專利名稱：電動車輛的動力傳動系統(tǒng)阻尼控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動車輛，更詳細地說，涉及這樣的車輛，其中，主動軸把電動機連接到主動輪。
電動車輛由于其預期的低環(huán)境影響而正變得日益重要。當給諸如卡車或者大客車等重型車輛裝配上通過減速差動器和一個或多個車軸驅動主動輪的電驅動系時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從低速度開始的加速不是平滑的。對加速度中的擾動的分析表明，把轉矩耦合到主動輪的主動軸的剛性是這樣的，以致車軸往往會扭曲，這與電驅動系的非常小的摩擦力結合在一起導致車輛速度的波動。
必須平滑地加速電動車輛。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電動車輛包括電能源和包含輸出軸的電動機。所述車輛還包括作為由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源的控制器。控制系統(tǒng)耦合到電能源，耦合到電動機，并且耦合接收轉矩指令信號，以便控制所述電動機在所述電動機的輸出軸上產(chǎn)生指令的轉矩。所述車輛還包括機械變速器，后者包括耦合到電動機的主軸的輸入軸并且還包括輸出軸。變速器降低輸入軸速度以便產(chǎn)生比較低的輸出軸速度，同時，隨之增大輸出軸轉矩。主動輪支撐和驅動車輛。長形的主動軸耦合到主動輪，并且耦合到變速器的輸出軸，從而把轉矩從變速器耦合到主動輪。主動軸具有剛性，后者與車輛的質量相結合，往往會產(chǎn)生不希望有的車輛的顛簸。電動機速度傳感器產(chǎn)生代表電動機速度的信號。差動電路包括耦合到由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源的非倒相輸入端，并且還包括倒相輸入端，用來從指令的轉矩信號中減去加到所述差動電路的倒相輸入端的信號，以便產(chǎn)生轉矩指令信號。阻尼信號發(fā)生器耦合到電動機速度傳感器，并且耦合到所述差動電路的倒相輸入端，用來至少把電動機加速度的低頻分量耦合到所述差動電路的倒相輸入端。
在本發(fā)明的特定的實施例中，變速器是包含第二輸出軸的差動器，并且，所述車輛還包括第二主動輪和把該第二主動輪耦合到差動器的第二輸出軸的第二車軸。
用來產(chǎn)生阻尼信號的阻尼信號發(fā)生器可以包括無限沖激響應橫向濾波器，后者包括耦合到電動機速度傳感器的、用來接收電動機速度信號的輸入端。
該無限沖激響應濾波器可以包括延遲級，后者包括耦合接收電動機速度信號的輸入節(jié)點、并且還包括在其上出現(xiàn)延遲后的電動機速度信號的輸出端。第一加法電路包括倒相輸入端和非倒相輸入端以及輸出端，在該輸出端上產(chǎn)生加到所述倒相輸入端和非倒相輸入端上的信號之間的差值。第二加法電路包括倒相輸入端，并且還包括耦合到所述第一加法電路的所述輸出端的非倒相輸入端。所述第二加法電路還包括在其上產(chǎn)生阻尼信號的輸出端。第一乘法器耦合到所述延遲級的所述輸入節(jié)點，并且耦合到所述第一加法電路的所述非倒相輸入端，用來把來自所述節(jié)點的電動機速度信號以特定增益耦合到所述第一加法電路的所述非倒相輸入端。第二乘法器耦合到所述延遲級的所述輸出端，并且耦合到所述第二加法電路的所述倒相輸入端，用來把來自所述延遲級的所述輸出端的延遲后的電動機速度信號以第二增益耦合到所述第二加法電路的所述倒相輸入端。所述第二增益可以等于所述特定增益。反饋通路耦合到所述第二加法電路的輸出端，并且耦合到所述第一加法電路的倒相輸入端。所述反饋通路包括延遲級和用來將通過所述反饋通路的反饋信號乘以第三增益的第三乘法器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電動車輛的簡化的表示；圖2是包括圖1的電動車輛的控制部分的簡化的方框圖；圖3是圖1的車輛的控制和驅動系統(tǒng)的動態(tài)的分析的表示；以及圖4是圖1的裝置的阻尼信號發(fā)生器的特定實施例的更詳細的方框圖。
