CN102336192A

CN102336192A - 采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法

Info

Publication number: CN102336192A
Application number: CN2011101868747A
Authority: CN
Inventors: 张臻; 陈雷; 牛敬彬; 高晓杰
Original assignee: Suzhou Pixcir Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Macao tecka new energy technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102336192B

Abstract

本发明公开了一种采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，该控制方法基于使能条件判断模块、反馈控制器、相位调节器和死区环节建立；当使能条件判断模块输出的使能条件成立时，对驱动电机输出一个补偿扭矩，该补偿扭矩通过驱动电机输出的实际电机转速信号依次通过反馈控制器、相位调节器以及死区环节的处理后获得；反之，对驱动电机输出的补偿扭矩为0。由此可知：本发明通过反馈控制器输出的补偿扭矩，需要经过相位调节器的相位调整，以消除整车控制器中算出的补偿扭矩与扭矩执行装置（如电机控制器和驱动电机）之间的通讯延迟；再经过死区环节进行稳态过滤，使得反馈控制后不减弱驾驶员正常的加速或减速需求。

Description

采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法

技术领域

本发明涉及一种提高由电机驱动的车辆整车驾驶舒适性的防抖控制方法，尤其是一种采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，在车辆低速时急加速、急松制动以及特定转速区间下通过带相位调节器的扭矩反馈控制方法来抑制或者减轻电机引起的车辆抖动和振动。

背景技术

驱动电机作为混合动力以及纯电动车的一个重要的动力来源，往往由于设计、制造以及控制等原因存在输出转矩的波动,不仅影响电机性能、引起振动，而且也会引起整车动力总成的振动，汽车的振动直接作用在人体上，对汽车的舒适性产生直接的影响。

试验证明由电机驱动的车辆驾驶过程中，在以下三种工况下车辆抖动明显，驾驶员及乘客感觉明显不适：

(1)为追求加速性能，在车辆起步或低速时突然急踩油门，此时对电机的扭矩需求会迅速上升，伴随电机转速的波动和振荡，若没有合适的电机扭矩控制方法，驾驶员能明显感觉到车辆抖动和振动。

(2)低车速工况下，当驾驶员为了急减速而猛踩制动踏板时，电机需求扭矩的迅速下降也会给驾驶员带来车辆抖动和振动的感觉。

(3)每辆汽车在制造、组装完成之后，动力系统的共振频率就固定下来了，电机驱动的车辆当电机转速达到转速区间（Vmin,,Vmax）内，转速的振动频率接近动力系统的共振频率，从而引发车辆的振动，本专利中，把此转速称为临界电机转速。一般来说该转速下车速偏低，因此驾驶员会感觉到明显的车辆振动。

对于工况(1)和(2)，可通过降低扭矩变化率使抖动减少，但是驾驶员的驾驶意图将被滞后，从而降低车辆的动力性（加速工况）或增加制动距离（制动工况）从而带来潜在危险。工况(1)、(2)和(3)也可通过合理匹配动力系统悬置的阻尼和刚度，使得共振频率对应的车速提高到中高速区，从而减轻驾驶员不舒适的感觉，但如此会带来开发成本的增加，以及对其他车辆振动噪声问题的解决带来负面影响。

对于以上工况，如果利用电机系统的转速信号来做反馈控制，通过控制增加车辆动力传动系统的阻尼，可以减弱车辆的转速波动和抖动。然而实际应用中往往因为驱动电机的扭矩响应存在时滞；再加上上层的扭矩请求指令可能是在整车控制器中算出而实际的扭矩执行却是在电机控制器和电机中完成，两者之间存在双向的通讯延迟。这些因素使得扭矩输出跟不上期望的扭矩指令，单纯的反馈控制达不到效果且有时还会使系统不稳定从而产生反面效果，这在转速波动频率超过10HZ 时尤为明显。

在汽车动力系统领域现有的扭矩控制技术尤其是驾驶性技术都是针对于传统发动机的，以电动机为动力源的车辆防抖控制方法鲜有提及。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，其在车辆低速时急加速、急松制动以及特定转速区间下通过带相位调节器的扭矩反馈控制方法来抑制或者减轻电机引起的车辆抖动和振动。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，基于使能条件判断模块、反馈控制器、相位调节器和死区环节建立；当使能条件判断模块输出的使能条件成立时，对驱动电机输出一个补偿扭矩，该补偿扭矩通过驱动电机输出的实际电机转速信号依次通过反馈控制器、相位调节器以及死区环节的处理后获得；反之，对驱动电机输出的补偿扭矩为0；其中：所述的使能条件判断模块包括对以下三种情况进行判定：A、急踩加速踏板；B、急松制动踏板；C、电机转速处于临界转速区；当使能条件判断模块根据加速踏板位置、制动踏板位置、电机转速以及档位判定出车辆当前处于上述A、B、C三种工况之一时，使能条件成立；其中：所述的使能条件判断模块包括对以下三种情况进行判定：A、急踩加速踏板；B、急松制动踏板；C、电机转速处于临界转速区；当使能条件判断模块判定出车辆当前处于上述A、B、C三种工况之一时，使能条件成立；所述的反馈控制器，用于对驱动电机输出的实际电机转速信号进行微分负反馈，其先将实际电机转速信号进行微分算法得到实际转速变化量；再将该实际转速变化量乘以一可调的负增益环节K，即可得到反馈控制器输出的补偿扭矩；所述的相位调节器，用于对反馈控制器输出的补偿扭矩进行相位调节，其传递函数G(s)如下：

