专利名称：电动车辆的动力传动系统阻尼控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动车辆，更详细地说，涉及这样的车辆，其中，主动轴把电动机连接到主动轮。
电动车辆由于其预期的低环境影响而正变得日益重要。当给诸如卡车或者大客车等重型车辆装配上通过减速差动器和一个或多个车轴驱动主动轮的电驱动系时，已经发现，从低速度开始的加速不是平滑的。对加速度中的扰动的分析表明，把转矩耦合到主动轮的主动轴的刚性是这样的，以致车轴往往会扭曲，这与电驱动系的非常小的摩擦力结合在一起导致车辆速度的波动。
必须平滑地加速电动车辆。
根据本发明的一个方面的电动车辆包括电能源和包含输出轴的电动机。所述车辆还包括作为由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源的控制器。控制系统耦合到电能源，耦合到电动机，并且耦合接收转矩指令信号，以便控制所述电动机在所述电动机的输出轴上产生指令的转矩。所述车辆还包括机械变速器，后者包括耦合到电动机的主轴的输入轴并且还包括输出轴。变速器降低输入轴速度以便产生比较低的输出轴速度，同时，随之增大输出轴转矩。主动轮支撑和驱动车辆。长形的主动轴耦合到主动轮，并且耦合到变速器的输出轴，从而把转矩从变速器耦合到主动轮。主动轴具有刚性，后者与车辆的质量相结合，往往会产生不希望有的车辆的颠簸。电动机速度传感器产生代表电动机速度的信号。差动电路包括耦合到由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源的非倒相输入端，并且还包括倒相输入端，用来从指令的转矩信号中减去加到所述差动电路的倒相输入端的信号，以便产生转矩指令信号。阻尼信号发生器耦合到电动机速度传感器，并且耦合到所述差动电路的倒相输入端，用来至少把电动机加速度的低频分量耦合到所述差动电路的倒相输入端。
在本发明的特定的实施例中，变速器是包含第二输出轴的差动器，并且，所述车辆还包括第二主动轮和把该第二主动轮耦合到差动器的第二输出轴的第二车轴。
用来产生阻尼信号的阻尼信号发生器可以包括无限冲激响应横向滤波器，后者包括耦合到电动机速度传感器的、用来接收电动机速度信号的输入端。
该无限冲激响应滤波器可以包括延迟级，后者包括耦合接收电动机速度信号的输入节点、并且还包括在其上出现延迟后的电动机速度信号的输出端。第一加法电路包括倒相输入端和非倒相输入端以及输出端，在该输出端上产生加到所述倒相输入端和非倒相输入端上的信号之间的差值。第二加法电路包括倒相输入端，并且还包括耦合到所述第一加法电路的所述输出端的非倒相输入端。所述第二加法电路还包括在其上产生阻尼信号的输出端。第一乘法器耦合到所述延迟级的所述输入节点，并且耦合到所述第一加法电路的所述非倒相输入端，用来把来自所述节点的电动机速度信号以特定增益耦合到所述第一加法电路的所述非倒相输入端。第二乘法器耦合到所述延迟级的所述输出端，并且耦合到所述第二加法电路的所述倒相输入端，用来把来自所述延迟级的所述输出端的延迟后的电动机速度信号以第二增益耦合到所述第二加法电路的所述倒相输入端。所述第二增益可以等于所述特定增益。反馈通路耦合到所述第二加法电路的输出端，并且耦合到所述第一加法电路的倒相输入端。所述反馈通路包括延迟级和用来将通过所述反馈通路的反馈信号乘以第三增益的第三乘法器。
图1是根据本发明的一个方面的电动车辆的简化的表示；图2是包括图1的电动车辆的控制部分的简化的方框图；图3是图1的车辆的控制和驱动系统的动态的分析的表示；以及图4是图1的装置的阻尼信号发生器的特定实施例的更详细的方框图。
图1中，车辆10包括一对主动轮12l、12r，后者安装在主动轴14l、14r上。主动轴14连接到减速差动器16的主轴上，减速差动器16接收来自电动机18的输出轴18s的转矩。电动机18接收来自用包括控制系统的盒子20举例说明的控制器的电力驱动。控制器20接收来自蓄电池22的电功率，并且响应由用盒子24举例说明的驾驶员控制器产生的指令转矩信号而产生电动机用的控制信号。为了完整起见，还以具有前轮26l、26r的形式举例说明车辆10。
