CN101396977B - 道路车辆的转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种包括传动系(3)的道路车辆的转矩控制方法，传动系(3)设有发动机(4)、以及将发动机(4)所产生转矩传递至路面的动力传动机构(6)；该控制方法包括以下步骤：确定目标转矩(T_e-targ)；将传动系(3)模拟为具有特征机械惯量和特征扭转弹性的单个物理零部件；确定车辆的当前负荷转矩(T_r)；根据目标转矩(T_e-targ)和当前负荷转矩(T_r)确定传动系(3)的目标扭转(Δθ_targ)；确定传动系(3)的当前扭转(Δθ)和传动系(3)的当前扭转速度(Δθ’)；根据目标扭转(Δθ_targ)、当前扭转(Δθ)、当前扭转速度(Δθ’)、以及当前负荷转矩(T_r)，确定基于能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)；以及，使用能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)来控制发动机(4)的转矩产生。

Description

道路车辆的转矩控制方法

技术领域

本发明涉及道路车辆的转矩控制方法。

背景技术

道路车辆包括有传动系，传动系设置有产生转矩的发动机、以及将发动机产生的转矩传递至路面的动力传动机构；例如，在设置有内燃机的前轮驱动车辆中，动力传动机构包括离合器、变速箱、差速器、两个半轴、以及两个车轮，各车轮具有对橡胶轮胎提供支撑作用的金属轮辋。

道路车辆的传动系具有特征机械惯量(characteristic mechanicalinertia)和特征扭转弹性(characteristic torsional elasticity)，也就是，为了传递由发动机产生的转矩，传动系的所有部件必须经受扭转变形或扭转，各部件的扭转程度取决于各自的机械特征而有所不同。当转矩传动中出现突然变化时(例如，在齿轮咬合的情况下快速松开离合器且驱动轮对路面的抓地力良好时)，这种转矩变化导致车辆纵向加速度发生相应变化。由于传动系具有扭转弹性，转矩的纵向车辆加速度阶梯性变化(step variation)在终值附近引发振荡，振荡逐渐衰减。车辆纵向加速度的这种振荡会快速衰减(数秒)；然而，如果没有得到有效平衡，就会使车辆乘员明显感觉到这种振荡并受到干扰。

为了消除发动机转矩的变化所引发的车辆纵向加速度振荡，现有技术已提出在转矩控制操作中实施最大减振算法(maximumdamping algorithm)。最大减振算法的使用是有效的，其能够完全或几乎全部消除车辆纵向加速度振荡，但是，最大减振算法的应用明显使传动系负荷增加的速度减慢，因此使效率降低，驾驶人员能够感觉到车辆动态反应性劣化。

发明内容

本发明的目的是提供一种道路车辆的转矩控制方法，不仅能克服上述不足，而且容易实现以及具有良好的成本效益。

根据本发明，提供了一种包括传动系的道路车辆的转矩控制方法，传动系设置有发动机，发动机与驱动轴连接，以及还设置有将发动机产生的转矩通过驱动轮传递至路面的动力传动机构；该方法包括以下步骤：

确定目标转矩；以及

基于目标转矩，控制发动机的转矩产生；

上述方法的特征在于进一步包括以下步骤：

将传动系模拟为单个物理零部件，该单个物理零部件具有特征机械惯量和特征扭转弹性，以及，为了传递一定驱动转矩，必须经受相应的扭转；

确定车辆的当前负荷转矩；

根据目标转矩和当前负荷转矩，确定传动系的目标扭转；

确定传动系的当前扭转和当前扭转速度；

根据目标扭转、当前扭转、当前扭转速度、以及当前负荷转矩，确定基于能量平衡所要求的转矩；以及

使用基于能量平衡所要求的转矩来控制发动机的转矩产生。

附图说明

下面，参照附图对本发明进行说明，图示为非限定性的实施方式，其中：

图1是后轮驱动车辆传动系的概略图，对其实施本发明转矩控制方法；

图2是方框图，示出图1中传动系控制单元的操作；以及

图3是另一方框图，示出图1中传动系控制单元的操作。

具体实施方式

在图1中，标号1表示整个车辆，设置有两个前轮(未示出)和两个后驱动轮2，后驱动轮2接收来自传动系3的转矩。

传动系3包括：内燃机4，其布置在前部位置，并设置有以角速度ω_m转动的驱动轴5；以及动力传动机构6，其将内燃机4产生的转矩通过后驱动轮2传递至路面。动力传动机构6包括机械变速箱7，变速箱7设有以角速度ω₁转动并与驱动轴5相连的第一轴8，并设有以角速度ω₂转动且与传动轴10相连的第二轴9，传动轴10向后驱动轮2传递运动。传动轴10的末端设有差速器11，从差速器11伸出一对半轴12，各半轴12与后驱动轮2结合。在驱动轴5与变速箱7的第一轴8之间，布置有伺服控制盘式离合器13，以使驱动轴5与变速箱7的第一轴8离合。

