CN115176104A

CN115176104A - 控制车辆传动系统的方法和传动系统中的控制器

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Publication number: CN115176104A
Application number: CN202180019341.1A
Authority: CN
Inventors: A·科斯塔里卡; R·克尼格
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-10-11
Also published as: GB202003270D0; DE112021001485T5; US20230071874A1; JP7406002B2; JP2023516428A; WO2021176048A1

Abstract

一种通过电动马达（1、SG）来控制车辆传动系统的方法，以便同步内燃机引擎（3、ICE）的速度和传动系统中的齿轮的速度，其中如果速度同步误差e _sync(t)被控制为保持在预指定区域内达特定时间段，则结束同步，并且可以接合齿轮。

Description

控制车辆传动系统的方法和传动系统中的控制器

技术领域和背景技术

自动变速器一般包括至少一个齿轮组（gear set）和多个换档元件（shiftelement）。换档元件的选择性致动调整自动变速器的齿轮比，并且使自动变速器在其各种档位之间转换。

在专用混合变速器（DHT）中，至少一个辅助功率源（诸如电动马达）与内燃机引擎集成，以实现电动驱动，改进燃料消耗和驱动性能。

汽车和卡车中的干式或湿式离合器的自动接合典型地用于致动能量流管理。基于诸如模糊逻辑、最优控制、反馈线性化和PI控制之类的技术，文献中已经提出了用于同步的若干个控制算法。

某些自动变速器包括爪式离合器换档元件。在各种档位转换期间，爪式离合器被接合。爪式离合器一般比摩擦离合器（干式或湿式）或同步器更小、更不昂贵且更高效。然而，接合爪式离合器示出了某些挑战。例如，爪式离合器一般必须在接合爪式离合器之前被同步。当爪式离合器被同步时，爪式离合器的组件以共同的速度旋转。相反地，如果爪式离合器被接合而爪式离合器没有被同步，则这样的组件可能彼此摩擦，并且制造出吵闹的噪声或者甚至被损坏。然而，将爪式离合器同步可能是困难且耗时的。单独的同步机构（诸如同步器）可能消耗变速器内的宝贵空间，并且增加自动变速器的总体成本。

在不具有摩擦离合器和同步器的混合动力系统中，引擎速度必须被精确地控制，以便同步档位，最好是通过电机。影响档位改变的质量的最重要的性能指标之一是换档持续时间，该换档持续时间继而与速度同步性能紧密相关。控制器的优先事项应当是如由车辆速度和所选档位决定的速度参考轨迹的快速和准确跟踪控制。然而，许多外生参数（诸如未建模动力学（unmodelled dynamics）、未知负载扰动和延迟）可能使期望性能显著地退化，或者甚至引发不稳定性。因此，速度同步过程需要关于未建模动力学、模型不确定性、未知负载扭矩扰动和系统延迟的鲁棒性。

为了改进该系统的瞬时响应，早期解决方案以及大多数工业应用已经使用了前馈控制或前馈与反馈的组合动作来改进准确度并且确保闭环稳定性。其它常见的速度同步技术使用常规的P/PI/PID控制，有时与极点放置相组合来促进瞬变。为了增强速度调节控制能力，许多科学家使用了滑动模式控制（SMC）以用于速度同步。SMC在控制器设计中已经被广泛地采用，这是由于它对参数变化和外部扰动是非常鲁棒的。然而，SMC倾向于引起抖振，并且需要边界层，这使控制器的扰动拒绝能力退化。为了增加鲁棒性，许多作者已经采用了优化方法，如具有预览动作的基于H∞的LQR（线性二次调节器）控制、或开环最优控制方法（模型预测性控制）。然而，H∞控制器过于保守，并且牺牲了瞬时响应。此外，优化控制方法要么需要线性矩阵不等式（LMI）的解，这是相当繁琐的任务，要么在计算上要求高，这是嵌入式解决方案中的重要性能指标，从而使得它们在嵌入式控制系统上的实现是困难的。其它鲁棒方法包括扰动观测器，以确保扰动拒绝。

存在与现有解决方案相关联的不同问题：

前馈和反馈组合中的基于模型的控制器解决方案严重依赖于系统动力学的确切知识，并且在没有被准确地建模时可能使其性能退化。它们在错误的系统模型、未知的动力学和扰动的情况下是脆弱的。