图2是根据本发明的一个方面的车辆的简化的方框图。图2中，与图1的相对应的元件用相同的标号表示。图2中，由驾驶员控制器24产生的代表所需要的转矩的信号加到差分或者误差信号发生电路的非倒相输入端。差分电路210还包括倒相输入端。差分电路210从加到其非倒相输入端的指令转矩信号中减去加到其倒相输入端的阻尼转矩信号的低频分量，从而产生用于加到控制器20的转矩指令信号。控制器20按照其控制规律处理加到其上的转矩指令信号，并且产生加到电动机18的电输入端18p的受控的电功率。电动机18产生指令的转矩。
如上所述，主动轴的刚性在电驱动器的低摩擦力环境下导致不希望有的车辆速度的低速变化。根据本发明，检测电动机速度，并且阻尼转矩信号发生器产生阻尼转矩信号，后者与指令转矩信号相加，从而产生校正后的转矩指令信号，后者抵销不希望有的速度变化的影响。
更详细地说，图2中的电动机速度信号发生器212包括主轴位置传感器214和微分器216，后者对来自位置传感器214的主轴位置信号进行微分，从而产生电动机速度信号。来自电动机速度传感器212的电动机速度信号加到阻尼转矩信号发生器220，后者在信号通道228上产生阻尼转矩信号的低频分量，并且把该信号加到差动电路210。在阻尼转矩信号发生器220内，微分器222对来自速度传感器块212的电动机速度信号进行微分，以便产生与电动机加速度有关的信号。电动机加速度信号加到增益块224，在那里，它们被乘以常数G，以便产生阻尼转矩相关信号。阻尼转矩相关信号在低通滤波器226中被限制在低频率，例如，该频率可以低于10赫兹，以便在信号通道228上产生阻尼转矩的低频分量。车辆运行时，在从指令转矩中减去所述阻尼转矩信号时，便产生转矩指令信号，后者当被按照控制器20的控制规律修改后，便用变化的转矩控制所述电动机，这弥补了由包括主动轴14l和14r的共振元件引起的转矩变化。
为了说明在车辆运行时发现的问题以及在解决该问题时本发明的性质起见，可能忽略车辆上有两根车轴和两对轮子这一事实，而把它们作为一个来处理。另一方面，必须定义车轴的两个端部，为了简单起见，把它们命名为内侧端和外侧端。图2中用14li说明主动轴14l的内侧端，并且该内侧端耦合到差动器16的各轴(未分开表示)之一。主动轴14l的外侧端邻近主动轮12l，并且用14lo表示。
图3是图2的阻尼电路220的实施方案的简化的方框图。图3中，电动机旋转速度信号Krot加到阻尼电路220的输入端220I，从这里，它被加到总体上用310表示的无限冲激响应(ITR)横向滤波器的输入节点312N。图3的滤波器310包括单时钟周期延迟器或者Z-1元件312，后者接收来自节点312N的电动机旋转速度信号Krot并且将它延迟，从而在其输出端312o产生延迟后的电动机旋转速度信号Krot。第一加法电路314既具有倒相输入端又具有非倒相输入端，并且还包括和数或者输出端，后者耦合到第二加法电路316的非倒相输入端。第一乘法器或者增益元件318把来自节点312N的电动机旋转速度信号Krot乘以用值“a”表示的预定的值，并且把相乘后的信号加到第一加法电路314的非倒相输入端。第一加法电路314从加到其非倒相输入端的相乘后的信号中减去加到其倒相输入端的信号的值，并且把最后得到的输出信号加到第二加法电路316的非倒相输入端。
图3中，第二乘法器或者增益元件320将延迟元件312的输出端312o处的延迟后的电动机旋转速度信号Krot乘以预定的值，在本实施例中，该预定值是同一个值“a”。出现在乘法器或者增益元件320的输出端的延迟和相乘后的信号被加到加法电路316的倒相输入端。如上所述，加法电路316从加到其非倒相输入端的值中减去加到其倒相输入端的信号的值。最后得到的差值信号出现在输出端316o，并且对应于阻尼转矩信号的低频分量，后者被阻尼信号发生器220加到图2的通路228。总体上用322表示的反馈信号通路耦合在加法电路316的输出端316o和加法电路314的倒相输入端之间。反馈信号通路322包括与乘法器或者增益元件326级联的单位延迟元件324，后者将延迟后的信号乘以图3中用“b”表示的值。图3中表示的结构对应于实施本发明的一个实施例的软件。