传动系3进一步包括电控单元14(通常称为ECU并概略性示出)，其控制传动系3并驱动内燃机4以调节转矩的产生。

如图2所示，电控单元14进行内燃机4所产生转矩的控制操作，控制操作用于主要根据加速踏板的位置以已知的方式确定由驾驶人员请求的转矩T_e-rqst(可选择地，取代驾驶人员，转矩T_e-rqst可以由自动巡航控制提出请求)。被请求转矩T_e-rqst由信号处理算法进行处理，信号处理算法由计算功能块15(能量整形传动系阻尼(Energy ShapingDriveline Damping)，通常由首字母缩写词ESDD表示)实施，以及，根据被请求转矩T_e-rqst确定设定点转矩T_e-sp；设定点转矩T_e-sp代表一定是由内燃机4产生的瞬时转矩；设定点转矩T_e-sp直接提供到控制器16，控制器16调节内燃机4，使其产生设定点转矩T_e-sp。

内燃机4在转数N时将有效转矩T_e瞬时输出至驱动轴5；这样，由内燃机4产生的有效转矩T_e经由传动系6传递至路面。利用估值器17(已知)对有效转矩T_e进行估算，以及，用特定传感器(通常为发音轮)18测量转数N；然后，将有效转矩T_e的估计值和转数N的测量值反馈至计算功能块15，在计算功能块15中实现确定设定点转矩T_e-sp的信号处理算法。

如图3所示，确定设定点转矩T_e-sp并在计算功能块15中实现的信号处理算法包括：在限幅功能块19中处理被请求转矩T_e-rqst，其中被请求转矩T_e-rqst被限制在包括最小转矩T_min(也就是，内燃机4可输出的最小转矩)和最大转矩T_max(也就是，内燃机4可输出的最大转矩)的范围之内。最小转矩T_min和最大转矩T_max的值考虑了内燃机4的物理极限，并且根据内燃机4的具体状况可以是可变值。

限幅功能块19的输出供给滤波功能块20，滤波功能块20执行低通式滤波，以消除可能的高频噪音以及超出内燃机4物理响应极限的过快转矩变化请求，这种过快转矩变化请求通常来自取代驾驶人员的自动巡航控制。滤波特征取决于过渡过程的类型(汽车1的加速或减速)、并取决于一定数量的代表车辆状态的信号(例如，变速箱7啮合的传动比、以及内燃机4的转数N)。

滤波功能块20提供被请求且经滤波的转矩T_fil，由最大值功能块21处理转矩T_fil，最大值功能块21输出被请求且经滤波的转矩T_fil与怠速转矩T_idle之间的最大值，怠速转矩T_idle由怠速调节器提供，并代表内燃机4必须输出以维持所要求怠速比的最小转矩值，以避免内燃机4意外熄火或出现不希望的不规则运转。最大值功能块21的输出，也就是被请求且经滤波的转矩T_fil与怠速转矩T_idle之间的最大值，表示为目标转矩T_e-targ，其表示在平稳状态(也就是，在由传动系3扭转弹性确定的振荡特性的过渡过程耗尽之后)需要达到并维持的转矩目标。

目标转矩T_e-targ由计算功能块22进行处理，计算功能块22根据目标转矩T_e-targ确定传动系3的目标扭转Δθ_targ。换而言之，传动系3具有特征机械惯量和特征扭转弹性，这样，为了传递由内燃机4产生的转矩，传动系3的所有部件必须经受扭转变形或扭转。在计算功能块22所实现的算法中，传动系3模拟为单个物理部件，其具有特征机械惯量和特征扭转弹性，而且为了传递一定的转矩而必须经受相应的扭转；因此，计算功能块22能够估计出传动系3模型为了传递目标转矩T_e-targ所需的目标扭转Δθ_targ。

目标扭转Δθ_targ由以下公式进行计算：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg }=f_{\mathrm{Tw}}^{-1}(\frac{J_v}{J_e+J_v}\·T_{e-t\arg }+\frac{J_e}{J_e+J_v}\·T_r)$