圖1中，車輛10包括一對主動輪12l、12r，后者安裝在主動軸14l、14r上。主動軸14連接到減速差動器16的主軸上，減速差動器16接收來自電動機18的輸出軸18s的轉矩。電動機18接收來自用包括控制系統(tǒng)的盒子20舉例說明的控制器的電力驅動?？刂破?0接收來自蓄電池22的電功率，并且響應由用盒子24舉例說明的駕駛員控制器產(chǎn)生的指令轉矩信號而產(chǎn)生電動機用的控制信號。為了完整起見，還以具有前輪26l、26r的形式舉例說明車輛10。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的車輛的簡化的方框圖。圖2中，與圖1的相對應的元件用相同的標號表示。圖2中，由駕駛員控制器24產(chǎn)生的代表所需要的轉矩的信號加到差分或者誤差信號發(fā)生電路的非倒相輸入端。差分電路210還包括倒相輸入端。差分電路210從加到其非倒相輸入端的指令轉矩信號中減去加到其倒相輸入端的阻尼轉矩信號的低頻分量，從而產(chǎn)生用于加到控制器20的轉矩指令信號?？刂破?0按照其控制規(guī)律處理加到其上的轉矩指令信號，并且產(chǎn)生加到電動機18的電輸入端18p的受控的電功率。電動機18產(chǎn)生指令的轉矩。
如上所述，主動軸的剛性在電驅動器的低摩擦力環(huán)境下導致不希望有的車輛速度的低速變化。根據(jù)本發(fā)明，檢測電動機速度，并且阻尼轉矩信號發(fā)生器產(chǎn)生阻尼轉矩信號，后者與指令轉矩信號相加，從而產(chǎn)生校正后的轉矩指令信號，后者抵銷不希望有的速度變化的影響。
更詳細地說，圖2中的電動機速度信號發(fā)生器212包括主軸位置傳感器214和微分器216，后者對來自位置傳感器214的主軸位置信號進行微分，從而產(chǎn)生電動機速度信號。來自電動機速度傳感器212的電動機速度信號加到阻尼轉矩信號發(fā)生器220，后者在信號通道228上產(chǎn)生阻尼轉矩信號的低頻分量，并且把該信號加到差動電路210。在阻尼轉矩信號發(fā)生器220內，微分器222對來自速度傳感器塊212的電動機速度信號進行微分，以便產(chǎn)生與電動機加速度有關的信號。電動機加速度信號加到增益塊224，在那里，它們被乘以常數(shù)G，以便產(chǎn)生阻尼轉矩相關信號。阻尼轉矩相關信號在低通濾波器226中被限制在低頻率，例如，該頻率可以低于10赫茲，以便在信號通道228上產(chǎn)生阻尼轉矩的低頻分量。車輛運行時，在從指令轉矩中減去所述阻尼轉矩信號時，便產(chǎn)生轉矩指令信號，后者當被按照控制器20的控制規(guī)律修改后，便用變化的轉矩控制所述電動機，這彌補了由包括主動軸14l和14r的共振元件引起的轉矩變化。
為了說明在車輛運行時發(fā)現(xiàn)的問題以及在解決該問題時本發(fā)明的性質起見，可能忽略車輛上有兩根車軸和兩對輪子這一事實，而把它們作為一個來處理。另一方面，必須定義車軸的兩個端部，為了簡單起見，把它們命名為內側端和外側端。圖2中用14li說明主動軸14l的內側端，并且該內側端耦合到差動器16的各軸(未分開表示)之一。主動軸14l的外側端鄰近主動輪12l，并且用14lo表示。
