CN113428157A - 一种混动汽车传动系扭振自适应前馈主动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法及系统，包括初始化前馈滤波器控制参数及动力电机传递函数C，前馈滤波器控制参数包括滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m；测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量；利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩；计算电机实际输出扭矩和合扭矩。本发明利用永磁同步电机对混合动力传动系统扭振进行自适应主动控制的前馈控制，能够随着P2构型混动汽车传动系统的扭矩实时变化自适应地调整控制器抽头权系数，从而利用电机的可控性快速对传动系统的扭矩波动进行精确补偿，进而实时控制传动系统的扭转振动，避免变速器敲击现象的发生。

Description

一种混动汽车传动系扭振自适应前馈主动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及混动汽车传动系扭振控制，尤其涉及对混动汽车的传动系进行扭振动态自适应前馈主动控制的技术。

背景技术

混合动力汽车的传动系统呈现出如下一些新的特点：(1)增加了电机及相应的耦合机构等，共振点多于传统动力系统，诱发传动系统的动载荷发生变化进而引起扭振的风险更大；(2)取消某些减振元件(如变矩器)，表现为欠阻尼系统，高频机电磁耦合机制下的扭振问题突出；(3)动力管理策略使得发动机起停频繁，加上电机的快速响应，容易引起瞬态冲击与高频振动噪声。这些新特征引起的高频多场域耦合机制下的扭转振动是制约其性能进一步提升的重要瓶颈。对于P2构型混动汽车，其驱动电机安装在发动机和变速器之间，增加了发动机输出轴至变速器输入轴之间的传动轴的惯量。这一惯量的增加对降低传动系统的扭振是有利的。值得注意的是，混合动力总成相比传统动力产品增加了电机、电池和电控，使得混动产品成本和重量陡增。成本的增加无疑给企业带来了巨大压力，而重量的增加不仅会增加油耗，而且对汽车安全性和整车结构设计提出了更严格的要求。

混合动力汽车复杂多变的扭振问题带来了很大的挑战，需要为扭振问题的控制寻找新的解决思路与方法。通常，动力传动系统扭振控制可分为被动减振控制和主动减振控制。被动减振控制即是改变传动系统的结构或运行参数，如调整离合器扭转减振器的刚度、安装双质量飞轮等。主动减振控制即是通过前馈控制、反馈控制或前馈-反馈控制来改变激振源的激振特性，进而直接抵消振动。目前动力传动系统扭振控制仍以被动式为主。而对于P2构型混合动力汽车，由于动力电机具有快速响应和可控性等独特优势，使得混合动力传动系统的减振不再局限于被动地设计结构参数或减振装置以缓解扭振，而是可以通过动力电机的主动调控达到较好的减振效果。

专利文献CN109941120A公开了一种用于电动汽车主动振动控制的系统和控制算法，由整车控制器接收驾驶员转向信号和踏板信号输出初始参考扭矩信号；通过将初始参考扭矩信号进行波形叠加控制得到平稳上升并且有时间延迟的参考扭矩信号；通过极位移控制算法输出扭矩信号对系统振动进行补偿；将补偿后的电机扭矩信号输入电机控制器对电机进行控制，从而对电动车辆动力传动系统的扭转振动主动控制。该方法结合了波形叠加控制和极位移控制两种控制算法。但是，该方法的波形叠加控制算法涉及到的延迟时间Δt1、Δt2和比例r的最优解需通过仿真计算得到的二维曲线或三维空间中获得。因此，波形叠加控制算法并不是一种实时的、在线的控制算法。由于汽车在实际行驶中不可避免地受到诸如发动机转速、负荷、路面激励等各种因素的影响，存在着很强的时变性，所以对混动汽车传动系扭振进行主动控制时，控制参数也必须随时改变，以便跟踪环境因素的变化，实时调节消噪信号来达到降低扭振的目的。

专利文献CN106143209A公开了一种车辆扭转振动控制方法、装置及系统，包括：接收整车控制器发出的扭矩信号；检测所述车辆当前的实际转速，提取车辆的扭转振动分量；根据所述扭转振动分量，计算与所述扭矩信号成反相位的补偿扭矩信号；根据所述补偿扭矩信号，对所述扭矩信号进行补偿处理。该方法采用比例积分调节器计算与所述扭矩信号成反相位的补偿扭矩信号。由于比例积分调节器的参数整定是控制系统设计的核心，因此比例积分调节器参数的确定需要反复调试。由于扭矩信号随着驾驶工况的不同具有很强的随机性，单一的比例积分调节器参数无法满足扭矩信号的控制精度，容易出现振荡过流等非正常控制状态。如果在控制程序中不断地改变参数，则导致控制效率低下，得到的比例积分控制参数也不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法及系统，基于混合动力控制理论，通过混动汽车传动系统的扭矩实时变化自适应地调整控制器抽头权系数，从而利用电机的可控性快速对传动系统的扭矩波动进行精确补偿，进而实时控制传动系统的扭转振动，避免变速器敲击现象的发生。