Δθ_targ传动系3的目标扭转[弧度(rad)]；

f_Tw(Δθ)表达传动系3的弹性反应转矩的函数[Nm]；

J_e传递至驱动轴5的内燃机4的转动惯量[kg·m²]；

J_v传递至驱动轴5的汽车1的转动惯量[kg·m²]；

T_e-targ目标转矩[Nm]；

T_r传递至驱动轴5的汽车1的当前负荷转矩[Nm]。

换而言之，传动系3模拟为单个物理部件，其具有特征机械惯量和特征扭转弹性，以及，为了传递一定转矩其必须经受相应扭转；因此，通过建立传动系3的这种模型，可以根据传动系3模型的扭转Δθ，确定表达传动系3弹性反应的函数f_Tw(Δθ)。最后，确定函数f_Tw(Δθ)的反函数，以根据目标转矩T_e-targ确定目标扭转Δθ_targ。

汽车1的当前负荷转矩T_r由观测器23进行估算，观测器23接收有效转矩T_e和转数N作为输入，以及，除了输出汽车1的当前负荷转矩T_r之外，还输出传动系3的当前扭转Δθ和传动系3的当前扭转速度Δθ’(也就是，当前扭转Δθ对时间的一阶导数)。

传动系3的目标扭转Δθ_targ提供给另一计算功能块24，该计算功能块24能根据目标扭转Δθ_targ确定能量平衡所要求的转矩T_e-EC。换而言之，计算功能块24中实现的算法基于能量平衡，这允许获得以下公式：

$T_{e,\mathrm{EC}}=\frac{J_e+J_v}{J_v}\text{\·[}\frac{E(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg },0)-E(\mathrm{\Δ\θ},\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′})}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg }-\mathrm{\Δ\θ}}-\frac{J_e}{J_e+J_v}\·T_r+b\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}]$

T_e-EC能量平衡所要求的转矩[Nm]；

J_e传递至驱动轴5的内燃机4的转动惯量[kg·m²]；

J_v传递至驱动轴5的汽车1的转动惯量[kg·m²]；

E(Δθ，Δθ’)表达传动系3的总机械能的函数[J]；

Δθ_targ传动系3的目标扭转[弧度]；

Δθ传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转[弧度]；

Δθ’传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转速度[弧度/s]；

b传动系3的阻尼系数[Nm/s]；

T_r传递至驱动轴5的汽车1的当前负荷转矩[Nm]。

表达传动系3的总机械能(也就是，传动系3的惯性能和弹性扭转能的总和)的函数E(Δθ，Δθ’)基于下列公式：

$E(\mathrm{\Δ\θ},\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{\mathrm{\θ}})\≡\frac{1}{2}\·\frac{J_e{J}_v}{J_e+J_v}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′2}+V\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)$

