CN113415282A - 一种混合动力汽车扭振主动控制系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

一种混合动力汽车扭振主动控制系统实现方法，属于汽车扭振控制技术领域，建立双质量飞轮的力学模型在拉普拉斯域的传递函数，构造出混合动力扭振主动控制系统的力学模型在拉普拉斯域的传递函数，进一步联立前述两个传递函数求解出电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数，进一步基于IIR滤波器设计理论，通过双线性变换法或脉冲相应不变法，将电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数转换为z域的系统函数。本发明通过控制电机输出实时的扭矩分量，抵消传动系统上的扭振响应。

Description

一种混合动力汽车扭振主动控制系统及设计方法

技术领域

本发明属于汽车扭振控制技术领域，具体涉及一种混合动力汽车扭振主动控制的方法。

背景技术

汽车动力传动系统的扭振是导致汽车产生振动和噪声的主要源头之一，随着人们对美好生活的向往，用户对汽车的振动和噪声水平不断提出更高的要求。各大汽车厂商的NVH工程师也在不停的研究更有效控制汽车动力传动系统扭振的方式，在传统的内燃机动力传动系统扭振控制方面已迭代出单质量飞轮、扭转减振器、双质量飞轮等技术，扭振隔振率也逐渐提高到85％以上的水平，但是笨重的飞轮给汽车轻量化、油耗等指标带来了挑战。汽车保有量持续增加伴随着石油能源危机和污染物排放的压力，发展混合动力汽车成为汽车厂商在未来相当长的一段时间内的方向。与传统内燃机动力系统相比，混合动力系统多了至少一个电机做为动力源，电机的可编程控制、高动态响应的特性给扭振控制带来了全新的思路。

机械减振系统是以阻尼、刚度元器件作用于质量，本质是机械减振系统产生一种规律变化的力作用于质量上，改变质量的运动响应，运动响应常用位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度等进行描述。对机械减振系统建立运动方程分析其减振原理，很容易得到运动响应同力之间的传递函数。在工程实际应用中，也经常用传递函数来描述系统。进一步从信号与系统的角度分析该传递函数代表的系统的特点，以力和运动响应作为系统的输入信号和输出信号，发现该系统就是让输入信号中的频率分量有选择性的通过得到输出信号。所以从信号与系统的角度来看，机械减振系统就是一种滤波器系统。工程实践证明前述提及的双质量飞轮系统，在抑制动力传动系统的扭振方面，表现的就是一种低通滤波器系统的特性。

公开号CN109219545A的中国发明专利申请“混合动力车辆的控制方法以及混合动力车辆的控制装置”公开一种混合动力车辆的控制方法包含：转速控制用扭矩计算工序，基于针对发电机的转速指令值和发电机的转速检测值而对扭矩指令值进行计算，根据扭矩指令值而对发电机进行控制。在转速控制用扭矩计算工序中，利用模型匹配补偿器，基于对转速检测值实施利用低通滤波器的滤波处理所得的值和转速指令值，对使得发电机的扭矩响应与预先设定的规范响应一致的基本扭矩指令值进行计算。利用包含由模拟发电机的动力传递系统得到的控制对象模型的逆系统和外部干扰观测器滤波器构成的传递函数在内的外部干扰观测器，基于转速检测值而对输入至动力传递系统的外部干扰扭矩进行计算。并且，基于基本扭矩指令值和外部干扰扭矩而对所述扭矩指令值进行计算。

