期直到找到适当值，而一旦脉冲周期增大过多，便被减小。因此，保证了该脉冲既有足以启动电磁阀的宽度又使其不会显著增大至最小有效值以上。

因此可见：在车辆功率传递系统的扭矩传递装置中可充分利用脉冲频率调制的种种优点，而且为实施可利用若干种技术方案。该脉冲频率调制使能用很短脉冲操作螺线管，这操作导致致动器压力和因而离合器或制动器位置的平稳变化并进而导致能进行较高程度控制的精细分辨率。

为确保最小有效脉冲的该性能对于以甚低占空因数操作脉宽调制系统同样有用。利用该最小脉冲致动法当存在小的控制误差时可获得最精细的控制分辨率，而在它们出现时较高占空因数的较大脉冲宽度取代了这些最小值。

图8示出对适用于图4或图5电路的脉冲宽度调制的硬件途径。来自控制器96的脉宽调制信号被加到触发器38的时钟输入端和或门98的一个输入端。触发器的Q输出端也耦连到或门输入端使得或门输出是在周期或Q输出周期上的较长调制信号。该或门输出为操作螺线管驱动器从而操作电磁阀而被连接，而至触发器复位端的反馈确保了当电磁阀一发生移动便终止Q输出（如上所述）。这样，当来自控制器96的脉宽输入极短时，触发装置保证电磁阀在此最短可能的时间内动作，但若该输入为较长时间脉冲时，电磁阀便要经历较长时间才被启动。

对于图6设备中所应用的脉宽调制的软件途径，最好通过了解如图9所示的控制器30′的组成而会更好理解，控制器30′包括基于计算机的控制或调节器100和通过线104和106互连的定时器102。该软件常驻在调节器内，后者将该基准值与反馈信号相比较以确定一个误差并在线104上建立一个脉宽信号，以最好与最大限度地减小或消除误差相配。定时器102在调节器100发出指令时，便发出带有脉冲宽度的固定频率下的脉冲。在每个输出脉冲起始点由定时器在线106上产生一中断信号。在调节器100中，执行图10的软件程序110。第一步112是为校正误差而确定脉宽命令PW。然后在步骤114，判定命令PW是否小于起始常数Pi加某一小增量△值。△是为保证在命令Pw过小而不能可靠启动电磁阀时要计算最小可靠脉冲周期而选择的。若Pw小于Pit△，则类似于图7的程序78′便运行，以更新最小可靠脉冲宽度值。程序78和78′之间的唯一差别在于步骤82中对程序78′将脉冲周期设定为PmintPw。这样输出脉冲便是最小保证值Pmin+Pw。若在步骤114中，命令Pw不小于Pit△，则设定Pout值等于Pw+Pmin。该Pmin值变成一个偏差值，当该值在步骤116，与Pw结合时产生随Pw增大的Pout的线性变化，一旦从程序78′变至步骤116，在脉宽计算方面不存在不连续性。

因此脉冲宽度调制和脉冲频率调制两者在某种意义上均有利于对小的命令脉冲的控制以确保脉冲不致过小而不能有效进行阀控制，同时又保证其不是无益的大。

本发明上述诸实施例中的独占的权利由所附权利要求书来确定。

Claims (25)

1、在用于从车辆发动机(12)至车轮(16)传递扭矩的设备中，一个扭矩传递装置10在电子控制下经由液压启动，一个控制装置包括：

液压源(26)；

响应液体压力，用于启动扭矩传递功能的致动装置(22)；

受控于电输入信号34用于从源(26)将液体耦合至致动装置(22)的电磁阀装置(28)；

电气装置(30)，该装置耦合到电磁阀装置(28)，用于产生脉冲频率调制信号，该信号具有一短的开脉冲用以在最小阀打开时间内启动阀装置(28)，从而允许液体以小增量导入致动装置(22)；和

其中电气装置(30)包括用于检验阀启动的装置。

2、如权利要求1所述设备，其中每个脉冲提供阀启动力而且其中：所述电气装置（30）包括用于维持阀启动力直至阀启动被证实的电路。

3、如权利要求1所述发明，其中用于证实阀启动的装置包括响应阀移动的装置。

4、如权利要求1所述发明，其中所述的开脉冲周期基本相等而且该周期长度是刚刚足以有效启动阀，而且其中电气装置（30）包括对脉冲的频率控制，以执行一个所需的阀启动占空因数。

5、如权利要求1所述发明，其中阀启动是靠开脉冲起动而且其中电磁阀装置28在阀启动后产生一反电势信号;和

用于检验阀启动的装置包括响应反电势信号用于终止阀启动的电路。

6、如权利要求1所述发明，其中电气装置包括：

基于计算机的控制器（30′），用于在致动器响应过程中提供足以引起小增量的予定宽度的脉冲;

