带有嵌套回路阻尼控制的传动系系统的制作方法

传动系经由可旋转轴或轮轴将扭矩从扭矩产生装置传递到联接的负载上。例如，车辆传动系系统可包括经由齿轮动力传动装置联接到驱动轮轴的一个或多个高压电机。来自电机的扭矩被施加到驱动轮轴，以例如通过旋转一组驱动轮、转动发电机以发电或旋转推进器轴来为负载提供动力。电机可单独起作用或与内燃机或另一扭矩产生装置一起起作用。由于旋转电机的相互作用和电机联接到的驱动轮轴的刚度，可能导致不期望的传动系振动。取决于传动系系统的结构和动力学，这种传动系振动可以以相对高的共振频率发生。

技术实现要素：

本文公开了一种传动系系统以及基于嵌套回路的主动阻尼控制方法。包括联接到可旋转轮轴的一个或多个电机的传动系系统可以以相对高的共振频率经历传动系振动或震动。作为说明性示例，具有相对较小质量的电机可以经由齿轮装置连接到轮轴。在这样的实施例中，轮轴的扭转可导致上述高频传动系振动，此后使用本公开中呈现的嵌套回路控制架构来主动地阻尼这种振动。

在嵌套回路控制架构中，称为内部控制回路或内部回路的相对较快的控制回路用于将传动系振动的共振频率降低到适合在相对较慢的控制回路——即，外部控制回路/外部回路——内进行阻尼的水平。在特定实施例中，传动系系统可包括电机、变速器、经由变速器连接到电机的轮轴、连接到轮轴的负载，以及嵌套回路控制系统。响应于命令扭矩并使转子轴联接到轮轴的电机产生输出扭矩，该输出扭矩使得轮轴和联接的负载以产生具有上述高共振频率的传动系振动的方式旋转。

该实施例中的控制系统使用嵌套控制回路产生命令扭矩。外部回路和内部回路分别以低于(即，慢于)和高于(即，快于)控制共振频率所需的临界速率的取样速率运行。例如，采样速率通常需要在比被阻尼的振动快8-10倍的量级，例如160hz采样速率能够处理16hz振动等等。因此，就共振频率而言，“高”是指超过嵌套控制回路(即外部回路)的较慢采样速率的控制能力的频率水平。

较快的内部回路通过感测马达轴的旋转加速度并产生基于加速度的反馈扭矩命令来修改马达的有效惯性，该反馈扭矩命令与感测的加速度成负比例，从而产生虚拟惯性。内部控制回路从外部控制回路接收命令扭矩，并响应于命令扭矩产生修改的扭矩命令、转子轴的感测马达速度和的感测加速度值。外部控制回路计算电机的参考速度和马达速度之间的差值，并使用计算的差值产生命令扭矩。

在某些实施例中，负载可包括机动车辆的驱动轮。这种车辆可以具体化为混合动力电动车辆，在这种情况下，控制系统可以包括混合控制处理器(hcp)和马达控制处理器(mcp)。该配置中的hcp产生前馈扭矩命令，该前馈扭矩命令又用作驱动电机的命令扭矩。mcp响应于命令扭矩控制电机的运行。mcp的采样速率可以比hcp的采样速率快至少三倍。例如，hcp可以具有6.25ms的采样速率，而mcp可以具有2ms的采样速率。

内部控制回路可以响应于命令扭矩将电机的加速度值传送到反馈逻辑块，并且使用反馈逻辑块确定反馈扭矩项。然后将反馈扭矩项添加到命令扭矩上。

还公开了一种机动车辆，其包括驱动轮、联接到驱动轮的驱动轮轴、变速器、电机和控制系统。电机最终响应于命令扭矩，使转子轴经由变速器联接到驱动轮轴，并产生输出扭矩，该输出扭矩使得驱动轮轴和驱动轮以产生具有高共振频率的传动系振动的方式旋转。控制系统具有上面提到的嵌套控制回路架构。

另外，提供了一种方法，用于使用具有上述嵌套回路控制架构的控制系统来主动地阻尼传动系系统中的高频传动系振动。该方法包括使用嵌套控制回路架构产生命令扭矩，其中外部控制回路以低于控制高共振频率所需的临界速率的采样速率运行，并且内部控制回路以高于临界速率的采样速率运行。该方法包括确定内部控制回路内的命令扭矩和转子轴的马达速度，并经由外部控制回路来产生命令扭矩。这是通过从参考速度减去马达速度来实现的。该方法还包括使用来自外部回路的命令扭矩经由控制系统来控制电机，以使电机的转子轴旋转驱动轮轴和联接的负载。