常规的P/PI/PID控制的性能在应对未知扰动时可能是不足的，并且需求高的速度和准确度。模型不确定性可能最终导致较差的性能，从而出现闭环稳定性问题。

滑动模式控制倾向于引起抖振，并且需要边界层，这使控制器的扰动拒绝能力退化。

H∞控制器过于保守，并且牺牲了瞬时响应。

最优控制解（LQR/MPC）需要线性矩阵不等式（LMI）的解，这是繁重的任务，并且如果在数值上完成，则会增加计算工作量。

由于复杂的控制算法，基于观测器的解决方案增加了解的复杂性。

优化控制方法的示例由如下公开：Xiaoyuan Zhu、Hui Zhang、Zongde Fang的“Speed synchronization control for integrated automotive motor-transmissionpowertrain system with random delays”，Mechanical Systems and SignalProcessing，Volumes 64-65，2015，Pages 46-57，ISSN 0888-3270。

发明内容

目的：

本发明的目的是通过解决以下要求在利用爪式离合器的档位转换中提供良好质量的引擎速度同步：

- 对快速瞬时性能和良好准确度的要求，尽管有系统不确定性和未知扰动；

- 最小化已经被用于应对系统鲁棒性的解决方案的计算工作量和复杂性。

该目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求10的速度同步控制器（SSC）来实现。

解决方案：

根据本发明，提供了一种通过电动马达来控制车辆传动系统的方法，以便同步内燃机引擎的速度和传动系统中的齿轮的速度。该方法采用基于规定性能控制（PPC）技术的速度同步控制器（SSC），该控制器通过采用对速度同步误差的变换来在速度同步跟踪性能上施加某个预定义界限。具体地，速度同步误差被迫使在预定义区域内演变，该预定义区域由某些规定性能极限来界定。那些极限是使用被称为性能函数的时间衰减函数以及最大超调参数来定义的。当速度同步误差达到或超过规定性能极限时，为了防止由于控制器故障所致的该系统的危险反应，采用了位于规定性能极限内的附加的安全性界限集，被称为安全性裕度。

该方法包括以下步骤：

I. 在时间零处的同步周期的初始化期间，定义同步性能函数、同步最大超调参数和对应的安全性裕度集，使得速度同步误差在由安全性裕度定义的区域内被发起，并且对应地在规定性能极限内被发起。指示了速度同步误差是否位于由安全性裕度定义的区域内的安全性裕度违反标志被初始化为OFF，这意味着速度同步误差位于该区域内。

II. 在同步周期的每个步骤处，通过采用对速度同步误差的变换来计算经变换的同步误差，该变换在速度同步误差性能上施加同步规定性能极限。为了避免危险的控制器反应，经由安全性裕度违反标志来采用安全性裕度。如果速度同步误差通过突然的速度改变而达到安全性裕度，则将安全性裕度违反标志设置为ON，并且使用安全性能函数和安全最大超调参数来立即扩展规定性能极限。如果在同步期间请求了新的目标速度（“改变主意”），则中断同步周期，并且使用新的同步性能函数和新的同步最大超调参数来重新初始化同步周期。在每个同步周期步骤的结束处，将所请求的马达扭矩计算为速度同步控制器（SSC）的输出，该控制器包括PPC部分和切换PI部分。所计算的马达扭矩被设置为起动发电机（SG）。

III. 一旦速度同步误差已经稳定在零周围的预指定的小区域中达特定时间段，则结束同步周期。

在示例性实施例中，当同步结束时，接合传动系统中的齿轮，例如通过由DHT管理器发送的命令。

在示例性实施例中，选取同步性能函数、同步最大超调参数和安全性裕度，使得初始速度同步误差位于安全性裕度内，并且对应地位于规定性能极限内。

在示例性实施例中，安全性裕度始终位于规定性能极限内。

在示例性实施例中，当速度同步误差位于安全性裕度内时，将安全性裕度违反标志设置为OFF或保持OFF，该安全性裕度在规定性能极限内并且在其安全性距离处，并且当速度同步误差位于安全性裕度上或超过安全性裕度时，将安全性裕度违反标志设置为ON或保持ON。

在示例性实施例中，在突然的速度改变时，如果速度同步误差被迫使在某时间实例时达到安全性裕度，则利用对安全性能函数和安全最大超调参数的选择来扩展规定性能极限，使得速度同步误差继续在经扩展的规定性能极限内演变。

在示例性实施例中，在“改变主意”情形下，中断同步周期并且使用新的性能函数来重新初始化同步周期，该新的性能函数被选取成使得速度同步误差继续在新的规定性能极限内演变。