本发明的技术方案如下：

本发明提出一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其步骤如下：

步骤1，初始化前馈滤波器控制参数及电机传递函数。

根据滤波器输入信号的特点确定前馈滤波器的阶数、收敛步长和迭代次数等参数，同时需确定动力电机的传递函数C。此外需对控制器的关重存储单元进行初始化，包括滤波器输出信号向量、滤波器误差向量、滤波器抽头权系数矩阵。

步骤2，测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量。

利用扭矩传感器测量飞轮输出轴的扭矩。进一步，利用移动平均滤波器计算出飞轮输出轴瞬时扭矩的直流分量，进而得到飞轮输出轴扭矩的交流分量。

步骤3，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩。

对于每次迭代过程，依次计算横向滤波器的输出量和滤波器输入与输出信号之间的误差，并更新滤波器抽头权系数。前馈滤波器根据输入信号和误差信号进行自适应迭代，进而计算出电机瞬时反向补偿扭矩。

步骤4，计算电机实际输出扭矩和合扭矩。依次计算电机瞬时扭矩指令和电机瞬时输出扭矩，进而得到发动机和电机的瞬时合扭矩，输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

本发明还提出一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制系统，其包括如下功能单元：

初始化单元，用于初始化前馈滤波器控制参数及动力电机传递函数C，前馈滤波器控制参数包括滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m。

测量及计算单元，用于测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量。

第一计算单元，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩，前馈滤波器根据输入信号和误差信号进行自适应迭代，进而计算出电机瞬时反向补偿扭矩；对于每次迭代过程，依次计算横向滤波器的输出量和滤波器输入与输出信号之间的误差，并更新滤波器抽头权系数。

第二计算单元，用于计算电机实际输出扭矩和合扭矩，通过计算电机瞬时扭矩指令和电机瞬时输出扭矩，进而得到发动机和电机的瞬时合扭矩，输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

本发明的技术效果如下：

本发明利用永磁同步电机对混合动力传动系统扭振进行自适应主动控制的前馈控制，能够随着P2构型混动汽车传动系统的扭矩实时变化自适应地调整控制器抽头权系数，从而利用电机的可控性快速对传动系统的扭矩波动进行精确补偿，进而实时控制传动系统的扭转振动，避免变速器敲击现象的发生。通过将该方法植入多物理场虚拟样机中，为混合驱动传动系统主动减振性能调控提供指导。扭振主动控制技术的达成可实现与机械减振装置相近的减振效果，这给优化机械减振装置结构进而降低造车成本和轻量化带来了契机。

另外，现对于现有技术，本发明采用自适应主动控制算法，自适应滤波器的控制参数自动适应输入信号而变化，在没有任何关于信号和噪声的先验知识的条件下，自适应滤波器利用前一时刻已获得的滤波器的参数来自动调节现时刻的滤波器的参数，无需通过复杂、耗时且离线的仿真计算。并且本发明采用的是自适应控制领域中应用较为广泛的LMS(Least Mean Square，最小均方)算法。它是一种随着驾驶过程扭矩信号动态特性的变化而不断修正自身行为的控制算法，在抗扰动方面具有极强的鲁棒性，能最大限度地降低扭矩信号突变造成的控制误差。

附图说明

图1为混动汽车传动系统及扭振主动控制器示意图。

图2为基于LMS算法的扭振主动控制系统的前馈自适应控制示意图。

图3为扭振主动控制系统的前馈自适应控制算法流程图。

图4为滤波器输入和输出扭矩信号。

图5为不采用和采用主动控制的变速器输入轴二阶角加速度的对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的描述。

图1所示为具有P2构型的混动汽车传动系统示意图。P2同轴式驱动模块安装在发动机和变速器之间，集成牵引电机、驱动装置和双质量飞轮并嵌入到电机内部。

图1还展示了利用电机的可控性对传动系的扭转振动进行前馈控制的一种实施例的大体流程。利用传感器测量得到飞轮输出轴的扭矩，进而得到扭矩波动量。识别出扭矩交流量之后，利用前馈滤波器的动态自适应学习算法得到电机的反向补偿扭矩。将这一反向补偿扭矩与电机期望扭矩相加，得到电机的扭矩指令。利用电机的可控性令电机输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

