TWI544139B - 引擎減振控制裝置與方法 - Google Patents

Description

引擎減振控制裝置與方法

本發明係關於一種控制裝置與方法，特別是指一種引擎減振控制裝置與方法。

一般引擎在運轉時通常會伴隨著強烈的振動，而目前減振的方式大多都是透過附加被動元件於引擎來達成，例如：加裝減振框架、減振桿或減振橡皮塊等，但上述作法除了會導致製造成本與車體重量的增加之外，被動元件也會有損耗的問題而必須維修汰換，造成車主的不便與負擔。

近年來，隨著環保意識的抬頭，混合動力車(或稱複合動力車)的發展逐漸獲得重視。所述混合動力車是使用超過一種動力來源，而在推動系統上能夠有不同的輸出功率而達到更高的效率。目前所指的混合動力車大多為油電混合車(HEV)，是指同時裝備熱動力源(由傳統的內燃機引擎產生)與電動力源(電池與電動機)的汽車，電池及電動機(或稱馬達，如皮帶式啟動馬達或集成式啟動馬達)，其中電動機是與內燃機引擎連接而可直接驅動內燃機引擎運作。是以，如何在原有的架構下，透過較佳的方式控制電動機來消 除引擎的振動，係目前相關業界亟待研究之課題。

有鑑於上述問題，本發明提供一種引擎減振控制裝置連接於引擎與馬達，包括頻域濾波器、處理器、轉換器及控制器。頻域濾波器接收引擎所產生的振動訊號並將振動訊號轉換為頻率域訊號，其中頻率域訊號包括有振動位置資訊。處理器連接於頻域濾波器且接收頻率域訊號並依據振動位置資訊計算出減振控制訊號。轉換器連接於處理器且接收減振控制訊號並將減振控制訊號轉換為時域訊號。控制器連接於轉換器且接收時域訊號並依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩。其中馬達可連接於引擎的輸出軸，以直接對輸出軸輸出反向力矩。

藉此，本發明透過頻域濾波器將引擎的振動訊號轉換為頻率域訊號，能夠將振動訊號的時間域與位置域分離，因此可不受時間的影響而能夠直接取得引擎振動的位置(即振動位置資訊)。再藉由處理器依據引擎振動的位置去計算出減振控制訊號(也就是針對發生振動的位置算出需要控制的參數)，之後轉換器再將減振控制訊號轉換為時域訊號以符合原有車輛的控制架構，控制器即可直接依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩，而產生主動阻尼的效果，以對引擎扭力振動進行緩和與消除，達到改善或消除引擎振動之功能與目的而增加行車舒適性。且使引擎扭力能夠平穩輸出而提升動力輸出性能之功效。除此之外，此種架構的優點在於，可適用於各種諧波所組成的振動訊號，且可在不改變原有車輛控制架構下 實現。

於一實施例中，頻域濾波器可以頻域轉換方程式將引擎的振動訊號轉換為頻率域訊號，所述頻域轉換方程式可為：ξ _n (k)=H_n(z)e(k)=N/2(α_n+jβ_n)，其中 ，N為欲重建之點數， n為設定階數。其中n是大於或等於1，例如n可以是1、5、10或20等。 而設定階數越高(也就是n越大)，則運算資料會增加，相對振動位置資訊的精確性與引擎減振效果也會提升。另外，不同的階數之間可進行疊加組合，例如將0階與2階疊加，或者將0階與兩個1階疊加組合，此部分並不侷限，本發明允許任何階數的疊加組合。

於一實施例中，上述設定階數n可為複數個1階所組成。也就是說，若已知振動訊號的設定階數為2(即n=2)，則n可以由兩個1階所組成，也就是n=1，重建點數N為4點，相較於n=2的重建點數6點的運算量少，最後將兩個1階進行疊加，即可有相同之減震效果。若設定的階數為4(即n=4)則n可以由四個1階疊加組合。或者上述設定階數n也可為複數個多階所組成，例如若設定階數為6(即n=6)，則n可以由三個2階或兩個3階疊加組合，以此類推。透過上述疊加組合的優點舉例說明如下，概因以n=1計算上述頻域轉換方程式之運算量會小於以n=2計算上述頻域轉換方程式之運算量，亦可達成同樣之減震效果，以達到加快運算的速度，也就是以n=1計算上述頻域轉換方程式兩次的速度會相較於以n=2計算上述頻域轉換方程式一次快速(因n=1的運算量遠小於n=2的運算量，即使疊加兩次的運算速度 也較n=2快)。此進一步解釋如下，上述重建之點數N指的是將振動訊號轉換為頻率域訊號的重建點數(點數越大代表須計算的量越多)，而N的大小是取決於n，例如：N=2n+2，因此，n=1時，N=4，表示只需要使用過去3次的歷史資料，而n=3時，N=8，表示需要使用過去7次的歷史資料，故多個1階的運算量可低於單個多階的運算量。

