CN109795470B - 一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法，属于发动机、电机或混合动力系统电子控制领域。该方法令发动机按照设定工况运行；在每种工况下，整车控制单元采集发动机状态参数、控制参数以附加传感器信号；发动机瞬时转矩观测器根据上述参数和信号及曲轴信号估计得到发动机瞬时转矩波动信号发送到电机控制器；电机控制器计算目标谐波转矩并生成控制信号发送给电机；电机根据接收到的控制信号产生对应的谐波转矩；发动机的瞬时转矩和电机产生的谐波转矩同时作用在传动轴上，实现动力系统的减振。本发明无需在动力系统上安装额外硬件，在电机上附加高频谐波转矩抑制传动系统振动，提高车辆驾驶的舒适性。

Description

一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法

技术领域

本发明属于发动机、电机或混合动力系统电子控制领域，特别提出一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法。

背景技术

发动机起动过程是影响驾驶过程舒适性的关键因素。尤其在混合动力系统中，发动机的高油耗工况(通常为低速、小负荷)和怠速被取消，并且电机能够实现发动机的快速起动。因此，在混合动力车辆行驶过程中，发动机存在频繁的起动和停机。所以，减小起动过程中的振动是保证混合动力车辆舒适性的关键。在起动过程中，发动机的振动主要来源于两个方面，第一，在发动机发火(柴油机为喷油，汽油机为火花塞点火)之前，纯压缩和惯性力会导致轴系的振动；第二，发动机发火引起的转矩突变也会引起轴系的振动。同样，在发动机变载过程中，喷油量(柴油机)或者可燃混合气充量(汽油机)的变化会导致发动机各个缸的气体作用力发生变化，这会导致轴系转速的波动，给驾驶的舒适性造成威胁。

现有的动力系统减振方法主要是通过设计最优起动转速曲线来解决起动过程的振动问题。该方法首先对发动机和起动电机系统进行动力学建模，研究发动机倒拖过程中的轴系振动特性。再提取能够表征振动水平的指标，比如回转不均匀性系数，通过最优化算法设计发动机的最优起动转速曲线，使得振动指标达到最优。最后通过最优起动转速的闭环控制，让电机倒拖发动机沿着最优起动转速曲线起动，以验证算法的有效性。但是，这种方法需要建立复杂的物理模型，优化结果只是实现振动指标最优，难以消除倒拖时压缩发动机气缸内气体引起的振动。不仅如此，发动机发火后，电机通常不再介入，难以处理燃烧转矩突变引起的振动。在传统的发动机动力系统中，还可以通过安装飞轮和/扭转减震器来削减振动的能量。还有一些方法通过改变动态过程中的控制参数，比如喷油正时和废气再循环率，来限制气缸内的最大压力升高率，实现平稳起动或变载。上述解决起动和变载过程振动的方法虽然能够在一定程度上减小振动，提升驾驶过程的舒适性，但并没有抓住引起转速波动的本质问题，即发动机工作过程中的转矩波动。在混合动力系统中，发动机与电机存在机械耦合，电机快速的响应速度为通过电机的主动干预来削减发动机工作时，尤其是动态过程中的转速波动提供了可能。

发动机的控制系统采用基于转矩的控制体系，即根据司机的油门踏板位置和发动机转速查表得到发动机的转矩需求。其他控制参数基于发动机的转矩需求和转速查表得到。该转矩需求为发动机的平均转矩，而非发动机的瞬时转矩的波动。同时，平均转矩并不能解决混合动力系统的高频问题，比如振动问题。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法。本发明不需要在动力系统上安装额外的硬件，通过发动机瞬时转矩观测器对发动机的瞬时转矩波动进行估计，电机控制单元MCU通过处理转矩观测器估计的瞬时转矩波动，在电机上附加高频的谐波转矩，抑制传动系统的振动，提高车辆驾驶过程的舒适性。

本发明提出一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)令发动机在发动机控制单元的控制下按照设定工况运行；

2)在每种工况下，整车控制单元采集发动机的状态参数、控制参数以及附加传感器信号；

3)发动机瞬时转矩观测器接收步骤2)采集的发动机状态参数、控制参数、附加传感器信号以及由安装在曲轴输出端的编码器测量得到的曲轴信号，进行发动机瞬时转矩波动的估计，得到发动机瞬时转矩波动信号并发送到电机控制器；

4)电机控制器通过发动机瞬时转矩波动信号，计算得到目标谐波转矩并生成相应的控制信号发送给电机；

5)电机根据接收到的控制信号产生对应的谐波转矩；

6)发动机的瞬时转矩和电机产生的谐波转矩同时作用在传动轴上，实现动力系统的减振。

本发明的特点及有益效果在于：

1)本发明不必增加额外的硬件，发动机瞬时转矩观测器能够对发动机的瞬时转矩波动进行估计，保证电机对发动机转矩变化的精确响应。

2)MCU通过处理转矩观测器估计的瞬时转矩波动，在电机上附加高频的谐波转矩，该谐波转矩与发动机瞬时转矩波动共同作用在传动系上，在高控制频域实现振动的削减。

3)本发明通过瞬时转矩波动的估计和电机的高频控制实现传动系的主动减振，能够用于更多的发动机应用场景，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明方法的整体流程图。

图2是本发明实施例的采用本发明方法后的实施效果示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法，整体流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