圖3是圖2的阻尼電路220的實施方案的簡化的方框圖。圖3中，電動機旋轉速度信號Krot加到阻尼電路220的輸入端220I，從這里，它被加到總體上用310表示的無限沖激響應(ITR)橫向濾波器的輸入節(jié)點312N。圖3的濾波器310包括單時鐘周期延遲器或者Z-1元件312，后者接收來自節(jié)點312N的電動機旋轉速度信號Krot并且將它延遲，從而在其輸出端312o產(chǎn)生延遲后的電動機旋轉速度信號Krot。第一加法電路314既具有倒相輸入端又具有非倒相輸入端，并且還包括和數(shù)或者輸出端，后者耦合到第二加法電路316的非倒相輸入端。第一乘法器或者增益元件318把來自節(jié)點312N的電動機旋轉速度信號Krot乘以用值“a”表示的預定的值，并且把相乘后的信號加到第一加法電路314的非倒相輸入端。第一加法電路314從加到其非倒相輸入端的相乘后的信號中減去加到其倒相輸入端的信號的值，并且把最后得到的輸出信號加到第二加法電路316的非倒相輸入端。
圖3中，第二乘法器或者增益元件320將延遲元件312的輸出端312o處的延遲后的電動機旋轉速度信號Krot乘以預定的值，在本實施例中，該預定值是同一個值“a”。出現(xiàn)在乘法器或者增益元件320的輸出端的延遲和相乘后的信號被加到加法電路316的倒相輸入端。如上所述，加法電路316從加到其非倒相輸入端的值中減去加到其倒相輸入端的信號的值。最后得到的差值信號出現(xiàn)在輸出端316o，并且對應于阻尼轉矩信號的低頻分量，后者被阻尼信號發(fā)生器220加到圖2的通路228?？傮w上用322表示的反饋信號通路耦合在加法電路316的輸出端316o和加法電路314的倒相輸入端之間。反饋信號通路322包括與乘法器或者增益元件326級聯(lián)的單位延遲元件324，后者將延遲后的信號乘以圖3中用“b”表示的值。圖3中表示的結構對應于實施本發(fā)明的一個實施例的軟件。
圖4是表示車輛的各個部分的特性以及它們的相互關系的簡化的方框圖。圖4中，來自源20的指令轉矩信號通過差動電路210加到車輛電驅動系20，后者包括控制器和電動機。驅動系20在用410舉例說明的通路上產(chǎn)生代表電動機轉矩的機械轉矩Tem。通過用412表示的差分塊產(chǎn)生電動機轉矩和負載轉矩之間的差值，出現(xiàn)在信號通路411上的該差值代表加在電動機輸出軸上的轉矩。由電動機軸上的凈轉矩產(chǎn)生的電動機軸轉速ωrot決定于1/Js，這里，J代表電動機的轉子和電動機軸的慣性，而1/s代表積分。
圖4中，電動機軸的轉速ωrot被加到代表圖1的差動器16的齒輪減速比的方框416，后者在車軸14l的內側端14li處將轉速或者速率從ωrot降低到ωaxi。由于沒有主動軸的剛性，所以，主動軸14l的內側端14li的旋轉不產(chǎn)生該軸的外側端的直接的旋轉。在時間上(如用積分器418表示的)，由差動器417產(chǎn)生的車軸的內側端14li的轉速(ωaxi)和該軸的外側端的轉速(輪子轉速ωwh)之間的差值卻在表示積分的方框418的輸出端產(chǎn)生該軸的扭轉角的變化。所述扭轉角θtw當在方框420乘以主動軸的剛性K時，在主動軸14l的兩端產(chǎn)生轉矩Tax。車軸轉矩Tax當在方框422乘以與主動輪12l的半徑相關的因子1/Rwheel時，變成線性力Fax。線性力Fax當在方框424中乘以因子1/Ms時產(chǎn)生車輛速度Vvehicle，其中，M是車輛的質量，而1/s是積分。
圖4中在方框424的輸出端表示的車輛速度Vvehicle當在反饋方框426中乘以因子1/Rwheel時產(chǎn)生車輪轉速ωwh，在差動器方框417中從所述內側車軸速度減去車輪轉速ωwh。