图2为扭振主动控制系统的前馈自适应控制算法的一个实施例，相应的基于LMS算法的扭振主动控制系统的前馈自适应控制示意图见图3，包括以下步骤：

步骤1，初始化前馈滤波器控制参数及电机传递函数

确定前馈滤波器控制参数，即滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m。通常将飞轮输出轴扭矩信号的长度n设为迭代次数m。同时，对滤波器输出信号向量Y(n)、滤波器误差向量E(n)、滤波器抽头权系数矩阵W(M,n)进行初始化，即：

Y(n)＝[y(1),y(2),…,y(n)] (1)

E(n)＝[e(1),e(2),…,e(n)] (2)

其中y(i)、e(i)、w(i)、w(i,j)(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,M)分别为第i次迭代时滤波器输出信号、第i次迭代时滤波器误差向量、第i次迭代时滤波器抽头权系数向量、第i次迭代时滤波器的第j个抽头权系数。

此外还需确定电机传递函数C。

步骤2，测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量

利用高精度高采样率的传感器连续测量得到飞轮输出轴的扭矩向量X(n)：

X(n)＝[x(1),x(2),…,x(n)] (4)

其中，x(i)(i＝1,2,…,n)为飞轮输出轴的第i个瞬时扭矩测量值。

进一步，利用移动平均滤波器f计算出飞轮输出轴瞬时扭矩的直流分量。

飞轮输出轴的瞬时扭矩减去飞轮输出轴瞬时扭矩的直流分量，得到飞轮输出轴扭矩的交流分量向量D(n)：

D(n)＝[d(1),d(2),…,d(n)] (5)

其中，d(i)(i＝1,2,…,n)为飞轮输出轴的第i个瞬时扭矩测量值。

步骤3，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩

3.1，计算飞轮输出轴扭矩的交流分量向量d(i)

对于第i(i＝M,M+1,…,n)次迭代，自适应滤波器M个抽头的输入信号，即飞轮输出轴扭矩的交流分量向量d(i)为：

d(i)＝[d(i),d(i–1),…,d(i–M+1)] (6)

3.2，计算横向滤波器的输出，即电机反向补偿扭矩可以写为：

y(i)＝w(i)d(i) (7)

3.3，得到该滤波器输入与输出信号之间的误差为：

e(i)＝d(i)–y(i) (8)

3.4，更新权系数向量w(i)：

根据LMS(Least Mean Square，最小均方)算法依据的最速下降法思想，权系数向量w(i)可表示为：

w(i)＝w(i–1)+2μe(i)d(i)^T (9)

式中，μ是控制收敛速度和稳定性的常数，称为收敛步长。

步骤4，计算电机实际输出扭矩和合扭矩

电机瞬时扭矩指令为：

h(i)＝g(i)–y(i) (10)

式中，g(i)(i＝1,2,…,n)为电机瞬时期望扭矩。

电机瞬时输出扭矩为：

s(i)＝h(i)C (11)

式中，C为电机扭矩传递函数。

发动机和电机瞬时合扭矩为：

t(i)＝x(i)+s(i) (12)。

输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

在进一步的实施例中，图4所示为滤波器输入和输出扭矩信号。测试工况为25％负荷加速工况。滤波器抽头个数为20，收敛步长为10^-7。滤波器的输出扭矩信号与输入扭矩信号较为接近，说明基于LMS算法的前馈自适应滤波器能较好地完成动态滤波过程。

在进一步的实施例中，图5为采用扭振主动控制前后的变速器输入轴的二阶角加速度。在1000-5000转/分的转速下，采用扭振主动控制后的变速器输入轴二阶角加速度均低于不采用扭振主动控制的变速器输入轴二阶角加速度。采用扭振主动控制方案的变速器输入轴二阶角加速度在1000转/分和3000转/分时分别为16和14rad/s²。可见，与不采用扭振主动控制相比，自适应前馈主动控制方法可以进一步削弱混动汽车传动系的扭转振动。

从以上实施例可见，根据本发明方法能够显著降低变速器输入轴的二阶角加速度，进而动态自适应地控制P2构型混动汽车传动系统的扭转振动，从而避免变速器敲击现象，提升混动汽车的动力NVH性能。

本发明进一步提供混合动力传动系统扭振自适应主动控制系统的实施例，该系统被配置于P2构型混动汽车传动系中，其包括如下功能单元：

初始化单元，用于初始化前馈滤波器控制参数及动力电机传递函数C，前馈滤波器控制参数包括滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m；

测量及计算单元，用于测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量，

第一计算单元，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩，前馈滤波器根据输入信号和误差信号进行自适应迭代，进而计算出电机瞬时反向补偿扭矩；对于每次迭代过程，依次计算横向滤波器的输出量和滤波器输入与输出信号之间的误差，并更新滤波器抽头权系数；