1)令发动机在ECU(发动机控制单元)的控制下按照设定工况运行(本发明中，设定工况可为任何工况，包含起动、停机、加速和减速等等，应用场景没有限制)。

2)在每种工况下，VCU(整车控制单元)采集包括但不限于发动机的状态参数(进气、冷却参数)、控制参数(喷油、废气再循环率参数)以及附加传感器信号(在本实施例中附加传感器为在发动机每个缸内安装缸压传感器，所述缸压传感器采集缸内压力信号；在实际操作中，传感器种类可以根据需要添加)。

3)烧写在VCU内的发动机瞬时转矩观测器接收步骤2)采集的发动机状态参数、控制参数、附加传感器信号以及由安装在曲轴输出端的编码器测量得到的曲轴信号(编码器用于得到曲轴的位置，每个电控发动机均有编码器，不需要额外安装)，进行发动机瞬时转矩波动的估计，得到发动机瞬时转矩波动信号并发送到电机控制器MCU。

4)MCU通过发动机瞬时转矩波动信号，计算得到能够实现轴系减振的目标谐波转矩并生成相应的控制信号发送给电机。

5)电机根据接收到的控制信号产生对应的谐波转矩；

6)发动机的瞬时转矩和电机产生的谐波转矩同时作用在传动轴上，通过两种动力源输出转矩波动的相互抵消，减小发动机的转速波动，提高动力系统的平顺性，实现动力系统的减振。

本发明中发动机、电机和ECU均可以采用常规部件。为实现高频应用，VCU和MCU的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)发送速率应在1ms的数量级。

所述步骤3)进行发动机瞬时转矩波动的估计，对于发动机的每个缸，可采用的公式如下：

其中，r为曲柄半径，

为曲拐转角，β为连杆摆角，λ＝r/l为曲柄连杆比，l为连杆大小头中心距，D为气缸直径，p_g为缸内气体绝对压力，p_b为曲轴箱气体绝对压力，I_crank为曲轴等效转动惯量。连杆摆角

为发动机的摩擦转矩，与曲轴位置和曲轴瞬时转速有关，可由经验公式或者实验手段得到；m_hz为活塞质量，m_lA为连杆小头等效质量，ω为曲轴转速；

所述步骤4)的目标谐波转矩可采用如下方法计算得到，对于n缸发动机：

其中，M_t__i代表发动机第i个缸的发动机瞬时转矩波动的估计，n为发动机的缸数。本发明方法的实施效果如图2所示。图2中，为典型起动过程中发动机的转矩波动。图中灰色虚线为传统加载过程中传动系统的转速波动，黑色实线为采用本发明方法后的转速波动。典型的发动机起动过程包含两个部分，即发动机发火前和发火后。在发动机发火前(对于柴油机而言是喷油，汽油机是火花塞点火)，电机拖动发动机加速。在压缩冲程，活塞压缩气缸内工质，在膨胀冲程，气缸内工质推动活塞做功，纯压缩过程中转矩的变化将导致起动过程中转速的波动。在发动机发火后，燃料燃烧释放热量，使得气缸内压力骤然升高，推动活塞对外输出燃烧转矩。因此，发动机发火的瞬间会导致转矩的突变，转矩波动范围明显增加。可以看到，采用本方法后，传动系统的转速波动明显减小，平顺性得到改善。

附图和上述实施方式的结果示例仅用于说明通过附加电机谐波转矩减小发动机起动过程振动的方法和步骤。需要指出，附图中的起动过程仅为动态过程的一个典型应用场景，动态过程应包含但不限于发动机的起动、停机、变载和变速。另外，应用的传统动力系统或混合动力构型、各个部件的结构、型号、连接方式和制作工艺以及各个模块采用的算法都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于发动机瞬时转矩观测器的动力系统主动减振方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)令发动机在发动机控制单元的控制下按照设定工况运行；

2)在每种工况下，整车控制单元采集发动机的状态参数、控制参数以及附加传感器信号；

3)发动机瞬时转矩观测器接收步骤2)采集的发动机状态参数、控制参数、附加传感器信号以及由安装在曲轴输出端的编码器测量得到的曲轴信号，进行发动机瞬时转矩波动的估计，得到发动机瞬时转矩波动信号并发送到电机控制器；所述进行发动机瞬时转矩波动的估计，表达式如下：

其中，r为曲柄半径，

为曲拐转角，β为连杆摆角，λ＝r/l为曲柄连杆比，l为连杆大小头中心距，D为气缸直径，p_g为缸内气体绝对压力，p_b为曲轴箱气体绝对压力，I_crank为曲轴等效转动惯量；连杆摆角

为发动机的摩擦转矩；m_hz为活塞质量，m_lA为连杆小头等效质量，ω为曲轴转速；

4)电机控制器通过发动机瞬时转矩波动信号，计算得到目标谐波转矩并生成相应的控制信号发送给电机；

5)电机根据接收到的控制信号产生对应的谐波转矩；

6)发动机的瞬时转矩和电机产生的谐波转矩同时作用在传动轴上，实现动力系统的减振。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加传感器信号为缸内压力信号，该信号通过在发动机每个缸内安装缸压传感器获取。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中目标谐波转矩计算表达式如下：

其中，M_{t_i}代表发动机第i个缸的发动机瞬时转矩波动的估计，n为发动机的缸数。

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