在示例性实施例中，为了关于所需的规定性能极限来调节速度同步误差，使用同步变换函数或安全变换函数来确定经变换的误差。

特别地，同步变换函数和安全变换函数是平滑且严格递增的，从而定义了双射映射，使得当速度同步误差达到规定性能极限时，经变换的误差趋向于无穷大。

根据本发明的另一方面，提供了一种速度同步控制器SSC，其用于通过如上面描述的方法来同步内燃机引擎的速度和车辆传动系统中的齿轮的速度。

在示例性实施例中，速度同步控制器SSC进一步包括：规定性能控制PPC部分，其被校准以迫使速度同步误差在规定性能极限内演变。

在示例性实施例中，速度同步控制器SSC进一步包括：切换PI部分，其根据速度同步误差是否在特定阈值内来在比例积分PI部分与比例P部分之间切换。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通过上面描述的方法来控制车辆传动系统的电子控制单元，其中该电子控制单元至少包括如上面描述的速度同步控制器SSC和被配置为监督速度同步控制器的DHT管理器。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆传动系统，包括耦合到齿轮箱的内燃机引擎，该齿轮箱被配置为将扭矩从内燃机引擎传送到输出轴，其中该齿轮箱包括爪式离合器，该车辆传动系统进一步包括以P0、P1或P2配置被集成在爪式离合器的输入侧上的电机以及如上面描述的电子控制单元。

在示例性实施例中，电机是耦合到内燃机引擎的曲轴的起动发电机SG。

根据本发明，提供了一种通过增强速度同步性能来改进档位转换质量的方法，并且提出了一种基于最近引入的被称为规定性能控制（PPC）的技术来执行该方法的控制器。该技术通过采用对速度同步误差的变换在跟踪性能上施加某个预定义界限。误差变换像障碍函数（barrier function）那样起作用，这是由于它随着实际误差逼近规定性能区域的预定义界限而趋向于无穷大。规定性能区域由某些规定性能极限来界定，该规定性能极限是使用被称为性能函数的时间衰减函数以及最大超调参数来定义的。利用对性能函数和最大超调参数的适当选择，可以保证速度同步误差将以不小于预指定值的速率收敛到预定义的任意小的残差集，从而展现出小于足够小的预指派常数的最大超调量。此外，通过适当地将控制器参数化，可以保证速度同步误差将特别地在规定性能区域的中心处演变，这是由于它将等同地被规定性能极限所排斥（repel）。以这种方式，控制器性能更平滑，并且速度将以最小超调量收敛到它的期望值。所提出的控制器是严格误差驱动且无模型的，这继而使其对系统不确定性和未知负载扰动是鲁棒的。此外，它的简单形式使实现是容易的，从而避免了任何繁重的计算或在计算上要求高的执行。

PPC方法是用于控制未知非线性系统的通用方法。由于它的一般形式，它吸引了广泛领域的应用。最杰出的应用中的一些是机器人系统控制、自主水下车辆控制、四旋翼飞行器控制、小型无人直升机控制。

本发明中公开的SSC控制器包括PPC部分和具有条件积分的额外切换PI部分。此外，它在安全性功能下被增强，以确保其在实际车辆系统中无风险应用。由于大多数已知的PPC相关工作使用仿真来验证其方法的有效性，因此根据本发明的主要贡献是该方法到真实系统中的调试和测试，其中在移动车辆中进行实际实验。

原则上，该方法不仅适用于P0或P1混合动力系统中，而且也可以应用于P2中。然而，内燃机引擎与电机P2之间通常存在摩擦离合器，其可以用于速度同步。因此，不存在将内燃机引擎与电机同步的需要和益处。

在布置P3或P4中，该方法不适用，除非它是与P0或P1机器的组合。

优点：

在档位转换期间针对引擎速度同步采用所提出的速度同步控制器SSC（其包括PPC部分和切换PI部分的组合）是有利的，因为：

• 引擎速度的规定跟踪性能：引擎速度跟踪性能是由对某些设计者指定的性能函数的适当选择所先验决定的，这些性能函数封装了期望的瞬时和稳态性能规范，

• 鲁棒、无模型的解决方案：速度同步控制器没有并入模型动力学和外部扰动的任何知识，并且不需要估计或近似器来这么做。它是误差驱动的，而不是基于模型的，这使得它在类似结构的系统中是通用的并且可容易地重复使用，