通过以下结合附图对实现本公开的最佳模式的详细描述，本公开的上述和其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是具有传动系和控制系统的示例传动系系统的示意图，该控制系统具有嵌套回路控制架构，该架构被配置为阻尼传动系上的高共振频率。

图2是由本文描述的嵌套回路控制系统使能的频移的示意图，其中在水平轴上绘出频率并且在垂直轴上绘出传动系振动的振幅。

图3是示出本方法的示意性质量弹簧阻尼器模型。

图4是描述这里描述的嵌套回路控制系统的运行的逻辑框图。

本公开易于进行各种修改和替换形式，并且已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例，并且将在本文中对其进行详细描述。本公开的新颖方面不限于附图中示出的特定形式。而是，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改、等同物、组合或替代。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记在若干视图中指代相同或相似的部件，并且从图1开始，示例性车辆10包括具有传动系系统11的动力系20。传动系系统11包括一个或多个扭矩产生装置、至少一个轮轴和连接到轮轴的从动负载。在所示实施例中，负载包括与路面14滚动摩擦接触的驱动轮12。传动系系统11包括具有转子轴21r的电机(ma)21，转子轴21r经由输入离合器ci联接到变速器(t)24的输入轴22。变速器24可包括适于将输出扭矩传递(箭头to)到输出轴/驱动轮轴25以及从驱动轮轴25传递到车轮12的一个或多个行星齿轮组(未示出)或其他齿轮传动装置。一些实施例还可包括联接到输入轴22或驱动轮轴25的另一电机(mb)121。

车辆10包括控制系统(c)50，其提供传动系系统11的主动阻尼。有时，传动系系统11内的传动系振动可以以相对高的共振频率发生。为了简化这种高频振动的主动阻尼，控制系统50使用如图4所示并且在下面描述的嵌套回路控制架构，其中相对较快的内部控制回路103将传动系振动的共振频率降低到适合于由相对较慢的外部控制回路101进行主动阻尼的频率水平。

内部控制回路103嵌套在外部控制回路101内，如图4所示。为了说明简单，控制系统50被示为单个控制装置，但是可以具体化为与电机21中的相应一个配合的单独的马达控制处理器(mcp)，以及利用可选的附加扭矩产生装置协调和调节电机21和121的整体运行的混合控制处理器(hcp)。下面参考图4更详细地描述分布式mcp/hcp配置。

作为说明，电机21(以及可能的电机121)可以具体化为具有承载ac电压(vac)的相绕组23的多相电牵引马达。当相绕组23通电时，电机21的转子和连接的马达输出轴将马达扭矩传递(箭头tm)到驱动轮12或另一联接负载，例如皮带和滑轮系统或螺旋桨(未示出)。在所示的示例性实施例中，功率逆变器模块(pim)26通过承载dc电压(vdc)的高压dc总线23电连接到能量存储系统(ess)28，并且可运行，用于例如使用一系列半导体开关、二极管和其他半导体部件(未示出)和脉冲宽度调制或其他合适的切换技术，将来自ess28的直流电压和相应电流逆变为交流电压(vac)和电流。

图1的动力系20可选地包括发电机(gn)16，gn16由来自内燃机(e)13的发动机扭矩(箭头te)选择性地驱动，发动机扭矩可以通过发动机曲轴15提供。在车辆10是扩展范围的电动车辆时，其中推进扭矩仅经由电机21提供，发动机扭矩用于发电以便对ess28进行再充电和/或根据需要直接为电机21供电，这样的实施例可以使用。对于车辆10上的较低电压/辅助系统，辅助动力模块(apm)29可以电连接到dc总线23并且被配置为将总线电压降低到辅助12-15vdc电平。然后apm29可以将辅助电压输出到辅助dc电压总线(vaux)27和连接到其上的辅助电池(baux)30。

参照图2和图3进一步说明图1的控制系统50的运行。图2描绘了示例性传动系振动迹线33，其中水平轴上描绘了以赫兹(hz)为单位的频率，并且在垂直轴上描绘了以分贝(db)为单位的振幅。振动迹线33具有位于频率fo之上的初始共振频率fi，fo可以用图1和4中所示的外部控制回路101的较慢采样速率来控制。结果，仅由外部控制回路101进行的主动阻尼控制努力将不会影响高频传动系振动。因此，控制系统50及其嵌套控制回路架构的运行旨在使振动迹线33沿箭头a的方向移位到较低的最终频率ff。较低的最终频率ff低于可以用外部控制回路101的采样速率控制的频率fo，且因此可以使用较慢的外部控制回路101进行有效地阻尼。