图4是表示车辆的各个部分的特性以及它们的相互关系的简化的方框图。图4中，来自源20的指令转矩信号通过差动电路210加到车辆电驱动系20，后者包括控制器和电动机。驱动系20在用410举例说明的通路上产生代表电动机转矩的机械转矩Tem。通过用412表示的差分块产生电动机转矩和负载转矩之间的差值，出现在信号通路411上的该差值代表加在电动机输出轴上的转矩。由电动机轴上的净转矩产生的电动机轴转速ωrot决定于1/Js，这里，J代表电动机的转子和电动机轴的惯性，而1/s代表积分。
图4中，电动机轴的转速ωrot被加到代表图1的差动器16的齿轮减速比的方框416，后者在车轴14l的内侧端14li处将转速或者速率从ωrot降低到ωaxi。由于没有主动轴的刚性，所以，主动轴14l的内侧端14li的旋转不产生该轴的外侧端的直接的旋转。在时间上(如用积分器418表示的)，由差动器417产生的车轴的内侧端14li的转速(ωaxi)和该轴的外侧端的转速(轮子转速ωwh)之间的差值却在表示积分的方框418的输出端产生该轴的扭转角的变化。所述扭转角θtw当在方框420乘以主动轴的刚性K时，在主动轴14l的两端产生转矩Tax。车轴转矩Tax当在方框422乘以与主动轮12l的半径相关的因子1/Rwheel时，变成线性力Fax。线性力Fax当在方框424中乘以因子1/Ms时产生车辆速度Vvehicle，其中，M是车辆的质量，而1/s是积分。
图4中在方框424的输出端表示的车辆速度Vvehicle当在反馈方框426中乘以因子1/Rwheel时产生车轮转速ωwh，在差动器方框417中从所述内侧车轴速度减去车轮转速ωwh。
通过差动器16的齿轮传动来变换出现在方框420的输出端的车轴转矩Tax，以便产生变换后的转矩Tload，后者被反馈到加法器412，以便从电动机转矩中减去。
本发明所要减小的振荡产生于图4的包括方框417、418、420、422、424和426的环路430。图4中没有模仿摩擦力，因为，在电力传动系中其值是如此小，至少部分地由于没有内燃机的活动曲轴、活塞等等，而更值得注意的是没有可换档传动系，它是摩擦力的主要贡献者，因此，也是阻尼的主要贡献者。因此，没有可换档的传动系可能使驱动系不稳定，而在存在这种传动系的情况下，驱动系会是稳定的。
摩擦力B要是大到足以在图4中模仿，就用虚线框432来描述它，所述虚线框432把框414的输出端连接到差动器框412的另一个倒相输入端。若用方框332描述的摩擦力大到足以提供阻尼，就会反馈转矩分量，以便有助于克服流过方框328的转矩振荡分量。
由阻尼转矩信号发生器220或者图2和4提供的改进通过对电动机的输出端的转速Krot取样并且把电动机的加速度分量反馈到方框210的倒相输入端而起作用，所述电动机加速度分量当通过车辆电驱动系20变换到通路410时提供阻尼信号，如果存在足以提供阻尼的摩擦力，就由方框432来提供这种阻尼信号。更详细地说，微商(derivative)框222人为地提供等效惯性J。
速度的振荡变化影响图4的环路430中所有变量的值。因此，所述振荡往往改变车轴转矩Tax的值。车轴转矩的这种变化通过方框428耦合。如果在特定时刻车轴转矩的变化值是增加的，则在求和点412负载转矩Tload也是增加的。求和点412从电动机转矩Tem中减去车轴转矩的增加值，以便在求和点412的输出端产生转矩的减小值。在求和点412的输出端的这种转矩减小值通过用方框414表示的转子和转子轴的惯性，从而产生转速Kaxi的减小值。所述转速减小值经由方框416返回维持所述振荡的环路430，并且还耦合到阻尼信号发生器220的微分器222。所述微分器从所述减小的轴速度Krotor产生负信号，来自微分器222的负信号被放大和低通滤波，这不影响所述信号的符号。所述负的阻尼信号从低通滤波器226加到加法电路210，在那里，从指令转矩中减去所述负值。减一个负值使加法电路210输出端上的指令转矩增加。所述增加的指令转矩通过用方框20表示的驱动系，并且在通路410上以增加的电动机转矩的形式出现。通路410上的所述增加的电动机转矩和增加的负载转矩一起，在方框414的输入端产生净转矩的基本上不变的值，而不管环路430的振荡特性。制止由所述振荡引起的反馈的变化就稳定了整个车辆控制系统。