• 实现的低复杂性：其结构上简单、类似线性的形式使得嵌入式控制系统上的实现简单明了。此外，与最优控制或基于观测器的解决方案相比，它在计算上是高效的。

附图说明

从下面给出的详细描述和附图中，本发明将变得被完全理解，这些详细描述和附图仅作为说明给出，并且因此不是对本发明的限制，并且在附图中：

图1示出了示例性P1-P3混合传动系统的组件和布置，

图2示出了控制软件架构框图，

图3A示出了在e(0)≥0和0<M<1的情况下的跟踪误差和规定性能极限，

图3B示出了在e(0)<0和0<M<1的情况下的跟踪误差和规定性能极限，

图4A示出了在e(0)≥0和M=0的情况下的另外的跟踪误差和规定性能极限，

图4B示出了在e(0)<0和M=0的情况下的另外的跟踪误差和规定性能极限，

图5A示出了在e(0)≥0和M=1的情况下的另外的跟踪误差和规定性能极限，

图5B示出了在e(0)<0和M=1的情况下的另外的跟踪误差和规定性能极限，

图6示出了所提出的控制方案，

图7示出了PPC保护措施，

图8示出了另外的PPC保护措施，

图9示出了同步周期，

图10示出了同步算法流程图，以及

图11示出了速度同步误差和积分器禁用阈值iDisableThres。

在所有各图中，对应的部分用相同的参考符号来标记。

具体实施方式

图1示出了示例性P1-P3混合动力系统的组件和布置。内燃机引擎3 ICE耦合到齿轮箱4，齿轮箱4通过给定量的齿轮将扭矩传送到输出轴，输出轴推动车辆的车轮。在专用混合变速器（DHT）中，可以使用爪式离合器代替同步器来改变档位。这使得齿轮箱更小、更高效且成本更低。将输入侧（尤其是3 ICE）的速度与爪式离合器的输出侧的速度相匹配的同步器的功能将通过主动地控制电机的速度来实现，所述爪式离合器具有与车轮成比例的速度。该电机必须被集成在爪式离合器的输入侧上，这在P0、P1和P2配置中是这种情况。在图1中所示出的示例中，高电压起动发电机1 SG连接到ICE的曲轴，这使得其成为P1机器。每当爪式离合器处于空档位置，ICE和SG就可以自由旋转，并且与输出轴的速度无关，并且因此与车辆速度无关。为了通过闭合爪式离合器来接合齿轮，借助于SG将输入侧的速度与输出侧的速度同步。使用速度控制算法来快速且精确地完成这一点。该算法将在具有至SG的接口2.2的电子控制单元2 ECU（例如变速器控制单元或动力系统控制单元）上实现。原则上，ICE也可以被用于控制输入侧的速度，但是内燃机引擎ICE动态性较低并且具有强扭矩波动，这使得电机SG成为用于速度同步的优选解决方案。

控制软件架构图可以在图2中看到。

被称为DHT管理器的辅助软件部分应在ECU中实现以监督SSC功能。速度同步误差去抖器检测并指示速度同步误差是否保持在由预确定最小阈值所定义的预指定区域内达特定时间段。读取传动系统信号、诸如车辆距离、所请求的档位和实际档位，并且监测DHT和SSC状态，DHT管理器应决定速度同步应当何时发生、以及何时进行齿轮接合是安全的。

当输入侧和输出侧的速度被同步时，可以使用齿轮致动器GA 5来闭合离合器。当SG和ICE正在同步时，例如在档位改变期间，它们不能递送扭矩来推动车辆。因此，第二电机6可以用于在换档期间填充所谓的扭矩间隙（torque gap）。该电机6必须连接到爪式离合器的输出侧，这被称为P3位置。在图1中，第二电动驱动器6被集成在P3位置中。

问题陈述

当无齿轮被接合时，用作起动发电机SG的3相感应马达的运动等式是：

其中J _res是旋转部分的惯性矩，例如电机和ICE的惯性矩，T _SG和T _ICE是由SG和ICE提供的扭矩，i _SG是SG与ICE之间的齿轮比，并且ω _SG是SG转子的角速度。

速度同步问题：

SG角速度ω _SG(t)被要求跟踪如由车辆速度v _veh和期望齿轮比i _tgt所决定的期望目标轨迹ω _tgt(t)：

目标是在不使用系统动力学的任何信息的情况下设计状态反馈控制器来解决速度同步问题。尽管有系统不确定性和未知扰动，但是速度同步应当快速且准确。此外，应当保证速度同步误差将以不小于预指定值的速率收敛到预定义的任意小的残差集，从而展现出小于足够小的预指派常数的最大超调量。

规定性能预备

本部分总结了关于规定性能的预备知识，其最初由如下所公布：C. P.Bechlioulis和G. A. Rovithakis的“Robust Adaptive Control of FeedbackLinearizable MIMO Nonlinear Systems with Prescribed Performance”，in IEEETransactions on Automatic Control，vol. 53，no. 9，pp. 2090-2099，Oct. 2008。

在图3A和图3B中考虑通用跟踪误差e(t)∈R，如果e(t)严格地在由时间衰减函数所界定的预定义区域内演变，则实现了规定性能。规定性能的数学表达式由以下不等式以

给出：

其中0≤M≤1是最大超调参数，并且ρ(t)是有界、平滑、严格正的且递减的函数，其满足

，被称为性能函数。上述陈述在图3A和图3B中针对指数性能函数

进行了说明，其中ρ ₀、

、l是严格正的常数，并且最大超调参数是M，其中在图3A中描绘了e(0)≥0和0<M<1的情况，而在图3B中描绘了e(0)<0和0<M<1的情况。

最大超调参数M=0的特殊情况在e(0)≥0的情况下在图4A中被描绘，并且在e(0)<0的情况下在图4B中被描绘；同时最大超调参数M=1的特殊情况在e(0)≥0的情况下在图5A中被描绘，并且在e(0)<0的情况下在图5B中被描绘。