E(Δθ，Δθ’)传动系3的总机械能[J]；

J_e传递至驱动轴5的内燃机4的转动惯量[kg·m²]；

J_v传递至驱动轴5的汽车1的转动惯量[kg·m²]；

Δθ传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转[弧度]；

Δθ’传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转速度[弧度/s]；

V(Δθ)提供传动系3的弹性扭转能的函数[J]。

在由下列表达式指出的奇点区I之外，计算功能块24确定上述能量平衡所要求的转矩T_e-EC：

(Δθ，Δθ′)∈I，I≡{(Δθ，Δθ′)：|Δθ_targ-Δθ|＜Θ_switch，|Δθ′|＜Ψ_switch}

Δθ传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转[弧度]；

Δθ’传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转速度[弧度/s]；

Δθ_targ传动系3的目标扭转[弧度]；

Θ_switch第一门限值；

Ψ_switch第二门限值。

换而言之，只有当目标扭转Δθ_targ明显不同于当前扭转Δθ、且当前扭转速度Δθ’明显不为零时，计算功能块24确定上述能量平衡所要求的转矩T_e-EC。

当计算功能块24不再能确定上述能量平衡所要求的转矩T_e-EC时，计算功能块25确定最大阻尼所要求的转矩T_e-CL，例如使用下列公式：

T_e-CL＝T_e-targ-G_i·Δθ′

T_e-CL最大阻尼所要求的转矩[Nm]；

T_e-targ目标转矩[Nm]；

G_i阻尼常数；

Δθ’传递至驱动轴5的传动系3的当前扭转速度[弧度/s]。

阻尼常数G_i的值可根据驱动轴而不同，并且与期望的阻尼程度成正比。

基于能量平衡所要求的转矩T_e-EC和最大阻尼所要求的转矩T_e-CL提供给协调器26，协调器26还接收目标转矩T_e-targ并具有选择功能，选择输入的哪个转矩作为直接提供给控制器16(如先前所述)的设定点转矩T_e-sp。在由被请求转矩T_e-rqst的变化所触发的过渡过程的第一瞬时，使用基于能量平衡所要求的转矩T_e-EC作为设定点转矩T_e-sp，而当由被请求转矩T_e-rqst的变化所触发的过渡过程接近耗尽(也就是，当前扭转Δθ接近于目标扭转Δθ_targ且当前扭转速度Δθ’较慢)时，使用基于最大阻尼所要求的转矩T_e-CL作为设定点转矩T_e-sp；最终，当由被请求转矩T_e-rqst的变化所触发的过渡过程耗尽(也就是，当前扭转Δθ等于目标扭转Δθ_targ，且当前扭转速度Δθ’为零)时，使用目标转矩T_e-targ作为设定点转矩T_e-sp。应当注意到，协调器26还接收当前扭转Δθ和当前扭转速度Δθ’，以确定何时使用能量平衡所要求的转矩T_e-EC、以及何时使用目标转矩T_e-targ。

在由被请求转矩T_e-rqst的变化所触发的过渡过程的情况下，由内燃机4所产生转矩的上述控制操作呈现许多优点，因为在现代汽车1中实现起来简单且成本低(也就是，不需要在已正常设置的零部件基础上再安装附加的零部件)，以及最重要的是既有效(也就是，能完全消除汽车1的纵向加速度振荡)又具有效率(也就是，不影响汽车1的动态性能，因而能最小化过渡过程所需时间)。仿真实验已经证明：在由被请求转矩T_e-rqst的变化触发过渡过程的情况下，相对仅仅基于最大阻尼算法的传统控制操作，由内燃机4所产生转矩的上述控制操作使过渡过程时间减半。

Claims (9)

1.一种道路车辆的转矩控制方法，所述车辆包括传动系(3)，所述传动系(3)设置内燃机(4)，内燃机(4)配置有驱动轴(5)，以及设置有将所述内燃机(4)产生的转矩通过驱动轮(2)传递至路面的动力传动机构(6)，所述方法包括以下步骤：

确定目标转矩(T_e-targ)，其表示在平稳状态需要达到并维持的转矩目标；

基于所述目标转矩(T_e-targ)控制所述内燃机(4)的转矩产生；以及

将所述传动系(3)模拟为单个物理零部件，所述单个物理零部件具有特征机械惯量和特征扭转弹性，以及，为了传递一定驱动转矩，所述单个物理零部件必须经受相应的扭转，以产生所述传动系(3)的模型；

所述方法的特征在于进一步包括以下步骤：

通过建立所述传动系(3)的这种模型，根据所述传动系(3)的模型的扭转(Δθ)，确定表达所述传动系(3)的弹性反应转矩的函数(f_Tw(Δθ))；

确定所述车辆的当前负荷转矩(T_r)；

由所述函数(f_Tw(Δθ))的反函数及根据所述目标转矩(T_e-targ)和所述当前负荷转矩(T_r)，确定所述传动系(3)的目标扭转(Δθ_targ)；

确定所述传动系(3)的当前扭转(Δθ)和所述传动系(3)的当前扭转速度(Δθ′)；

根据所述目标扭转(Δθ_targ)、所述当前扭转(Δθ)、所述当前扭转速度(Δθ′)、以及所述当前负荷转矩(T_r)，由下式计算基于能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)：

$T_{e-\mathrm{EC}}=\frac{J_e-J_v}{J_v}\·[\frac{E(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg },0)-E(\mathrm{\Δ\θ},\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′})}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg }-\mathrm{\Δ\θ}}-\frac{J_e}{J_e+J_v}\·T_r+b\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}]$

T_e-EC    基于能量平衡所要求的转矩，[Nm]；

J_e    传递至驱动轴(5)的内燃机(4)的转动惯量[kg·m²]；

J_v    传递至驱动轴(5)的汽车的转动惯量[kg·m²]；

E(Δθ，Δθ′)表达传动系(3)的总机械能的函数[J]；

Δθ_targ  传动系(3)的目标扭转，[弧度]；

Δθ    传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转[弧度]；

Δθ′  传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转速度[弧度/s]；

b       传动系(3)的阻尼系数[Nm/s]；

T_r      传递至驱动轴(5)的汽车的当前负荷转矩[Nm]；

使用基于所述能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)控制所述内燃机(4)的转矩产生。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标扭转(Δθ_targ)由下式计算：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{t\arg }=f_{\mathrm{Tw}}^{-1}(\frac{J_v}{J_e+J_v}\·T_{e-t\arg }+\frac{J_e}{J_e+J_v}\·T_r)$