通過差動器16的齒輪傳動來變換出現(xiàn)在方框420的輸出端的車軸轉矩Tax，以便產(chǎn)生變換后的轉矩Tload，后者被反饋到加法器412，以便從電動機轉矩中減去。
本發(fā)明所要減小的振蕩產(chǎn)生于圖4的包括方框417、418、420、422、424和426的環(huán)路430。圖4中沒有模仿摩擦力，因為，在電力傳動系中其值是如此小，至少部分地由于沒有內燃機的活動曲軸、活塞等等，而更值得注意的是沒有可換檔傳動系，它是摩擦力的主要貢獻者，因此，也是阻尼的主要貢獻者。因此，沒有可換檔的傳動系可能使驅動系不穩(wěn)定，而在存在這種傳動系的情況下，驅動系會是穩(wěn)定的。
摩擦力B要是大到足以在圖4中模仿，就用虛線框432來描述它，所述虛線框432把框414的輸出端連接到差動器框412的另一個倒相輸入端。若用方框332描述的摩擦力大到足以提供阻尼，就會反饋轉矩分量，以便有助于克服流過方框328的轉矩振蕩分量。
由阻尼轉矩信號發(fā)生器220或者圖2和4提供的改進通過對電動機的輸出端的轉速Krot取樣并且把電動機的加速度分量反饋到方框210的倒相輸入端而起作用，所述電動機加速度分量當通過車輛電驅動系20變換到通路410時提供阻尼信號，如果存在足以提供阻尼的摩擦力，就由方框432來提供這種阻尼信號。更詳細地說，微商(derivative)框222人為地提供等效慣性J。
速度的振蕩變化影響圖4的環(huán)路430中所有變量的值。因此，所述振蕩往往改變車軸轉矩Tax的值。車軸轉矩的這種變化通過方框428耦合。如果在特定時刻車軸轉矩的變化值是增加的，則在求和點412負載轉矩Tload也是增加的。求和點412從電動機轉矩Tem中減去車軸轉矩的增加值，以便在求和點412的輸出端產(chǎn)生轉矩的減小值。在求和點412的輸出端的這種轉矩減小值通過用方框414表示的轉子和轉子軸的慣性，從而產(chǎn)生轉速Kaxi的減小值。所述轉速減小值經(jīng)由方框416返回維持所述振蕩的環(huán)路430，并且還耦合到阻尼信號發(fā)生器220的微分器222。所述微分器從所述減小的軸速度Krotor產(chǎn)生負信號，來自微分器222的負信號被放大和低通濾波，這不影響所述信號的符號。所述負的阻尼信號從低通濾波器226加到加法電路210，在那里，從指令轉矩中減去所述負值。減一個負值使加法電路210輸出端上的指令轉矩增加。所述增加的指令轉矩通過用方框20表示的驅動系，并且在通路410上以增加的電動機轉矩的形式出現(xiàn)。通路410上的所述增加的電動機轉矩和增加的負載轉矩一起，在方框414的輸入端產(chǎn)生凈轉矩的基本上不變的值，而不管環(huán)路430的振蕩特性。制止由所述振蕩引起的反饋的變化就穩(wěn)定了整個車輛控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的其它實施例對本專業(yè)的技術人員來說將是顯而易見的。例如，所公開的控制系統(tǒng)可以用硬件、固件或者軟件來實現(xiàn)，但是，只要可能，最好用軟件。