选择常数ρ ₀，使得在t=0时满足(2)，例如

常数

表示稳态时的e(t)的最大允许大小，该大小可以被任意地设置为反映了测量设备的分辨率的小值，从而实现e(t)到零的实际收敛。此外，与常数l相关的ρ(t)的递减速率引入了关于e(t)的收敛的所需速度的下界限。

为了引入规定性能，并入了误差变换，该误差变换关于由ρ(t)和M所施加的所需性能界限来调节跟踪误差e(t)。更具体地

其中ε是经变换的误差，并且E(·)是定义了双射映射的平滑、严格递增的变换函数：

候选变换函数可以是：

其中a是正设计常数。要注意的是，由于ρ(0)被选择成使得t=0时满足(2)，因此由于(4)，ε是有限的。

速度同步控制器SSC的设计；

让速度同步误差被定义为SG实际角速度与SG目标速度之间的差，即e _sync(t)=ω _SG(t)-ω _tgt(t)。目标是施加某些规定性能极限，其利用图9中的虚线来描绘，如由同步性能函数ρ _sync(t)和同步最大超调参数M _sync所形成的。为此，采用如图6中所示出的SSC控制器，其输出扭矩T _SG(t)被设计为PPC部分T _PPC(ε _sync(t))和切换PI部分T _P-PI(e _sync(t))的总和。

PPC部分T _PPC(ε _sync(t))是使用经变换的同步误差

来构造的，其中E _sync(·)是定义了双射映射的同步变换函数：

切换PI部分T _P-PI(e _sync(t))被进一步定义为：

其中T _PI(e _sync(t))是PI部分，T _P(e _sync(t))是P部分，并且iDisableThres是积分器禁用误差阈值，其确定了针对PI部分与P部分之间的切换的条件。具体地，T _P-PI(e _sync(t))根据速度同步误差e _sync(t)是否在由iDisableThres阈值定义的区域内（|e _sync(t)|≤iDisableThres）而进行切换，该区域被描绘为图11的点线内的区域。

实际上，这将意味着如果速度同步误差e _sync(t)在由iDisableThres定义的区域之外（|e _sync(t)|>iDisableThres），则控制器积分部分被禁用，而如果速度同步误差在该区域内（|e _sync(t)|≤iDisableThres），则控制器积分部分是活动的。为了使该特征有效，iDisableThres应当被选取为小于初始速度同步误差（e _sync(0)）。图11示出了如下示例，其中iDisableThres被选取为初始速度同步误差（e _sync(0)）的1/3。

使用所提出的切换PI部分（也被称为“条件积分”）的目的是：当速度同步误差（e _sync(t)）大时，抑制控制器的积分项，以便避免由于控制器饱和（积分器终结（windup））所致的大瞬变。这可能发生在大的设定点改变、大扰动、延迟或设备故障的情况下。积分器终结也可能发生在若干个控制器项被组合时，如在我们的情况中那样，在驱动起动发电机SG1时。在这样的情形下，控制器在瞬变期间可能容易通过图6中的非线性PPC项T _PPC(ε _sync(t))而饱和。积分项仅在SG的速度ω _SG(t)非常接近目标速度ω _tgt(t)时是活动的，以便消除任何稳态误差。

通过需求如由等式（6）的SSC控制器的输出所计算的SG扭矩T _SG(t)来提供对速度同步问题的解决方案，这在图6中示出。

针对数字误差的PPC保护

规定性能控制PPC的重要计算问题在于使用变换函数E _sync(·)所计算的经变换的同步误差

的存在。要注意的是，如果速度同步误差e _sync(t)由于非预期扰动、控制器饱和、“改变主意”情形等而突然达到或超过如图9中的虚线所示出的规定性能极限，则变换E _sync(·)不被定义，例如(5)中的对数的自变量要么是无穷大、要么是负的。这将导致计算中的数值错误，并且由于控制器故障而致命地引起非预期的系统行为。这样的现象在工业应用中频繁地遇到，并且针对它们来保护控制器是重要的。