於一實施例中，處理器是以適應性控制方程式計算出減振控制訊號(適應性控制方程式可內建於處理器中)，所述適應性控 制方程式可為：，其中

於一實施例中，轉換器以時域轉換方程式將減振控制訊號轉換為時域訊號(時域轉換方程式可內建於轉換器中)，所述時域轉換方程式可為：V(t)=x ₀+x ₁ cosω ₁ t+y ₁ sinω ₁ t+x ₂ cosω ₂ t+y ₂ sinω ₂ t+…+x _n cosω _n t+y _n sinω _n t。

另外，本發明更提供一種引擎減振控制方法，包括下列步驟：接收引擎所產生之振動訊號；轉換振動訊號為頻率域訊號，頻率域訊號包括振動位置資訊；依據振動位置資訊計算出減振控制訊號；轉換減振控制訊號為時域訊號；及依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩。

1‧‧‧引擎減振控制裝置

2‧‧‧引擎

3‧‧‧馬達

10‧‧‧頻域濾波器

20‧‧‧處理器

30‧‧‧轉換器

40‧‧‧控制器

S1‧‧‧振動訊號

S2‧‧‧頻率域訊號

S3‧‧‧減振控制訊號

S4‧‧‧時域訊號

S01‧‧‧接收引擎所產生之振動訊號

S02‧‧‧轉換振動訊號為頻率域訊號，頻率域訊號包括振動位置資訊

S03‧‧‧依據振動位置資訊計算出減振控制訊號

S04‧‧‧轉換減振控制訊號為時域訊號

S05‧‧‧依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩

[第1圖]係本發明引擎減振控制裝置之裝置方塊圖。

[第2圖]係本發明引擎減振控制方法之步驟流程圖。

[第3圖]係本發明引擎的力矩在不同轉速下對角度之波形圖。

[第4圖]係本發明控制後之引擎速度輸出特性圖。

[第5圖]係本發明控制誤差之特性曲線圖。

[第6圖]係本發明控制後馬達力矩與引擎力矩之比較圖。

如第1圖所示，為本發明引擎減振控制裝置之裝置方塊圖。所述引擎減振控制裝置1是連接於引擎2與馬達3，以驅動馬達3來達成引擎2減振之目的。所述引擎減振控制裝置1包括有頻域濾波器10、處理器20、轉換器30及控制器40。上述馬達3可以是皮帶式啟動馬達(Belt-alternator Starter Generator)或集成式啟動馬達(Integrated Starter Generator)。

上述頻域濾波器10(frequency sampling filter)接收引擎2所產生的振動訊號S1並將振動訊號S1轉換為頻率域訊號S2，其中頻率域訊號S2包括有振動位置資訊，所述振動訊號S1是引擎2振動所產生的訊號，而引擎2產生振動的原因可能為速度、加速度或轉速變化所產生，或者也可能是外在因素所導致，如引擎2積碳或汽缸異常。一般來說，引擎2的振動訊號S1通常為時域的訊號，其所顯示的時域波形是隨時間變化，而本發明透過頻域濾波器10將引擎2的振動訊號 S1轉換為頻率域訊號S2，可將振動訊號S1與時間解耦，達到將時間域與位置域分離，而能夠不受時間的影響取得引擎2振動的位置(即上述振動位置資訊)。

此可參第3圖所示，為引擎2的力矩在不同轉速下對角度之波形圖。其中引擎2力矩的波動為產生振動與噪音的直接因素，由於透過頻域濾波器10將振動訊號S1與時間解耦，因此引擎2的力矩在不同轉速下對角度之波形與時間無關而跟位置相關。於本圖可看出，引擎2力矩波形的峰值發生的位置隨轉速的變化並不大，也就是說，引擎2在1000rpm、2000rpm、3000rpm及4000rpm時的力矩波形差不多(引擎2各轉速的力矩波形以不同形式的虛線表示)，而依據引擎2力矩波形的峰值可看出引擎2振動發生的位置(即上述振動位置資訊)，也就是說只要緩和引擎2力矩波形的峰值即可改善輸出特性而達到減振效果。