通过某种形式主动产生规律变化的力作用于研究对象同样可以起到减振的作用。不难想到，针对混合动力汽车，控制电机输出规律变化的扭矩作用在动力传动系统上，即可实现对动力传动系统的扭振进行主动控制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种混合动力汽车扭振主动控制系统设计方法，其核心思想是设计一种控制系统，控制电机输出实时的扭矩分量，使得动力传动系统在这种扭振主动控制方法下的运动响应同双质量飞轮控制方法下的运动响应完全相同，这意味着扭振主动控制方法和双质量飞轮控制方法有着同样的传递函数，联立这两个传递函数求解出能描述该控制系统的传递函数，进一步给出该控制系统的系统函数。IIR数字滤波器系统设计是选择一种模拟滤波器系统的传递函数做为原型，然后按照双线性变换法或脉冲相应不变法将模拟滤波器系统的传递函数从拉普拉斯域转换到z域，得到IIR数字滤波器的系统函数，从而实现了IIR数字滤波器系统的设计，根据双质量飞轮控制系统的传递函数求解出扭振主动控制系统的“原型”，进一步按照IIR数字滤波器理论，实现混合动力汽车扭振主动控制系统的设计。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种混合动力汽车扭振主动控制系统实现方法，包括步骤：根据双质量飞轮的相关参数，建立双质量飞轮在拉普拉斯域的传递函数H₁(s)，传递函数H₁(s)描述双质量飞轮中副飞轮的角位移同发动机扭矩之间的传递关系；根据电机相关参数建立混合动力扭振主动控制在拉普拉斯域的传递函数H₂(s)，传递函数H₂(s)描述电机转子的角位移同发动机扭矩之间的传递关系；使传递函数H₂(s)同传递函数H₁(s)等效，得到电机扭矩同发动机扭矩之间在拉普拉斯域的传递函数H(s)，传递函数H(s)描述电机扭矩同发动机扭矩之间的传递关系；将拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)，该系统函数H(z)主动控制混合动力汽车扭振。

进一步地，发动机扭矩T_in(s)与电机扭矩T_mot(s)满足关系：T_mot(s)＝H(s)T_in(s)。

进一步地，由双质量飞轮的转动惯量、刚度、阻尼，以及负载的刚度、阻尼确定系数，建立的双质量飞轮的传递函数H₁(s)，H₁(s)为关于变量s的4阶多项式：

由电机转子的惯量、负载的阻尼、刚度等参数决定系数，建立混合动力扭振主动控制的力学模型在拉普拉斯域的传递函数H₂(s)：

其中，H(s)为电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数。令H₁(s)＝H₂(s)，得到电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)：

H(s)是关于变量s的4阶多项式，其系数由双质量飞轮的惯量、阻尼、刚度，电机转子惯量、以及负载的阻尼、刚度决定。根据所述H(s)的系数利用双线性变换法或脉冲相应不变法计算得到系统函数H(z)对应的系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄和d₁,d₂,d₃,d₄，将电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)：

得到数字滤波器的系统函数，从而实现了IIR数字滤波器系统的设计，根据双质量飞轮控制系统的传递函数求解出扭振主动控制系统的“原型”，实现混合动力汽车扭振主动控制。

本发明还提出一种混合动力汽车扭振主动控制系统，其特征在于，包含：发动机、电机，由z域的系统函数

描述的数字系统，控制发动机扭矩和电机扭矩，主动控制混合动力汽车扭振，其中，系统函数H(z)的系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄和d₁,d₂,d₃,d₄，根据电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)的系数利用双线性变换法或脉冲相应不变法计算得到。

本发明是充分利用电机的可编程控制、高动态响应的特性，设计出了根据发动机的实时扭矩控制电机输出实时扭矩的系统，系统函数H(z)。能控制电机实时输出规律变化的扭矩分量，恰到好处的抵消发动机实时输出的扭矩分量，从而同双质量飞轮一样抑制动力传动系统上的扭振响应。相比双质量飞轮控制方法，本发明以一种全新的方式实现了对动力传动系统的扭振控制，替代了笨重的机械减振系统，在解决NVH问题的同时对混合动力汽车的轻量化、油耗、动力性等属性更友好。

附图说明

图1是双质量飞轮的工作原理示意图；

图2扭振主动控制系统的工作原理示意图；

图3电机扭矩控制系统的系统函数的信号传输示意图；

图4系统函数H(z)的频率响应；

图5系统函数H(z)的零极点分布图；

图6扭振主动控制系统实施效果图。

本发明各系统函数及公式中涉及的符号及变量的含义如下：

J₁——双质量飞轮副飞轮的转动惯量

J₂——双质量飞轮主飞轮的转动惯量

J——电机转子的转动惯量

K——双质量飞轮弹簧的刚度

R——双质量飞轮的阻尼

K_x——负载的刚度

R_x——负载的阻尼

θ₁(s)——副飞轮的角位移的拉普拉斯变换

θ₂(s)——主飞轮的角位移的拉普拉斯变换

θ(s)——电机转子的角位移的拉普拉斯变换(扭振主动控制方法下)

s——拉普拉斯变换的传递函数变量

z——z变换的系统函数变量

T_in(s)——发动机扭矩的拉普拉斯变换

T_mot(s)——电机扭矩的拉普拉斯变换

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面针对附图和具体实例对本发明的实施作进一步详细描述，以下实例仅限于对本发明的理解，不用于限定本发明的保护范围。