在两个数值上危险的情况（图7中的HCa和图8中的HCb）之间做出了区分，其被定义如下：

情况HCa：由于扰动、不足的控制器动作等（图7）所致的突然速度改变，其可能导致速度同步误差e _sync(t)在规定性能极限（图7中的虚线）之外。

情况HCb：“改变主意”情形，其中特别地，由于新的档位要求，目标速度在同步期间不连续地改变（图8）。

安全性裕度：让我们定义严格正的函数σ _min(t)、σ _max(t)，其中0<σ _min(t)≤σ _max(t)，其满足以下不等式：

函数σ _min(t)、σ _max(t)定义了安全性裕度（图7、图8和图9中的点线），并且应当以合理的方式来选取，以接近规定性能极限（图7、图8和图9中的虚线），但又允许与它们的安全距离。

安全性裕度（图7、图8和图9中的点线）背后的关键思想是：每当速度同步误差e _sync(t)达到它们时，安全性裕度违反标志被升起（图9中的SLimViolFlag=ON），这指示速度同步误差e _sync(t)可能在下一次实例中超过规定性能极限（图7、图8和图9中的虚线）。一旦违反标志SLimViolFlag=ON，控制器SSC就将必须根据相应的保护措施做出反应（见针对危险情况HCa、HCb的保护措施）。在正常操作期间，速度同步误差e _sync(t)应当严格地在安全性裕度内演变（SLimViolFlag=OFF）：

为了避免陷入上述数值上的危险情形，定义了以下保护策略。

针对危险情况HCa、HCb的保护措施：

在HCa（图7）的情况下：如果非预期状况迫使速度同步误差e _sync(t)在时间实例t=t _viol时达到安全性裕度（图7中的点线），则利用对安全性能函数ρ _sf(t)和安全最大超调参数M _sf的选择来立即扩展规定性能极限（图7中的虚线），使得速度同步误差e _sync(t)将继续在安全规定性能极限（图7中的点划线）内演变。这是使用定义了定义双射映射的安全变换函数E _sf(·)来实现的：

其构成了经变换的同步误差

。

要注意的是，这样的非预期情形（例如，突然的持续性扰动）可能借助于可用的控制努力（控制器饱和）而阻止最优同步性能。安全规定性能极限的特殊性以及它们关于同步规定性能极限的主要差异在于：它们必须以较少约束的方式被选取，以便允许速度同步误差e _sync(t)保留较高值和较低的收敛速度，而没有引发数值误差的风险。例如，由

和M _sf定义的安全规定性能极限的收敛区域必须大于由

和M _sync定义的同步规定性能极限的收敛区域，即在e _sync(0)≥0的情况下

。

在HCb的情况下：如果在时间实例t=t _step时发生“改变主意”情形，则中断同步周期并且使用新的性能函数ρ'_sync(t)和新的最大超调参数M'_sync来重新初始化同步周期，从而定义了新的同步性能极限（图8中的点划线）。该新的性能函数ρ'_sync(t)必须被选取成使得新的初始速度同步误差e'_sync(t'₀)位于新的规定性能极限内，并且该新的最大超调参数M'_sync必须以反映根据期望同步性能的最大允许超调量的方式被选取。

上述危险情况HCa、HCb可能在单个同步周期内发生多于一次。因此，在同步周期的每次迭代、即同步算法流程图（图10）的步骤G和H处，应当检查这两个条件。

图9中的同步周期步骤的描述：

步骤I——图9中的初始化：

- 计算初始速度同步误差e _sync(0)、

- 选取同步性能函数（ρ _sync(t)）和对应的最大超调参数（M _sync）的形式，

- 选取安全性裕度函数σ _min(t)、σ _max(t)的形式，

- 设置安全性裕度违反标志SLimViolFlag=OFF，

步骤II——同步周期的第k步骤，见图9：

- 计算在特定时间实例t _k时的速度同步误差e _sync(t)，

- 计算在特定时间实例t _k时的同步性能函数ρ _sync(t)的实际值，

- 计算在特定时间实例t _k时的安全性裕度σ _min(t)、σ _max(t)，

- 计算在特定时间实例t _k时的经变换的同步误差ε _sync(t)：

•

，如果安全性裕度违反标志SLimViolFlag=OFF，则通过同步变换函数E _sync(·)使用同步性能函数ρ _sync(t)和同步最大超调参数M _sync，

•

，如果安全性裕度违反标志SLimViolFlag=ON（情况HCa），则通过安全变换函数E _sf(·)使用安全性能函数ρ _sf(t)和安全最大超调参数M _sf，

• 如果请求了新的目标速度（情况HCb），则中断同步过程并且重新初始化同步周期（转到步骤I——图9中的初始化）

- 计算所请求的马达扭矩：

o 如果|e _sync(t)|≤iDisableThres，则T _SG(t)=T _PPC(ε _sync(t))+T _PI(e _sync(t))

o 如果|e _sync(t)|>iDisableThres，则T _SG(t)=T _PPC(ε _sync(t))+T _P(e _sync(t))