Figure 2011101868747100002DEST_PATH_IMAGE002

，而

Figure 2011101868747100002DEST_PATH_IMAGE004

；

Figure 2011101868747100002DEST_PATH_IMAGE006

其中：s为拉普拉斯算子；

Figure 2011101868747100002DEST_PATH_IMAGE008

为圆周率

；w为车辆在不带反馈控制情况下经过临界转速区时存在的转速波动频率；

Figure 2011101868747100002DEST_PATH_IMAGE012

为单调可调参数；所述的死区环节，用于过滤掉驱动电机输出转速变化量的稳态部分对应的扭矩补偿；其通过确定补偿扭矩的标定值，当输入死区环节的补偿扭矩的绝对值小于补偿扭矩标定值时，死区环节的输出值为0；否则，死区环节的输出等于相位调节器的输出。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明采用使能条件判断模块进行车辆工况判断，以对车辆处于急加速、急松制动以及特定转速区间下三种工况中任一工况时进行扭矩补偿。同时，本发明通过反馈控制器输出的补偿扭矩，需要经过相位调节器的相位调整，以消除整车控制器中算出的补偿扭矩与扭矩执行装置（如电机控制器和驱动电机）之间的通讯延迟；另外，经过相位调节器相位调整后的补偿扭矩，还需经过死区环节进行稳态过滤，使得反馈控制后不减弱驾驶员正常的加速或减速需求，即只有当转速波动频率高时补偿控制才起作用，而稳定的转速增加或减小不受影响。

附图说明

图1为带相位调节的转速反馈控制方法控制流程图；

图2为相位调节器控制图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图。以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明所述的采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，基于使能条件判断模块、反馈控制器、相位调节器和死区环节建立；当使能条件判断模块输出的使能条件成立时，对驱动电机输出一个补偿扭矩，该补偿扭矩通过驱动电机输出的实际电机转速信号依次通过反馈控制器、相位调节器以及死区环节的处理后获得；反之，对驱动电机输出的补偿扭矩为0；反之，输出补偿扭矩为0；其中：所述的使能条件判断模块包括对以下三种情况进行判定：A、急踩加速踏板；B、急松制动踏板；C、电机转速处于临界转速区；当使能条件判断模块判定出车辆当前处于上述A、B、C三种工况之一时，使能条件成立；所述的反馈控制器，用于对驱动电机输出的实际电机转速信号进行微分负反馈，其先将实际电机转速信号进行微分算法得到实际转速变化量；再将该实际转速变化量乘以一可调的负增益环节K，即可得到反馈控制器输出的补偿扭矩；所述的相位调节器，用于对反馈控制器输出的补偿扭矩进行相位调节，其传递函数G(s)如下：

，而；

其中：s为拉普拉斯算子；

为圆周率；w为车辆在不带反馈控制情况下经过临界转速区时存在的转速波动频率；

所述使能条件判断模块进行使能条件的判定过程具体为：

首先，使能条件判断模块内预设加速踏板位置增加量上限值A₀、制动踏板位置减少量上限值B₀、电机临界转速下限值V_min,上线值V_max以及使能条件成立持续时间t₁、t₂；其中：加速踏板位置增加量上限值A₀、制动踏板位置减少量上限值B₀、电机临界转速下限值V_min,上线值V_max以及使能条件成立持续时间t₁、t₂均可以根据实际需求设定，一般可以通过实验确定，当然也可以根据经验设定；

然后，a),当使能条件判断模块接收到加速踏板位置增加量A大于预设的加速踏板位置增加量上限值A₀，若当前为前进或后退挡，则判定出当前车辆处于急踩加速踏板工况，输出使能条件成立，此种工况的使能条件成立时间超过预设的使能条件成立持续时长t₁后，使能条件判断模块输出使能条件不成立；b),当使能条件判断模块接收到的制动踏板位置减少量B大于预设的制动踏板位置减少量上限值B₀，若当前档位为前进或后退挡，则判定出当前车辆处于急松制动踏板工况，输出使能条件成立，此种工况的使能条件成立时间超过预设的使能条件成立持续时长t₂后，使能条件判断模块输出使能条件不成立；c),当使能条件判断模块接收到的电机转速在区间内（V_min,,V_max），若当前档位为前进或后退挡，则判定出当前车辆电机转速逼近临界转速。