在一實施例中，上述頻域濾波器10可內建有一頻域轉換方程式，而頻域濾波器10能夠透過頻域轉換方程式將振動訊號S1轉換為頻率域訊號S2，所述頻域轉換方程式可為：ξ _n (k)=H_n(z)e(k)=N/2(α_n+jβ_n)。

上述其 中N為欲重建之點數，n為設定階數。其中n是大於或等於1，例如n可以是1、4、8、10或20等，而設定階數越高(也就是n越大)，運算資料會越多，但相對振動位置資訊的精確性與引擎2減振效果也會提升。另外，不同的階數之間可進行疊加組合，例如將0階與2階疊 加，或者將0階與兩個1階疊加組合，此部分並不侷限，本發明允許任何階數的疊加組合。

請參第3圖所示，是本發明以0階與2階疊加之實施例。於此，引擎2的力矩干擾大致為直流值加上二階諧波值，本發明針對力矩對角度的分析，將控制架構簡化成0階與2階疊加(如實線波形L1所示，也就是2階諧波)，由圖可看出，0階與2階疊加的波形大致上符合引擎2在各轉速的力矩波形。另外，由於引擎2的力矩干擾尚包括有其它諧波成分，若要考慮所有諧波成分則可藉由增加階數以提高精確度(由於越高階數運算量越大，相對精確度較高)，例如：透過0階與10階疊加，或0階與20階疊加，因此，本發明可適用於各種諧波所組成的振動訊號S1。但於此實施例中，是以0階與2階疊加為例。藉此，本發明是針對引擎2力矩干擾的諧波進行分析，以判斷諧波的分佈，進而挑選合適的階數，以達成最小運算量與最大之減振效果。以下各圖顯示的結果亦是以0階與2階疊加計算及控制後的結果，先此敘明。

另外，於較佳實施例中，透過頻域轉換方程式將振動訊號S1轉換為頻率域訊號S2所選擇的設定階數(如2階或10階)，後續的進行控制或轉換流程也會以相同的設定階數作運算。換言之，將頻域轉換方程式所運算的階數即決定後續運算所採用的階數。或者，於另一些實施例中，後續的進行控制或轉換流程也可視需求採用與頻域轉換方程式所選擇的設定階數不同。舉例來說，若頻域轉換方程式所採用的設定階數為3階，後續的進行控制或轉換流程所採 用的階數可為數個1階疊加組合，以加快運算速度，此部分並不侷限。

於一實施例中，上述設定階數可為複數個1階所組成，也就是說，若設定的階數為2(即n=2)，則n可以由兩個1階所疊加組成，也就是n=1，重建點數N為4點，相較於n=2的重建點數6點的運算量少，最後將兩個1階進行疊加，即可有相同之減震效果。若設定的階數為4(即n=4)則n可以由四個1階疊加組合，以此類推。或者上述設定階數n也可為複數個多階所組成，例如若設定的階數為6(即n=6)，則n可以由三個2階或兩個3階疊加組合，以此類推。透過上述疊加組合的優點舉例說明如下，概因以n=1計算上述頻域轉換方程式之運算量會小於以n=2計算上述頻域轉換方程式之運算量，亦可達成同樣之減震效果，以達到加快運算的速度，也就是以n=1計算上述頻域轉換方程式兩次的速度會相較於以n=2計算上述頻域轉換方程式一次快速(因n=1的運算量遠小於n=2的運算量，即使疊加兩次的運算速度也較n=2快)。此進一步解釋如下，上述重建之點數N指的是將振動訊號轉換為頻率域訊號的重建點數(點數越大代表須計算的量越多)，而N的大小是取決於n，例如：N=2n+2，因此，n=1時，N=4，表示只需要使用過去3次的歷史資料，而n=3時，N=8，表示需要使用過去7次的歷史資料，因此多個1階的運算量可低於單個多階的運算量。

上述處理器20(可為CPU)是連接於頻域濾波器10，處理器20接收頻率域訊號S2並依據振動位置資訊計算出減振控制訊號S3。也就是說，處理器20是針對引擎2振動訊號S1在頻率域所萃取出 的振動位置計算出減振控制訊號S3。也可以說是，處理器20是針對頻率域訊號S2的波形特徵(即角度的變化)去計算出減振控制訊號S3。