- 请求SG扭矩T _SG(t)。

步骤III（在图9中）——同步周期结束：

如果速度同步误差e _sync(t)保持在由阈值MinErrThres定义的预指定区域内达特定时间段Δt，这可以通过同步误差去抖器（图2中所示出）来检测和指示：

则同步结束，并且齿轮可以被接合。其中SyncErrDebounceTime是同步误差去抖时间段，其意味着同步周期的成功完成。

图10示出了同步算法流程图：

步骤A——初始化，

步骤B——计算初始速度同步误差e _sync(0)，

选取同步性能函数ρ _sync(t)，

选取同步最大超调参数M _sync，

选取安全性裕度σ _min(t)、σ _max(t)

设置安全性裕度违反标志SLimViolFlag=OFF，

步骤C——开始同步周期，

步骤D——计算速度同步误差e _sync(t)，

步骤E——检查是否|e _sync(t)|≤MinErrThres达Δt≥SyncErrDebounceTime，

如果是：转到步骤F，

如果否：转到步骤G，

步骤F——同步周期结束，

步骤G——检查是否存在“改变主意”情形（情况HCb），

如果是：转到步骤A，

如果否：转到步骤H，

步骤H——检查是否安全性裕度违反标志SlimViolFlag==ON（情况HCa），

如果是：转到步骤J，

如果否：转到步骤I，

步骤I——使用同步性能函数ρ _sync(t)和同步最大超调参数M _sync，

步骤J——使用安全性能函数ρ _sf(t)和安全最大超调参数M _sf，

步骤K——检查速度同步误差e _sync(t)是否在安全性裕度内，

如果否：转到步骤I，

如果是：转到步骤M，

步骤L——设置安全性裕度违反标志SlimViolFlag=ON(HCa)，继续步骤H，

步骤M——计算经变换的同步误差ε _sync(t)，

步骤N——检查是否|e _sync(t)|≥iDisableThres，（还见图11）

如果否：转到步骤O，

如果是：转到步骤P，

步骤O——计算速度控制器输出

T _SG(t)=T _PPC(ε _sync(t))+T _PI(e _sync(t))（组合等式(7)还见图6)，

步骤P——计算速度控制器输出

T _SG(t)=T _PPC(ε _sync(t))+T _P(e _sync(t))（组合等式(7)还见图6），

步骤Q——设置所请求的SG扭矩T _SG(t)。

步骤Q意味着同步周期的单次迭代（例如第1次迭代）的最后步骤。一旦在步骤Q处结束了第一次迭代，就通过返回到步骤D来开始第二次迭代。重复该迭代，直到步骤E为真并且利用步骤F结束同步。

附图标记列表

1 起动发电机

2 电子控制单元

3 内燃机引擎

4 齿轮箱

5 齿轮致动器

6 电机

A至R 步骤

DHT 专用混合变速器

ECU 电子控制单元

ED 电动驱动器

SG 起动发电机

ICE 内燃机引擎

e(t) 跟踪误差

ε(t) 经变换的误差

e _sync(t) 速度同步误差

ε _sync(t) 经变换的同步误差

ω_tgt 目标角速度

ω _SG SG转子的角速度

v_veh 车辆速度

r_wheel 车轮半径

i_tgt目标齿轮比

T _SG SG的扭矩

T _ICE ICE的扭矩

PPC 规定性能控制

PI 比例积分

P 比例

T _PPC PPC部分

T_P-PI 切换PI部分

T _PI PI部分

T _P P部分

E(·) 变换函数

E _sync(·) 同步变换函数

E _sf(·) 安全变换函数

ρ(t) 性能函数

ρ _sync(t) 同步性能函数

ρ _sf(t) 安全性能函数

M 最大超调参数

M _sync同步最大超调参数

M _sf安全最大超调参数

HCa、HCb 危险情况a、危险情况b

σ _min(t)、σ _max(t) 安全性裕度函数

MinErrThresh 最小误差阈值

SyncErrDebounceTime 同步误差去抖器

SLimViolFlag 安全性裕度违反标志

iDisableThres 积分器禁用阈值

SSC速度同步控制器

Claims

1.一种通过电动马达（1、SG）来控制车辆传动系统的方法，以便同步内燃机引擎（3、ICE）的速度和传动系统中的齿轮的速度，其中所述方法包括以下步骤：

步骤I——初始化：

- 确定初始速度同步误差（e _sync(0)），

- 确定同步性能函数（ρ _sync(t)）和同步最大超调参数（M _sync）的形式，

- 确定安全性裕度函数（σ _min(t)）、（σ _max(t)）的形式，

- 将安全性裕度违反标志（SLimViolFlag）设置为OFF，

步骤II——同步周期的第k步骤：

- 确定在特定时间实例t _k时的速度同步误差（e _sync(t)），

- 确定在特定时间实例t _k时的同步性能函数（ρ _sync(t)）的实际值，

- 确定在特定时间实例t _k时的安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)），

- 确定在特定时间实例t _k时的经变换的同步误差（ε _sync(t)）：

•

，如果安全性裕度违反标志（SLimViolFlag）为OFF，则借助于同步变换函数E _sync(·)使用同步性能函数（ρ _sync(t)）和同步最大超调参数（M _sync），