因此，本发明所述的电动汽车包含一个整车控制器和一个驱动电机控制器及驱动电机。通过整车控制器计算出驾驶员的扭矩需求，该扭矩需求通过通讯（如CAN通讯）传递给电机控制器，以使电机控制器控制驱动电机使车辆前进。

本发明所述的电动汽车同样也可以只有一个驱动电机控制器及其驱动电机。驱动电机控制器中既运行整车控制逻辑，又控制驱动电机以使车辆运行。

本发明所述的扭矩控制方法包括使能条件判断模块、反馈控制器、相位调节器和死区环节。在使能条件判断模块使能条件成立时，该控制方法输出的补偿扭矩为依次经过反馈控制器、相位调节器和死区环节后得到；否则该控制方法的输出补偿扭矩为0。

本发明所述的使能条件判断模块包含三种情况：1.急踩加速踏板2.急松制动踏板3.处于临界转速附近。通过判断若干周期(可标定，初值设为10)内的加速踏板位置AccelPedalPosn_pct增加量大于标定值A₀、档位为前进或后退档来识别急踩加速踏板；通过判断若干周期内(可标定，初值设为10)的制动踏板位置BrkPedalPosn_pct减少量大于标定值B₀、档位为前进或后退档来识别急松制动踏板工况；通过判断电机转速TMSpeed_rpm在区间（V_min,,V_max），内、档位为前进或后退档来判断当前是否处于临界转速附近。当识别出当前车辆处于上述三种情况中任意一种时，本发明所述的扭矩控制方法使能条件得到使能，且情况1和情况2时条件成立分别经过标定时间t₁、t₂后使能条件自动不成立，而情况3只要一直满足条件则使能条件始终成立。

本发明所述的反馈控制器基于电动车或混合动力车用驱动电机控制器传递的实际电机转速信号TMSpeed_rpm，将该实际转速信号进行微分算法得到转速的变化量；该微分算法可以是当前周期转速减去前一周期转速，也可以是当前周期转速与前第几个周期的转速之差除以周期数，即转速变化量等于(TMSpeed_rpm-z^(-n)*TMSpeed_rpm)/n，其中z为离散域算子，z^(-n)*TMSpeed_rpm表示前面第n个时刻的实际电机转速。该实际转速变化量乘以一可调的负增益环节K得到补偿扭矩作为反馈控制器的输出Tfb_out。通过上述方式可以保证：该补偿扭矩在转速变化量为正时是一负值，以抑制转速突然增加；在转速变化量为负时是一正值，以抑制转速突然减小。负增益环节K幅值越大时，对转速抑制的能力越强，但过大的幅值会导致系统不稳定。

本发明所述的相位调节器以电机转速反馈控制器的输出补偿扭矩Tfb_out为输入，经过相位调节器后得到相位上超前或滞后的补偿扭矩Tpc_out。该相位调节器一般为超前环节以增加系统的相位裕度，提高相对稳定性；该相位调节器也可以根据需要为一滞后环节。

本发明所述的相位调节器具有如下所示的传递函数G(s)：

，而

；

其中:

s为拉普拉斯算子。

H_lpf(s)为一低通滤波器，其参数T2的值由车辆在不带反馈控制情况下经过临界转速区时存在的转速波动频率w(单位：Hz)来确定，两者具有下式所示关系：T2=1/(2*pi*w);该转速波动频率w通过开环测得,可以通过计算在车辆临界转速区一段时间内的平均转速波动频率，即一段时间内的波动周期数除以该段时间得到转速波动频率w；也可以通过对临界转速区内的转速信号进行快速傅利叶变换(FFT)后找出能量最强的频率点，该频率点就是转速波动频率w。按照以上公式设定的T2值可以保证只有位于转速波动频率附近的输入信号成分才能被相位调节，而其它输入信号成分的相位基本不受影响。

参数K1的值为单调可调。当-1<K1<0时该相位调节器为一超前环节，K1越接近于-1时相位超前角越接近于90°，当K1=0时相位调节为0，相当于此相位调节器不起作用；当K1>0时该相位调节器为一滞后环节，K1越大滞后作用越强；将上述G(s)环节根据系统采样周期作离散化后得到控制器可以应用的工程量。

本发明所述的相位调节器的实现通过以下例子来说明。

假设车辆在不带反馈控制情况下经过临界转速区时存在的转速波动频率为10Hz，控制系统的采样周期为0.01s,则相位调节器的传递函数为：

1

G(s)=1+K1* ———————— ；

1/(2*pi*10)s+1

将G（s）离散化后得到:

0.4665z^(-1)

G(z)=1+K1*————————；

1-0.5335z^(-1)

其中z为离散域算子，z^(-n)表示前面第n个时刻(n=1,2…inf)。

通过实际调试参数K1以获得不同的车辆驾驶性可以确定合适的K1参数值。

为了使得反馈控制后不减弱驾驶员正常的加速或减速需求，即只有当转速波动频率高时补偿控制才起作用，而稳定的转速增加或减小不受影响，相位调节器的输出补偿扭矩Tpc_out还需经过一死区环节，以过滤掉转速变化量中的稳态分量对应的扭矩补偿。该死区环节的算法为：当输入Tpc_out的绝对值小于一标定值Tcal时，死区环节的输出为0；否则死区环节的输出等于相位调节器的输出。即:

If abs(Tpc_out)<Tcal THEN

Tdead_out=0;

ELSE

Tdead_out= Tpc_out;

END

将反应驾驶员请求的原始的扭矩请求量减去死去环节的输出补偿扭矩即得到最终的扭矩请求；该扭矩请求通过整车控制器传递给驱动电机控制器，以使驱动电机驱动车辆前进。

通过实施本发明所述的带相位调节器的扭矩控制方法，可以有效地减小由电机驱动的车辆在特定工况下的车辆抖动和振动问题，减弱驱动电机和车辆悬架系统共振带来的转速波动，提高车辆的驾驶舒适性。

Claims

1.一种采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，其特征在于，该控制方法基于使能条件判断模块、反馈控制器、相位调节器和死区环节建立；当使能条件判断模块输出的使能条件成立时，对驱动电机输出一个补偿扭矩，该补偿扭矩通过驱动电机输出的实际电机转速信号依次通过反馈控制器、相位调节器以及死区环节的处理后获得；反之，对驱动电机输出的补偿扭矩为0；其中：

所述的使能条件判断模块包括对以下三种情况进行判定：A、急踩加速踏板；B、急松制动踏板；C、电机转速处于临界转速区；当使能条件判断模块根据加速踏板位置、制动踏板位置、电机转速以及档位判定出车辆当前处于上述A、B、C三种工况之一时，使能条件成立；

所述的反馈控制器，用于对驱动电机输出的实际电机转速信号进行微分负反馈，其先将实际电机转速信号进行微分算法得到实际转速变化量；再将该实际转速变化量乘以一可调的负增益环节K，即可得到反馈控制器输出的补偿扭矩；

所述的相位调节器，用于对反馈控制器输出的补偿扭矩进行相位调节，其传递函数G(s)如下：

Figure 2011101868747100001DEST_PATH_IMAGE002

，而

Figure 2011101868747100001DEST_PATH_IMAGE004

；其中：s为拉普拉斯算子；

Figure 2011101868747100001DEST_PATH_IMAGE008

为圆周率

为单调可调参数；

所述的死区环节，用于过滤掉驱动电机输出转速变化量的稳态部分对应的扭矩补偿；其通过确定补偿扭矩的标定值，当输入死区环节的补偿扭矩的绝对值小于补偿扭矩标定值时，死区环节的输出值为0；否则，死区环节的输出等于相位调节器的输出。

2.根据权利要求1所述采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，其特征在于，所述使能条件判断模块进行使能条件的判定过程具体为：首先，使能条件判断模块内预设加速踏板位置增加量上限值A₀、制动踏板位置减少量上限值B₀、电机临界转速下限值Vmin, 电机临界转速上限值Vmax以及使能条件成立持续时间t₁、t₂；然后，a),当使能条件判断模块接收到加速踏板位置增加量A大于预设的加速踏板位置增加量上限值A₀，且当前档位为非空档，则判定出当前车辆处于急踩加速踏板工况，输出使能条件成立，此种工况的使能条件成立时间超过预设的使能条件成立持续时长t₁后，使能条件判断模块输出使能条件不成立；b),当使能条件判断模块接收到的制动踏板位置减少量B大于预设的制动踏板位置减少量上限值B₀，若当前档位为前进或后退挡，则判定出当前车辆处于急松制动踏板工况，输出使能条件成立，此种工况的使能条件成立时间超过预设的使能条件成立持续时长t₂后，使能条件判断模块输出使能条件不成立；c),当使能条件判断模块接收到的电机转速在区间内（Vmin,,Vmax），若当前档位为前进或后退挡，则判定出当前车辆电机转速逼近临界转速。

3.根据权利要求1所述采用相位调节器平抑汽车扭矩波动的控制方法，其特征在于，所述反馈控制器中的实际转速变化量为当前周期实际转速减去前一周期实际转速；或者为当前周期实际转速与前第n个周期的实际转速之差除以周期数n。