本发明的其它实施例对本专业的技术人员来说将是显而易见的。例如，所公开的控制系统可以用硬件、固件或者软件来实现，但是，只要可能，最好用软件。
因此，根据本发明的电动车辆(10)包括电能源(22)和包含输出轴(18s)的电动机(18)。车辆(10)还包括作为由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源(24)的控制器。控制系统(20)耦合到电能源(22)，耦合到电动机(18)，并且耦合接收转矩指令信号，以便控制所述电动机(18)在所述电动机(18)的输出轴上产生指令的转矩。车辆(10)还包括机械变速器(16)，后者包括耦合到电动机(18)的主轴(18s)的输入轴并且还包括输出轴。变速器降低输入轴速度以便产生比较低的输出轴速度，并随之增加输出轴转矩。主动轮(12l)支撑和驱动车辆(10)。长形的主动轴(14l和14r)耦合到主动轮(12l和12r)，并且耦合到变速器(16)的输出轴，从而把转矩从变速器(16)耦合到主动轮(12l和12r)。主动轴具有刚性，后者与车辆的质量相结合，往往会产生不希望有的车辆(10)的颠簸。电动机(18)速度传感器产生代表电动机(18)速度的信号。差动电路(210)包括耦合到由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源(24)的非倒相(+)输入端，并且还包括倒相(-)输入端，用来从指令的转矩信号中减去加到所述差动电路(210)的倒相(-)输入端的信号，以便产生转矩指令信号。阻尼信号发生器(220)耦合到电动机(18)速度传感器(212)，并且耦合到所述差动电路(210)的倒相(-)输入端，用来至少把电动机(18)加速度的低频分量耦合到所述差动电路(210)的倒相(-)输入端。
在本发明的特定的实施例中，变速器(16)是包含第二输出轴的差动器(16)，并且，车辆(10)还包括第二主动轮(12r)和把该第二主动轮(12r)耦合到差动器(16)的第二输出轴的第二车轴(14r)。
用来产生阻尼信号的阻尼信号发生器(220)可以包括无限冲激响应(IIR)横向滤波器(310)，后者包括耦合到电动机(18)速速度传感器(212)的、用来接收电动机(18)的速度信号的输入端(220i)。
无限冲激响应滤波器(310)可以包括延迟级(312)，后者包括耦合接收电动机(18)速度信号的输入节点(312N)，并且还包括在其上出现延迟后的电动机(18)速度信号的输出端(312o)。第一加法电路(314)包括倒相(-)输入端和非倒相(+)输入端以及输出端(314o)，在该输出端上产生加到所述倒相输入端和非倒相输入端上的信号之间的差值。第二加法电路(316)包括倒相(-)输入端，并且还包括耦合到所述第一加法电路(314)的所述输出端(314o)的非倒相(+)输入端。所述第二加法电路(316)还包括在其上产生阻尼信号的输出端(316o)。第一乘法器(318)耦合到所述延迟级(312)的所述输入节点(312N)，并且耦合到所述第一加法电路(314)的所述非倒相(+)输入端，用来把来自所述节点(312N)的电动机(18)速度信号以特定增益(a)耦合到所述第一加法电路(314)的所述非倒相(+)输入端。第二乘法器(320)耦合到所述延迟级(312)的所述输出端(312o)，并且耦合到所述第二加法电路(316)的所述倒相(-)输入端，用来把来自所述延迟级(312)的所述输出端(312o)的延迟后的电动机(18)速度信号以第二增益(a)耦合到所述第二加法电路(316)的所述倒相(-)输入端。所述第二增益可以等于所述特定增益。反馈通路(322)耦合到第二加法电路(316)的输出端(316o)，并且耦合到第一加法电路(314)的倒相(-)输入端。所述反馈通路(322)包括延迟级(324)和用来将通过所述反馈通路(322)的反馈信号乘以第三增益(b)的第三乘法器(326)。