因此，根據(jù)本發(fā)明的電動車輛(10)包括電能源(22)和包含輸出軸(18s)的電動機(18)。車輛(10)還包括作為由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源(24)的控制器?？刂葡到y(tǒng)(20)耦合到電能源(22)，耦合到電動機(18)，并且耦合接收轉矩指令信號，以便控制所述電動機(18)在所述電動機(18)的輸出軸上產(chǎn)生指令的轉矩。車輛(10)還包括機械變速器(16)，后者包括耦合到電動機(18)的主軸(18s)的輸入軸并且還包括輸出軸。變速器降低輸入軸速度以便產(chǎn)生比較低的輸出軸速度，并隨之增加輸出軸轉矩。主動輪(12l)支撐和驅動車輛(10)。長形的主動軸(14l和14r)耦合到主動輪(12l和12r)，并且耦合到變速器(16)的輸出軸，從而把轉矩從變速器(16)耦合到主動輪(12l和12r)。主動軸具有剛性，后者與車輛的質量相結合，往往會產(chǎn)生不希望有的車輛(10)的顛簸。電動機(18)速度傳感器產(chǎn)生代表電動機(18)速度的信號。差動電路(210)包括耦合到由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源(24)的非倒相(+)輸入端，并且還包括倒相(-)輸入端，用來從指令的轉矩信號中減去加到所述差動電路(210)的倒相(-)輸入端的信號，以便產(chǎn)生轉矩指令信號。阻尼信號發(fā)生器(220)耦合到電動機(18)速度傳感器(212)，并且耦合到所述差動電路(210)的倒相(-)輸入端，用來至少把電動機(18)加速度的低頻分量耦合到所述差動電路(210)的倒相(-)輸入端。
在本發(fā)明的特定的實施例中，變速器(16)是包含第二輸出軸的差動器(16)，并且，車輛(10)還包括第二主動輪(12r)和把該第二主動輪(12r)耦合到差動器(16)的第二輸出軸的第二車軸(14r)。
用來產(chǎn)生阻尼信號的阻尼信號發(fā)生器(220)可以包括無限沖激響應(IIR)橫向濾波器(310)，后者包括耦合到電動機(18)速速度傳感器(212)的、用來接收電動機(18)的速度信號的輸入端(220i)。
無限沖激響應濾波器(310)可以包括延遲級(312)，后者包括耦合接收電動機(18)速度信號的輸入節(jié)點(312N)，并且還包括在其上出現(xiàn)延遲后的電動機(18)速度信號的輸出端(312o)。第一加法電路(314)包括倒相(-)輸入端和非倒相(+)輸入端以及輸出端(314o)，在該輸出端上產(chǎn)生加到所述倒相輸入端和非倒相輸入端上的信號之間的差值。第二加法電路(316)包括倒相(-)輸入端，并且還包括耦合到所述第一加法電路(314)的所述輸出端(314o)的非倒相(+)輸入端。所述第二加法電路(316)還包括在其上產(chǎn)生阻尼信號的輸出端(316o)。第一乘法器(318)耦合到所述延遲級(312)的所述輸入節(jié)點(312N)，并且耦合到所述第一加法電路(314)的所述非倒相(+)輸入端，用來把來自所述節(jié)點(312N)的電動機(18)速度信號以特定增益(a)耦合到所述第一加法電路(314)的所述非倒相(+)輸入端。第二乘法器(320)耦合到所述延遲級(312)的所述輸出端(312o)，并且耦合到所述第二加法電路(316)的所述倒相(-)輸入端，用來把來自所述延遲級(312)的所述輸出端(312o)的延遲后的電動機(18)速度信號以第二增益(a)耦合到所述第二加法電路(316)的所述倒相(-)輸入端。所述第二增益可以等于所述特定增益。反饋通路(322)耦合到第二加法電路(316)的輸出端(316o)，并且耦合到第一加法電路(314)的倒相(-)輸入端。所述反饋通路(322)包括延遲級(324)和用來將通過所述反饋通路(322)的反饋信號乘以第三增益(b)的第三乘法器(326)。
權利要求