在一實施例中，處理器20可內建一適應性控制方程式，而能夠透過適應性控制方程式依據頻率域訊號S2的振動位置資訊計算出減振控制訊號S3，此計算過程以下簡稱適應性控制(adaptive control)，於一些實施態樣中，處理器20也可透過其它運算控制(如Neuro-fuzzy control或Sliding-mode control)計算出減振控制訊號S3，此並不侷限。而上述適應性控制方程式為：

上述轉換器30連接於處理器20，轉換器30接收減振控制訊號S3並將減振控制訊號S3轉換為時域訊號S4。也就是說，轉換器30是將處理器20在頻域運算的結果(即減振控制訊號S3，為位置域特性)轉換到時間域。

在一實施例中，轉換器30可內建有時域轉換方程式，而能夠透過時域轉換方程式將減振控制訊號S3轉換為時域訊號S4，所述時域轉換方程式為：V(t)=x ₀+x ₁ cosω ₁ t+y ₁ sinω ₁ t+x ₂ cosω ₂ t+y ₂ sinω ₂ t+…+x _n cosω _n t+y _n sinω _n t。

控制器40(可為PI回受控制器或PID回受控制器，但並 不侷限於上述控制器)連接於轉換器30，控制器40接收時域訊號S4並依據時域訊號S4控制馬達3對引擎2輸出反向力矩，上述馬達3可連接於引擎2的輸出軸，而直接對輸出軸注入反向力矩，且馬達3可達到對引擎2產生主動阻尼而減振以及同時發電之雙重效果。值得一提的是，透過轉換器30將減振控制訊號S3(也就是處理器20在頻域運算的結果)轉換為時域訊號S4，能夠直接與原有的控制架構進行疊加，達到不需變更系統架構直接導入之優點。也就是說，控制器40會將時域訊號S4與引擎2直接傳給控制器40的訊號作疊加計算，以判斷出控制馬達3對引擎2輸出的反向力矩。

詳言之，請參第1圖所示，在原有的控制架構中(即沒有本發明之頻域濾波器10、處理器20及轉換器30)，由於引擎2的振動訊號S1為時間域，因此，原有的控制架構中都是針對時間域的振動訊號S1進行控制，而本發明透過頻域濾波器10、處理器20及轉換器30，將振動訊號S1轉換為頻率域運算後再轉回時間域，可直接導入原有處理時間域的架構，達到上述不需變更原系統架構而能直接導入之優點。簡而言之，本發明是在不更動原控制架構的前提下，以外加的方式實現。

如第2圖所示，本發明更提供一種引擎減振控制方法，包括下列步驟：步驟S01：接收引擎所產生之振動訊號。步驟S02：轉換振動訊號為頻率域訊號，頻率域訊號包括振動位置資訊，可藉由上述頻域轉換方程式轉換振動訊號為頻率域訊號。步驟S03：依據振 動位置資訊計算出減振控制訊號，可藉由上述適應性控制方程式計算出減振控制訊號。步驟S04：轉換減振控制訊號為時域訊號，可藉由上述時域轉換方程式轉換減振控制訊號為時域訊號。步驟S05：依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩。

如第4圖所示，是透過本發明引擎減振控制裝置或方法控制後之引擎速度輸出特性圖。其中的實線是表示未受到本發明控制(也就是未經過適應性控制)之引擎2行程的力矩振盪，而虛線是表示受到本發明控制後(也就是有經過適應性控制)引擎2行程之力矩振盪，由圖可看出，在透過本發明引擎減振控制裝置或方法控制後，引擎2行程之力矩振盪幅度明顯緩和，達到穩定引擎2輸出轉速而減振之效果。

如第5圖所示，是本發明控制誤差之特性曲線圖。其中實線是表示未受到本發明控制後(也就是未經過適應性控制)之控制誤差，而虛線是表示受到本發明控制後(也就是有經過適應性控制)之控制誤差，相較之下，本發明有效減少控制誤差的範圍，而達到較佳的減振效果。