首先简单介绍一下双质量飞轮的扭振隔振，图1是双质量飞轮的工作原理力学分析示意图，建立双质量飞轮的力学模型，进一步以代数参数的形式，根据双质量飞轮主飞轮的转动惯量J₂、主飞轮的角位移的拉普拉斯变换θ₂(s)、副飞轮的角位移的拉普拉斯变换θ₁(s)、双质量飞轮弹簧的刚度K、发动机扭矩的拉普拉斯变换T_in(s)、双质量飞轮弹簧的刚度K、负载的刚度K_x、负载的阻尼R_x，分别针主飞轮和副飞轮建立运动方程：

由此得出传递函数H₁(s)：

记

该传递函数表征双质量飞轮的副飞轮的角位移同发动机扭矩之间的函数关系。

即由双质量飞轮的阻尼、刚度等参数决定其系数，建立双质量飞轮的力学模型在拉普拉斯域的传递函数H₁(s)：

H₁(s)的分子的形式是关于变量s的1阶多项式，。H₁(s)的分母的形式是关于变量s的4阶多项式，其系数由双质量飞轮的惯量、阻尼、刚度，以及负载的阻尼、刚度等参数决定。

由电机转子的惯量、负载的阻尼、刚度等参数决定系数，建立混合动力扭振主动控制的力学模型在拉普拉斯域的传递函数H₂(s)：

H₂(s)的分子的形式与电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)相关，H₂(s)的分母的形式是关于变量s的2阶多项式。

如图2所示是本发明提出的扭振主动控制方法的工作原理力学分析示意图。根据电机转子的转动惯量J、负载的刚度K_x、负载的阻尼R_x、电机转子的角位移的拉普拉斯变换θ(s)、发动机扭矩的拉普拉斯变换T_in(s)、电机扭矩的拉普拉斯变换T_mot(s)，同样以代数参数的形式，直接在拉普拉斯域针对电机转子建立运动学方程：

由此，得到传递函数H₂(s)：

记

该传递函数表征电机转子的角位移同发动机扭矩之间的函数关系。

在双质量飞轮控制扭振的方法中，是双质量飞轮的副飞轮同变速器输入轴直连，变速器输入轴的角位移即等于双质量飞轮的副飞轮的角位移。而采用本发明提出的扭振主动控制方法，是电机转子同变速器输入轴直连，变速器输入轴的角位移即等于电机转子的角位移。令双质量飞轮传递函数与主动控制系统传递函数等效，即H₁(s)＝H₂(s)，即表示本发明提出的扭振主动控制方法可以起到同双质量飞轮完全一样的抑制扭振的效果，据此可得出发动机扭矩控制电机扭矩的系统传递函数H(s)：

传递函数H(s)描述的系统就是扭振主动控制系统的“原型”。根据发动机实时扭矩信号T_in控制电机输出实时扭矩T_mot即可起到同双质量飞轮完全一样的抑制扭振的效果。H(s)的形式是关于变量s的4阶多项式，其系数由双质量飞轮的惯量、阻尼、刚度，电机转子惯量、以及负载的阻尼、刚度等参数决定。

令：

进一步简化，得到电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)：

按照公知的双线性变换法或脉冲相应不变法，将电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)。

其中，H(z)的分子和分母的形式均是关于z变换的系统函数变量z^-1的4阶多项式，其系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄和d₁,d₂,d₃,d₄由a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅根据双线性变换法或脉冲相应不变法计算得到。其中，H(z)的分子中系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄是与输出对应的时间序列当前值、前一时刻的值、…、前四时刻的值；分母中的系数d₁,d₂,d₃,d₄是与输入对应的时间序列前一时刻的值、…、前四时刻的值。通过函数形式H(z)可知本发明所描述的是一个4阶数字系统，具有平坦的幅频特性以及向-180°逼近的相频特性，意味着本发明所描述的系统可对输入信号中的高频成分实现实时反相的功能，本发明所描述的系统具有良好的稳定性。