第二计算单元，用于计算电机实际输出扭矩和合扭矩，通过计算电机瞬时扭矩指令和电机瞬时输出扭矩，进而得到发动机和电机的瞬时合扭矩，然后输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

Claims (8)

1.一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，初始化前馈滤波器控制参数及动力电机传递函数C，前馈滤波器控制参数包括滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m；

步骤2，测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量；

步骤3，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩：前馈滤波器根据输入信号和误差信号进行自适应迭代，进而计算出电机瞬时反向补偿扭矩；对于每次迭代过程，依次计算横向滤波器的输出量和滤波器输入与输出信号之间的误差，并更新滤波器抽头权系数；

步骤4，计算电机实际输出扭矩和合扭矩：计算电机瞬时扭矩指令和电机瞬时输出扭矩，进而得到发动机和电机的瞬时合扭矩，输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

2.根据权利要求1所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，所述步骤1确定前馈滤波器控制参数是，将飞轮输出轴扭矩信号的长度n设为迭代次数m，对滤波器输出信号向量Y(n)、滤波器误差向量E(n)、滤波器抽头权系数矩阵W(M,n)进行初始化，即：

Y(n)＝[y(1),y(2),…,y(n)] (1)

E(n)＝[e(1),e(2),…,e(n)] (2)

其中y(i)、e(i)、w(i)、w(i,j)(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,M)分别为第i次迭代时滤波器输出信号、第i次迭代时滤波器误差向量、第i次迭代时滤波器抽头权系数向量、第i次迭代时滤波器的第j个抽头权系数。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，所述步骤1还包括对控制器的关重存储单元进行初始化，包括滤波器输出信号向量、滤波器误差向量、滤波器抽头权系数矩阵。

4.根据权利要求1或2所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，所述步骤2是利用移动平均滤波器计算出飞轮输出轴瞬时扭矩的直流分量，飞轮输出轴的瞬时扭矩减去飞轮输出轴瞬时扭矩的直流分量，得到飞轮输出轴扭矩的交流分量。

5.根据权利要求1或2所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，所述步骤3电机反向补偿扭矩计算包括：

对于第i(i＝M,M+1,…,n)次迭代，自适应滤波器M个抽头的输入信号，即飞轮输出轴扭矩的交流分量向量d(i)为：

d(i)＝[d(i),d(i–1),…,d(i–M+1)] (6)

横向滤波器的输出，即电机反向补偿扭矩为：

y(i)＝w(i)d(i) (7)

由此得到该滤波器输入与输出信号之间的误差为：

e(i)＝d(i)–y(i) (8)

根据最小均方算法依据的最速下降法思想，权系数向量w(i)可表示为：

w(i)＝w(i–1)+2μe(i)d(i)^T (9)

式中，μ是控制收敛速度和稳定性的常数，称为收敛步长。

6.根据权利要求1或2所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制方法，其特征在于，所述步骤4计算电机实际输出扭矩和合扭矩计算包括：

计算电机瞬时扭矩指令：

h(i)＝g(i)–y(i) (10)

式中，g(i)(i＝1,2,…,n)为电机瞬时期望扭矩；

计算电机瞬时输出扭矩：

s(i)＝h(i)C (11)

式中，C为电机扭矩传递函数；

计算发动机和电机瞬时合扭矩：

t(i)＝x(i)+s(i) (12)。

7.一种混合动力传动系统扭振自适应主动控制系统，实现权利要求1-6人一项所述的方法，其特征在于，包括：

初始化单元，用于初始化前馈滤波器控制参数及动力电机传递函数C，前馈滤波器控制参数包括滤波器阶数M、收敛步长μ和迭代次数m；

测量及计算单元，用于测量飞轮输出轴扭矩并计算飞轮输出轴扭矩的波动分量，

第一计算单元，利用前馈滤波器计算电机反向补偿扭矩，前馈滤波器根据输入信号和误差信号进行自适应迭代，进而计算出电机瞬时反向补偿扭矩；对于每次迭代过程，依次计算横向滤波器的输出量和滤波器输入与输出信号之间的误差，并更新滤波器抽头权系数；

第二计算单元，用于计算电机实际输出扭矩和合扭矩，通过计算电机瞬时扭矩指令和电机瞬时输出扭矩，进而得到发动机和电机的瞬时合扭矩，输出这一扭矩指令，其中的反向补偿扭矩用于抵消由发动机运转产生的扭矩波动成分，从而达到控制传动系统扭转振动的目标。

8.根据权利要求1所述的混合动力传动系统扭振自适应主动控制系统，其特征在于，所述系统被配置于P2构型混动汽车传动系中。

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