1.一種電動車輛，它包括電能源；包含輸出軸的電動機；由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源；控制系統(tǒng)，它耦合到所述電能源、耦合到所述電動機并且耦合接收轉矩指令信號，用以控制所述電動機，以便在所述電動機的所述輸出軸上產(chǎn)生指令的轉矩；機械變速器，它包括耦合到所述電動機的所述軸的輸入軸并且還包括輸出軸，用以降低所述輸入軸速度以便產(chǎn)生比較低的輸出軸速度，并隨之增大輸出軸轉矩；支撐和驅動所述車輛的主動輪；長形的主動軸，它耦合到所述主動輪并且耦合到所述變速器的所述輸出軸，從而把轉矩從所述變速器耦合到所述主動輪，所述主動軸具有剛性，后者與所述車輛的質量相結合，往往會產(chǎn)生不希望有的顛簸；電動機速度傳感裝置，用于產(chǎn)生代表所述電動機速度的信號；差動裝置，它包括耦合到所述由駕駛員控制的指令轉矩信號的信號源的非倒相輸入端，并且還包括倒相輸入端，用來從所述指令的轉矩信號中減去加到所述倒相輸入端的信號，以便產(chǎn)生所述轉矩指令信號；以及阻尼信號發(fā)生裝置，它耦合到所述電動機速度傳感裝置，并且耦合到所述差動裝置的所述倒相輸入端，用來至少把電動機加速度的低頻分量耦合到所述差動裝置的所述倒相輸入端。
2.根據(jù)權利要求1的車輛，其特征在于所述變速器是包含第二輸出軸的差動器，并且，所述車輛還包括第二主動輪和把所述第二主動輪耦合到所述差動器的所述第二輸出軸的第二車軸。
3.根據(jù)權利要求1的車輛，其特征在于所述阻尼信號發(fā)生裝置包括用來產(chǎn)生所述阻尼信號的無限沖激響應橫向濾波器，它包括耦合到所述電動機速度傳感裝置的、用來接收所述電動機速度信號的輸入端。
4.根據(jù)權利要求3的車輛，其特征在于所述無限沖激響應橫向濾波器包括延遲級，它包括耦合接收所述電動機速度信號的輸入節(jié)點、并且還包括在其上出現(xiàn)延遲后的電動機速度信號的輸出端；第一加法電路，它包括倒相輸入端和非倒相輸入端以及輸出端，在所述輸出端上產(chǎn)生加到所述倒相輸入端和非倒相輸入端上的信號之間的差值；第二加法電路，它包括倒相輸入端、耦合到所述第一加法電路的所述輸出端的非倒相輸入端以及在其上產(chǎn)生所述阻尼信號的輸出端；第一乘法器，它耦合到所述延遲級的所述輸入節(jié)點，并且耦合到所述第一加法電路的所述非倒相輸入端，用來把來自所述節(jié)點的所述電動機速度信號以特定增益耦合到所述第一加法電路的所述非倒相輸入端；第二乘法器，它耦合到所述延遲級的所述輸出端，并且耦合到所述第二加法電路的所述倒相輸入端，用來把來自所述延遲級的所述輸出端的所述延遲后的電動機速度信號以第二增益耦合到所述第二加法電路的所述倒相輸入端；以及反饋通路，它耦合到所述第二加法電路的輸出端，并且耦合到所述第一加法電路的所述倒相輸入端，所述反饋通路包括延遲級和用來將通過所述反饋通路的反饋信號乘于第三增益的第三乘法器。
5.根據(jù)權利要求4的車輛，其特征在于所述第二增益等于所述特定增益。
全文摘要
電動車輛包括驅動減速差動器、車軸和主動輪的電動機。駕駛員操縱裝置產(chǎn)生轉矩指令信號,后者加到控制器以響應轉矩指令而命令將電功率加到電動機以實現(xiàn)所需要的轉矩。電驅動的低摩擦力與旋轉的隨變性或車軸的不理想剛性相結合可能產(chǎn)生低頻速度波動或顛簸,尤其在低速時。阻尼裝置包括耦合在駕駛員操縱裝置和控制器之間的、獲得駕駛員指令的轉矩和阻尼轉矩信號之差的差動電路。通過對電動機速度微分以產(chǎn)生電動機加速度代表信號來產(chǎn)生阻尼轉矩信號。
文檔編號B60L11/18GK1243793SQ9910538
公開日2000年2月9日 申請日期1999年4月29日 優(yōu)先權日1998年4月29日
發(fā)明者A·P·萊昂斯, S·加塔里斯 申請人:洛克希德馬丁公司