•

，如果安全性裕度违反标志（SLimViolFlag）为ON，则借助于安全变换函数E _sf(·)使用安全性能函数（ρ _sf(t)）和安全最大超调参数（M _sf），

• 如果请求了新的目标速度（ω _tgt），则中断同步过程并且重新初始化同步周期（转到步骤I——初始化），

- 确定所请求的马达扭矩T _SG(t)作为速度同步控制器（SSC）的输出：

o 如果|e _sync(t)|≤iDisableThres，则(T _SG(t))=T _PPC(ε _sync(t))+T _PI(e _sync(t))，

o 如果|e _sync(t)|>iDisableThres，则(T _SG(t))=T _PPC(ε _sync(t))+T _P(e _sync(t))，

- 设置所要求的SG扭矩T _SG(t)，

步骤III——同步周期结束：

- 如果速度同步误差e _sync(t)保持在预指定区域内达特定时间段Δt，则结束同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其中当结束同步时，接合传动系统中的齿轮。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述同步性能函数（ρ _sync(t)）、所述同步最大超调参数（M _sync）和所述安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)）被选取成使得

。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)）满足条件0<σ _min(t)≤σ _max(t)以及

。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当速度同步误差e _sync(t)位于安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)）内时，将安全性裕度违反标志（SLimViolFlag）设置为OFF或保持OFF，所述安全性裕度在规定性能极限内并且在其安全性距离处，并且当速度同步误差e _sync(t)位于安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)）上或超过安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)）时，将安全性裕度违反标志（SLimViolFlag）设置为ON或保持ON。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在突然的速度改变时，如果速度同步误差e _sync(t)被迫使在时间实例t _viol时达到安全性裕度（σ _min(t)）、（σ _max(t)），则利用对安全性能函数ρ _sf(t)和安全最大超调参数M _sf的选择来扩展规定性能极限，使得速度同步误差e _sync(t)继续在经扩展的规定性能极限内演变。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中在时间实例t=t _step时的“改变主意”情形下，中断同步周期并且使用新的性能函数ρ'_sync(t)和新的最大超调参数M'_sync来重新初始化同步周期，所述新的性能函数ρ'_sync(t)和新的最大超调参数M'_sync被选取成使得速度同步误差e _sync(t)继续在新的规定性能极限内演变。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中经变换的同步误差ε _sync(t)由以下等式来确定：

，

其中所述同步变换函数E _sync(·)和所述安全变换函数E _sf(·)是平滑的、严格递增的函数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述同步变换函数E _sync(·)定义了双射映射：

并且所述安全变换函数E _sf(·)定义了双射映射：

。

10.一种速度同步控制器（SSC），其用于通过根据前述权利要求中任一项所述的方法来同步内燃机引擎（3、ICE）的速度与车辆传动系统中的齿轮的速度。

11.根据权利要求10所述的速度同步控制器（SSC），包括：规定性能控制PPC部分（T _PPC(ε _sync(t))，其被校准以将速度同步误差（e _sync(t)）始终保持在规定性能极限内。

12.根据权利要求10或11所述的速度同步控制器（SSC），包括：切换PI部分T _P-PI(e _sync(t))，其根据速度同步误差（e _sync(t)）是否在特定阈值内来在PI部分（T _PI(e _sync(t))与P部分（T _P(e _sync(t))之间切换。

13.一种用于通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法来控制车辆传动系统的电子控制单元（ECU），其中所述电子控制单元（ECU）至少包括根据权利要求10至12中任一项所述的速度同步控制器（SSC）和被配置为监督速度同步控制器（SSC）的DHT管理器。

14.一种车辆传动系统，包括耦合到齿轮箱（4）的内燃机引擎（3），所述齿轮箱（4）被配置为将扭矩从内燃机引擎（3）传送到输出轴，其中所述齿轮箱（4）包括爪式离合器，所述车辆传动系统进一步包括以P0、P1或P2配置被集成在爪式离合器的输入侧上的电机（1）以及根据权利要求13所述的电子控制单元（ECU）。

15.根据权利要求14所述的车辆传动系统，其中所述电机（1）是耦合到内燃机引擎（3）的曲轴的起动发电机（SG）。