用于检验阀启动的装置包括用于响应液体的导入检测致动器参数并产生一反馈信号的反馈装置;和

基于计算机的控制器（30′）被耦合到反馈装置并包括一旦未接收到反馈信号时用于递增所提供脉冲的宽度的装置。

7、如权利要求6所定义的发明，其中反馈装置包括耦合到致动器（22）的位置传感器（70），用于响应致动器位移而产生反馈信号。

8、如权利要求6所定义的发明，其中反馈装置包括耦合到致动器（22）的压力传感器，用于响应致动器压力变化而产生反馈信号（72）。

9、在用于从车辆发动机（12）至车轮（16）传递扭矩的设备中，一个扭矩传递装置（10）在电气控制下由液压启动，一个控制器包括：

液压源（26）;

响应液压的致动装置（22），用于启动扭矩传递功能;

电磁阀装置（28），受控于电输入信号（34），用于将液体从源耦合到致动装置;

耦合到电磁阀装置（28）的电气装置（30），用于产生一脉冲调制信号，该信号有一个开脉冲，以在最小阀开启时间内启动阀装置28，其中每个脉冲提供阀启动力;和

电气装置30，包括用于检验阀启动的装置。

10、如权利要求9所定义的发明，其中所述电气装置30包括用于维持阀启动力直到阀启动被证实的电路。

11、如权利要求9所定义的发明，其中所述信号是脉宽调制信号;以及

电气装置30包括用于维持阀启动至少直到开脉冲终止的装置。

12、如权利要求9所定义的发明，其中开脉冲的宽度取决于所需阀启动占空因数，和其中

电气装置30包括对脉冲的宽度控制器，以实现所需阀启动占空因数。

13、如权利要求9所定义的发明，其中电气装置包括：

基于计算机的控制器（30′），用以提供足以在致动器响应上引起小增量的最小宽度的脉冲;

用于检验阀启动的装置包括响应液体的导入检测致动器参数并产生一个反馈信号的反馈装置;和

基于计算机的控制器（30′）被耦合至反馈装置并包括一旦未接收到反馈信号时递增所供脉冲之宽度的装置。

14、在具有电子电路，用于通过液体压力启动传动系的传动系统中;一个控制器包括：

液压源（26）;

响应液体压力用于启动传动系功能的致动装置（22）;

电磁阀装置（28），受控于电输入信号（34）用于将液体从源（26）耦合到致动装置（22）;

一个电路，包括脉冲发生器，用以产生脉冲频率调制信号，一个响应该信号的启动电路，用于将启动电流供给电磁阀装置（28），和耦合到启动电路并响应由螺线管移动所引起的反电势而终止启动电流的复位装置。

15、如权利要求14所定义的发明，其中所述启动电路是响应所述信号的每个脉冲用于将启动电流供给电磁阀装置（28）。

16、如权利要求14所定义的发明，其中所述启动电路包括触发电路（38），该触发电路被设定成响应所述信号而处于开状态并具有复位功能;以及

所述复位装置被耦合到触发电路（38），用于将触发器（38）重新置位于关状态而产生一复位信号。

17、如权利要求16所定义的发明，其中复位装置包括耦合到电磁阀装置（28）的线圈（42），用以检测反电势和产生一复位信号。

18、如权利要求16所定义的发明，其中所述复位装置包括一电流传感电路，该电路受控于启动电流并响应反电势效应产生一复位信号。

19、在自动车辆中通过液压致动器（22）控制扭矩传递装置的方法，其中致动器（22）由电磁阀（28）耦合到液压源（26），该方法包括以下步骤：

将一脉冲调制信号加到电磁阀（28），以便脉冲式启动阀;

一旦每个阀启动便产生一反馈信号;以及

控制该脉冲周期，以使该周期最小化，并通过反馈信号检验该周期是否足以启动阀。

20、如权利要求19所定义的发明，其中产生反馈信号的步骤包括检测由于阀移位而在该电磁阀（28）中产生的反电势。

21、如权利要求20所定义的发明，其中所述信号为脉冲频率调制信号，以及控制脉冲周期的步骤包括一旦接收到反馈信号便终止脉冲的步骤。

22、如权利要求19所定义的发明，其中所述信号为脉宽调制信号，控制脉冲周期的步骤包括由一宽度受控的命令信号起动该脉冲并在一接收到反馈信号便结束该脉冲和终止命令信号。

23、如权利要求19所定义的发明，其中控制脉冲周期的步骤至少包括初始产生一短周期脉冲，和若阀启动未得到反馈信号证实时，对后继脉冲递增脉冲周期。

24、如权利要求23所定义的发明，其中产生反馈信号的步骤包括检测由阀启动引起的液体致动器（22）的移动。

25、如权利要求23所定义的发明，其中产生反馈信号的步骤包括检测由阀启动引起液体致动器22中的压力变化。