如图3所示，通过图1的控制系统50的运行而被主动阻尼的特定传动系系统11可被建模为弹簧质量阻尼器组件40。作用在传动系系统11的质块(mdl)上的力f1(t)引起传动系系统11的位移x1(t)。因为传动系系统11具有校准的弹簧力(k1)和刚度(c1)，控制系统50使用在较快的内部控制回路103中电机21的马达速度的导数(即，加速度值)并且将控制力kaccx’1(t)施加到传动系系统11。

上述控制动作相当于增加传动系系统11的惯性。结果，传动系系统11的固有共振频率(ωn)从降低为通过调整控制增益kacc，控制系统50能够将内部控制回路103中的共振频率降低到低于外部控制回路101的采样频率。

图4示出了用于图1的控制系统50的嵌套控制逻辑100。控制系统50被配置为产生命令扭矩(thcp)，作为图1的控制信号(箭头cco)的一部分，其中在嵌套控制回路配置内确定电机21的马达速度(nm)。内部控制回路103可以是图1中所示的电机21的mcp的内部逻辑的一部分，在这种情况下，内部控制回路的采样速率可以比外部控制回路101的采样速率快三倍或更多倍，例如，对于外部控制回路101和内部控制回路103而言分别为2.0ms和6.5ms。

外部控制回路101被配置为例如从基于参数的模型、估计值或计算值来接收电机21的参考速度(nref)。当电机21连接到驱动轮时，图1的电机21应当在没有振动的情况下旋转，若如此配置，则可以在hcp中计算的参考速度(nref)是标称速度。为此，模型可以接收诸如请求的加速度和挡位状态的操作者输入，以及诸如当前挡位状态、车辆10和电机21和121的速度、温度等信息，并使用这些信息产生参考速度(nref)。

响应于这样的输入，外部控制回路101使用前馈块(ffhcp)102来产生命令扭矩(thcp)，其中命令扭矩(thcp)对应于误差校正的参考速度(nref)，即图1的控制器50从参考速度(nref)中减去测量或计算的马达速度(nm)以产生命令扭矩(thcp)。命令扭矩(thcp)被馈送到内部控制回路103中，最终，内部控制回路103确定使电机21产生命令扭矩(thcp)所需的电流和切换运行。

内部控制回路103被配置为将来自外部控制回路101的命令扭矩(thcp)修改为修改的扭矩命令(tmcp)，即，发送到电机21的扭矩命令，以产生尽可能接近现有的马达约束的命令扭矩(thcp)，并确定图1的转子轴22的加速度()。当使用多个电机21时，相应的内部控制回路(未示出)可以用于附加的电机，即，每个电机21可以使用一个内部控制回路/mcp。为简单起见，在下面描述一个电机21的配置。

响应于接收到来自外部控制回路101的命令扭矩(thcp)，对修改的扭矩命令(tmcp)和加速度值()的确定在内部控制回路103中发生。在内部控制回路103的前馈块(ffmcp)104内，控制系统50产生修改的扭矩命令(tmcp)，然后将其馈送到物理系统(g)105中，在这种情况下，具有电机21的传动系系统11如图1所示。电机21通过以实际马达速度(nm)和加速度值()旋转来响应修改的扭矩命令(tmcp)。

此后，内部控制回路103的反馈块106例如使用校准的增益来计算作为加速度值()的函数的扭矩反馈项(tfb)，然后将其添加到外部控制回路101的命令扭矩(thcp)。因此，块105和106一起在控制逻辑100内添加扭矩反馈分量，该扭矩反馈分量基于由内部控制回路103感测或报告的电机21的加速度值()。

反馈块108(fbhcp)也用作外部控制回路101的一部分。在块108，来自内部控制回路103的马达速度(nm)由控制系统50加载，例如，通过应用上面参考图3所述的校准增益(kacc)。块108可以是信号传递，因此有效地从逻辑流程中消除。然而，在实践中，块108可以包含用于去除噪声并补偿相位滞后以及所传送的马达速度(nm)和参考速度(nref)之间的时间差的滤波器。

使用所公开的方法，图4的较快的内部控制回路101用于将物理设备——在这种情况下是传动系系统11——的特性修改成使得较慢的外部控制回路101能够主动地阻尼传动系振动。内部控制回路103的反馈回路基本上产生虚拟惯性，并且因此有效地增加电机21的惯性以充分降低传动系系统11的频率响应以使较慢的外部控制回路101主动地阻尼振动。以这种方式，控制系统50的智能可以被分配用于最佳控制，并且可以扩展到具有高于慢速控制器的阻尼能力的共振频率的动态系统。

虽然已经详细描述了用于执行本公开的最佳模式，但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本公开的各种替代设计和实施例。