Δθ_targ    传动系(3)的目标扭转[弧度]；

f_Tw(Δθ)表达传动系(3)的弹性反应转矩的函数[Nm]；

J_e    传递至驱动轴(5)的内燃机(4)的转动惯量[kg·m²]；

J_v    传递至驱动轴(5)的汽车的转动惯量[kg·m²]；

T_e-targ  目标转矩[Nm]；

T_r    传递至驱动轴(5)的汽车的当前负荷转矩[Nm]。

3.根据权利要求1所述的方法，其中表达所述传动系(3)的总机械能的函数E(Δθ，Δθ′)基于下式：

$E(\mathrm{\Δ\θ},\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′})\≡\frac{1}{2}\·\frac{J_e{J}_v}{J_e+J_v}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′2}+V\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)$

E(Δθ，Δθ′)传动系(3)的总机械能[J]；

J_e    传递至驱动轴(5)的内燃机(4)的转动惯量[kg·m²]；

J_v    传递至驱动轴(5)的汽车的转动惯量，[kg·m²]；

Δθ  传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转[弧度]；

Δθ′  传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转速度[弧度/s]；

V(Δθ)提供传动系(3)的弹性扭转能的函数[J]。

4.根据权利要求1所述的方法，其中只有当所述目标扭转(Δθ_targ)明显不同于所述当前扭转(Δθ)，以及所述当前扭转速度(Δθ′)明显不为零，并在下式所表示的奇点区(I)之外时，确定基于所述能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)：

(Δθ，Δθ′)∈I，I≡{(Δθ，Δθ′)：|Δθ_targ-Δθ|＜Θ_switch，|Δθ′|＜Ψ_switch}

Δθ  传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转[弧度]；

Δθ′  传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转速度[弧度/s]；

Δθ_targ  传动系(3)的目标扭转[弧度]；

Θ_switch  第一门限值；

Ψ_switch  第二门限值。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

在所述奇点区(I)内，确定最大阻尼所要求的转矩(T_e-CL)；以及

使用所述最大阻尼所要求的转矩(T_e-CL)控制所述内燃机(4)转矩的产生。

6.根据权利要求5所述的方法，其中基于所述最大阻尼所要求的转矩(T_e-CL)由下式计算：

T_e-CL＝T_e-t arg-G_i·Δθ′

T_e-CL    基于最大阻尼所要求的转矩，[Nm]；

T_e-targ   目标转矩[Nm]；

G_i        阻尼常数；

Δθ′    传递至驱动轴(5)的传动系(3)的当前扭转速度[弧度/s]。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤：

在被请求转矩(T_e-rqst)的变化所引发的过渡过程的第一瞬间，使用基于所述能量平衡所要求的转矩(T_e-EC)控制所述内燃机(4)的转矩产生；

当由所述被请求转矩(T_e-rqst)的变化所触发的过渡过程接近耗尽时，使用基于所述最大阻尼所要求的转矩(T_e-CL)控制所述内燃机(4)的转矩产生；以及

当由所述被请求转矩(T_e-rqst)的变化所触发的过渡过程耗尽时，使用所述目标转矩(T_e-targ)来控制所述内燃机(4)的转矩产生。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，利用观测器(23)确定所述当前扭转(Δθ)、所述当前扭转速度(Δθ′)、以及所述当前负荷转矩(T_r)，所述观测器(23)接收所述内燃机产生的有效转矩(T_e)和所述内燃机(4)的转数(N)作为输入值。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

确定由驾驶人员或自动巡航控制请求的转矩(T_e-rqst)；

将所述被请求转矩(T_e-rqst)限制在一定范围内，所述范围由最小转矩(T_min)和最大转矩(T_max)并考虑到所述内燃机(4)的物理极限构成；

利用低通式滤波器对经限制的被请求转矩(T_e-rqst)进行滤波，以获得被请求且经滤波的转矩(T_fil)；以及

将所述被请求且经滤波的转矩(T_fil)和怠速转矩(T_idle)之间的最大值确定为所述目标转矩(T_e-targ)。

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