如第6圖所示，為本發明控制後馬達力矩與引擎力矩之比較圖。其中實線為引擎2力矩的波形(為正扭力)，虛線部分為馬達3力矩(為負扭力)，需要解釋的是，馬達3力矩是以多數虛線相互疊加而形成的波形為主，因引擎2啟動時會處於不穩定狀態，因此會有一些虛線是落於馬達3力矩的波形外，而引擎2力矩波形與馬達3力矩波形兩者的交集區域越多，表示主動阻尼的效果越好。由圖中顯 示，引擎2力矩的波形與馬達3力矩的波形大致上相符(尤其是引擎2力矩波形的第二個波峰)，已可有效消除引擎2的振動。然而，此圖是以0階與2階疊加計算並控制後所得到的結果，若上述頻域轉換方程式所設定階數越高效果則會更佳，此可藉由第3圖所示之引擎2力矩干擾的諧波進行分析，以判斷諧波的分佈，進而挑選合適的設定階數。

綜上所述，本發明透過頻域濾波器將引擎的振動訊號轉換為頻率域訊號，能夠將振動訊號的時間域與位置域分離，因此可不受時間的影響而能夠直接取得引擎振動的位置(即振動位置資訊)，再藉由處理器依據引擎振動的位置去計算出減振控制訊號(也就是針對發生振動的位置算出需要控制的參數)，之後轉換器再將減振控制訊號轉換為時域訊號以符合原有車輛的控制架構，控制器即可直接依據時域訊號控制馬達對引擎輸出反向力矩，而產生主動阻尼的效果，以對引擎扭力振動進行緩和與消除，達到改善或消除引擎振動之功能與目的而增加行車舒適性，且使引擎扭力能夠平穩輸出而提升動力輸出性能之功效。除此之外，此種架構的優點在於，可適用於各種諧波所組成的振動訊號(也就是可適用於任何形式之引擎振動特性)，且可在不改變原有車輛控制架構下實現。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧引擎減振控制裝置

2‧‧‧引擎

3‧‧‧馬達

10‧‧‧頻域濾波器

20‧‧‧處理器

30‧‧‧轉換器

40‧‧‧控制器

S1‧‧‧振動訊號

S2‧‧‧頻率域訊號

S3‧‧‧減振控制訊號

S4‧‧‧時域訊號

Claims (4)

1. 一種引擎減振控制裝置，連接於一引擎與一馬達，該引擎減振控制裝置包括：一頻域濾波器，接收該引擎所產生的一振動訊號並以一頻域轉換方程式將該振動訊號轉換為一頻率域訊號，其中該頻率域訊號包括有一振動位置資訊，該頻域轉換方程式為：ξ _n (k)=H_n(z)e(k)=N/2(α_n+jβ_n)，其中 ，N為欲重建之一 點數，n為一設定階數；一處理器，連接於該頻域濾波器，該處理器接收該頻率域訊號並依據該振動位置資訊與一適應性控制方程式計算出一減振控制訊號，該適應性控制方程式為： ，其中 ，ω _n =nω ₁， 一轉換器，連接於該處理器，該轉換器接收該減振控制訊號並以一時域轉換方程式將該減振控制訊號轉換為一時域訊號，該時域轉換方程式為：V(t)=x ₀+x ₁ cosω ₁ t+y ₁ sinω ₁ t+x ₂ cosω ₂ t+y ₂ sinω ₂ t+…+x _n cosω _n t+y _n stnω _n t；及一控制器，連接於該轉換器，該控制器接收該時域訊號並依據該時域訊號控制該馬達對該引擎輸出一反向力矩。
2. 如請求項1所述之引擎減振控制裝置，其中該設定階數為複數個1階所組成，或者該設定階數為複數個多階所組成。
3. 一種引擎減振控制方法，包括下列步驟：(a)接收一引擎所產生之一振動訊號；(b)以一頻域轉換方程式轉換該振動訊號為一頻率域訊號，該頻率域訊號包括一振動位置資訊，該頻域轉換方程式為：ξ _n (k)=H_n(z)e(k)=N/2(α_n+jβ_n)，其中 ，N為欲重建之 一點數，n為一設定階數；(c)依據該振動位置資訊與一適應性控制方程式計算出一減振控制訊號，該適應性控制方程式為： ，其中 ，ω _n =nω ₁， (d)以一時域轉換方程式轉換該減振控制訊號為一時域訊號，該時域轉換方程式為：V(t)=x ₀+x ₁ cosω ₁ t+y ₁ sinω ₁ t+x ₂ cosω ₂ t+y ₂ sinω ₂ t+…+x _n cosω _n t+y _n sinω _n t；及(e)依據該時域訊號控制一馬達對該引擎輸出一反向力矩。
4. 如請求項3所述之引擎減振控制方法，其中該設定階數為複數個1階所組成，或者該設定階數為複數個多階所組成。