下面以具体的双质量飞轮和负载的参数对本发明进行更详细的描述。如相关参数值如下：

J₁＝0.06kg·m²，J₂＝0.09kg·m²，K＝189.076N·m/rad，R＝4.774N·m/(rad/s)，

K_x＝11459.156N·m/rad，R＝1.910N·m/(rad/s)

代入双质量飞轮和负载的参数，传递函数为：

按照信号与系统领域公知的双线性变换法或脉冲响应不变法，将电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)。

获得电机扭矩控制系统的系统函数H(z)，得到如图3所示电机扭矩控制系统的系统函数的信号传输图。根据信号传输图，电机控制器根据系统函数H(z)可根据发动机的实时扭矩信号控制电机输出实时扭矩信号，实现对动力传动系统扭振的控制目的。

考察H(z)的频率响应，如图4所示，观察其幅频特性和相频特性，该系统具有平坦的幅频特性以及向-180°逼近的相频特性，意味着本发明所描述的系统可对输入信号中的高频成分实现实时反相的功能，可实现控制电机输出扭矩与发动机扭矩中的高频成分相抵消。考察H(z)的零极点分布图，如图5所示，众所周知根据零极点在单位圆的分布情况可判断系统的稳定性，观察可知本发明所述系统的全部极点均分布在单位圆内，意味着本发明所述系统具有良好的稳定性。考量双质量飞轮控制方法和本发明扭振主动控制方法下的变速器输入轴的角加速度(或角位移)，变速器输入轴的角加速度同双质量飞轮主飞轮的角加速度对比如图6所示，表明本发明能有效降低变速器输入轴的扭振响应，起到不差于双质量飞轮的扭振隔振效果。

Claims (8)

1.一种混合动力汽车扭振主动控制系统实现方法，其特征在于，包括步骤，根据双质量飞轮的相关参数，建立双质量飞轮在拉普拉斯域的传递函数H₁(s)，根据电机相关参数建立混合动力扭振主动控制在拉普拉斯域的传递函数H₂(s)，使传递函数H₂(s)同传递函数H₁(s)等效，得到电机扭矩同发动机扭矩之间在拉普拉斯域的传递函数H(s)；将拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)，得到数字滤波器的系统函数，实现主动控制混合动力汽车扭振。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传递函数H₁(s)描述双质量飞轮中副飞轮的角位移同发动机扭矩之间的传递关系，传递函数H₂(s)描述电机转子的角位移同发动机扭矩之间的传递关系，传递函数H(s)描述电机扭矩同发动机扭矩之间的传递关系。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，建立发动机扭矩T_in(s)与电机扭矩T_mot(s)的关系：T_mot(s)＝H(s)T_in(s)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由双质量飞轮的转动惯量、刚度、阻尼，以及负载的刚度、阻尼确定系数，建立的双质量飞轮的传递函数H₁(s)，H₁(s)为关于变量s的4阶多项式：

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由电机转子的惯量、负载的阻尼、刚度等参数决定系数，建立混合动力扭振主动控制的力学模型在拉普拉斯域的传递函数H₂(s)：

其中，H(s)为电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，令H₁(s)＝H₂(s)，得到电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)：

，H(s)是关于变量s的4阶多项式，其系数由双质量飞轮的惯量、阻尼、刚度，电机转子惯量、以及负载的阻尼、刚度决定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述H(s)的系数利用双线性变换法或脉冲相应不变法计算得到系统函数H(z)的系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄和d₁,d₂,d₃,d₄，将电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)转换为z域的系统函数H(z)：

8.一种混合动力汽车扭振主动控制系统，其特征在于，包含：发动机、电机，由z域的系统函数

描述的数字系统，控制发动机扭矩和电机扭矩，主动控制混合动力汽车扭振，其中，系统函数H(z)的系数c₀,c₁,c₂,c₃,c₄和d₁,d₂,d₃,d₄，根据电机扭矩控制系统在拉普拉斯域的传递函数H(s)的系数利用双线性变换法或脉冲相应不变法计算得到。

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