权利要求
1.一种电动车辆，它包括电能源；包含输出轴的电动机；由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源；控制系统，它耦合到所述电能源、耦合到所述电动机并且耦合接收转矩指令信号，用以控制所述电动机，以便在所述电动机的所述输出轴上产生指令的转矩；机械变速器，它包括耦合到所述电动机的所述轴的输入轴并且还包括输出轴，用以降低所述输入轴速度以便产生比较低的输出轴速度，并随之增大输出轴转矩；支撑和驱动所述车辆的主动轮；长形的主动轴，它耦合到所述主动轮并且耦合到所述变速器的所述输出轴，从而把转矩从所述变速器耦合到所述主动轮，所述主动轴具有刚性，后者与所述车辆的质量相结合，往往会产生不希望有的颠簸；电动机速度传感装置，用于产生代表所述电动机速度的信号；差动装置，它包括耦合到所述由驾驶员控制的指令转矩信号的信号源的非倒相输入端，并且还包括倒相输入端，用来从所述指令的转矩信号中减去加到所述倒相输入端的信号，以便产生所述转矩指令信号；以及阻尼信号发生装置，它耦合到所述电动机速度传感装置，并且耦合到所述差动装置的所述倒相输入端，用来至少把电动机加速度的低频分量耦合到所述差动装置的所述倒相输入端。
2.根据权利要求1的车辆，其特征在于所述变速器是包含第二输出轴的差动器，并且，所述车辆还包括第二主动轮和把所述第二主动轮耦合到所述差动器的所述第二输出轴的第二车轴。
3.根据权利要求1的车辆，其特征在于所述阻尼信号发生装置包括用来产生所述阻尼信号的无限冲激响应横向滤波器，它包括耦合到所述电动机速度传感装置的、用来接收所述电动机速度信号的输入端。
4.根据权利要求3的车辆，其特征在于所述无限冲激响应横向滤波器包括延迟级，它包括耦合接收所述电动机速度信号的输入节点、并且还包括在其上出现延迟后的电动机速度信号的输出端；第一加法电路，它包括倒相输入端和非倒相输入端以及输出端，在所述输出端上产生加到所述倒相输入端和非倒相输入端上的信号之间的差值；第二加法电路，它包括倒相输入端、耦合到所述第一加法电路的所述输出端的非倒相输入端以及在其上产生所述阻尼信号的输出端；第一乘法器，它耦合到所述延迟级的所述输入节点，并且耦合到所述第一加法电路的所述非倒相输入端，用来把来自所述节点的所述电动机速度信号以特定增益耦合到所述第一加法电路的所述非倒相输入端；第二乘法器，它耦合到所述延迟级的所述输出端，并且耦合到所述第二加法电路的所述倒相输入端，用来把来自所述延迟级的所述输出端的所述延迟后的电动机速度信号以第二增益耦合到所述第二加法电路的所述倒相输入端；以及反馈通路，它耦合到所述第二加法电路的输出端，并且耦合到所述第一加法电路的所述倒相输入端，所述反馈通路包括延迟级和用来将通过所述反馈通路的反馈信号乘于第三增益的第三乘法器。
5.根据权利要求4的车辆，其特征在于所述第二增益等于所述特定增益。
全文摘要
电动车辆包括驱动减速差动器、车轴和主动轮的电动机。驾驶员操纵装置产生转矩指令信号,后者加到控制器以响应转矩指令而命令将电功率加到电动机以实现所需要的转矩。电驱动的低摩擦力与旋转的随变性或车轴的不理想刚性相结合可能产生低频速度波动或颠簸,尤其在低速时。阻尼装置包括耦合在驾驶员操纵装置和控制器之间的、获得驾驶员指令的转矩和阻尼转矩信号之差的差动电路。通过对电动机速度微分以产生电动机加速度代表信号来产生阻尼转矩信号。
文档编号B60L11/18GK1243793SQ9910538
公开日2000年2月9日 申请日期1999年4月29日 优先权日1998年4月29日
发明者A·P·莱昂斯, S·加塔里斯 申请人:洛克希德马丁公司