用於電馬達的編碼器速度信號的抖動補償的製作方法

2023-10-07 16:37:14 1

專利名稱：用於電馬達的編碼器速度信號的抖動補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量電馬達的旋轉速度的類型的編碼器速度信號的抖動補償 (wobble compensation)。
背景技術：
電池電動車、增程式電動車和混合動力電動車都使用可充電高壓電池作為電力源。一個或多個高壓電馬達在車輛運行期間交替地從電池獲取功率以及提供功率至電池。 當僅使用來自電池的電力推動車輛時，動力傳動系運行模式通常地指向僅電力(EV)模式。 取決於車輛設計，附加的運行模式可包括固定檔位模式以及電可變傳動系(EVT)模式，其中內燃機被用於產生至少一部分推動車輛所需的扭矩。在混合動力車輛控制架構內，速度編碼器測量牽引馬達的旋轉速度，其表現為數字脈衝序列。然而，由於一些物理不規則性，編碼器型號不代表真實的牽引馬達的旋轉速度。取代地，可變圖案隨著馬達的每一次旋轉而重複自身。該可變圖案被稱作角度抖動，且其可具有包括基本旋轉周期的多個諧波的特徵。

發明內容
因此，在此處提供一種車輛，其包括具有馬達控制處理器(MCP)以及混合動力控制處理器(HCP)的控制系統。該控制系統被配置為通過如下所述地在校準後的取樣周期上對輸出進行平均來補償高速度時(即，當抖動的頻率內容比HCP的取樣頻率高得多的時候) 的角度抖動。這使得抖動補償在HCP中進行，而不是在MCP中進行。在控制系統之外，車輛包括電牽引馬達、變速器、和速度編碼器。速度編碼器測量牽引電力的旋轉速度，並將該旋轉速度作為編碼器信號直接傳輸至HCP。該編碼器信號是數字脈衝輸出(即脈衝序列)，其頻率取決於馬達旋轉速度。該控制系統被配置為使用一組輸出信號控制牽引馬達的運行。該控制系統經由HCP從速度編碼器接收編碼器信號。在閾值馬達速度之下時，HCP 自適應地「學習」編碼器信號的特定抖動特徵。控制系統經由HCP使用學到的抖動特徵計算抖動補償後的速度值，且將抖動補償後的速度值用作輸入信號的至少一部分，以控制牽引馬達的運行。當結合附圖時，本發明的上述特徵和優勢以及其他特徵和優勢從下文中用於實施本發明的最佳模式的詳盡描述中是輕易地明顯的。


圖I是具有控制系統的車輛的示意圖，所述控制系統被配置為用於補償速度編碼器信號中的角度抖動；圖2是圖I中示出的車輛的控制系統的邏輯流程圖；和圖3是描述用於補償圖I中示出的車輛上載有的速度編碼器信號中的角度抖動的方法的流程圖。
具體實施例方式參見附圖，其中相同的附圖標記在若干幅附圖中對應相同或相似的構件，圖I示出了具有變速器14的車輛10。車輛可被配置為能夠在僅電力(EV)模式中使用牽引馬達 16推動的電池電力電動車或混合動力電動車。儘管出於簡明的目的在圖I中示出了一個牽引馬達16，本領域技術人員將理解其他車輛實施例可包括附加的馬達，例如，直接連接至變速器14的輸出的馬達。車輛10包括具有混合動力控制處理器(HCP) 20以及馬達控制處理器(MCP) 30的控制系統50。如本領域技術人員所理解的，諸如HCP20的HCP基於當前的混合動力運行策略協調(coordinate)至變速器14的輸入。輸入可包括內燃機12和一個或多個馬達16, 或僅一個或多個馬達。諸如MCP30的MCP通常被提供用來控制被用作車輛動力傳動系的一部分的每一個馬達，其中MCP相對於HCP20在整體控制等級中要低。換句話說，MCP經由來自HCP20的信號命令而運行，其中HCP提供高層次的控制功能以及多個車輛控制模塊(未示出)的協調，所述車輛控制模塊諸如電池控制模塊、發動機控制模塊等。在控制系統50內，來自速度編碼器26的編碼器信號(箭頭13)被以數字脈衝序列的形式傳輸進入HCP20，且由其直接讀取。HCP20隨後執行如下參照圖3所述的算法100， 以自動地補償編碼器信號中的角度抖動(箭頭13)，其中HCP最終經由一組輸入信號控制牽引馬達16(箭頭11)。控制系統50的非暫時性/有形存儲器可被用於存儲算法100，其被控制系統的相關聯的硬體以及軟體構件按照所需地自動執行。控制系統50可被實現為伺服器或主機，即，一個或多個數字計算機或數據處理設備，其中每一個都包括一個或多個微處理器或中央處理器單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、 隨機存取存儲器(RAM)、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)、高速時鐘、模數(A/D)電路、數模(D/A)電路、以及任何需要的輸入/輸出(I/O)電路和設備，和信號調製以及緩衝電子元件。儘管出於簡明和清楚的目的在圖I中示出為單個設備，控制系統50的各個元件可如優化地控制牽引馬達16所需地分布在眾多不同的硬體和軟體構件上。在典型的控制系統中，馬達速度在MCP層次被測量和過濾。馬達速度值隨後被傳輸至HCP。通過這樣的方法，需要MCP內的馬達速度值的過濾來避免信號混淆。但是，以傳統方式在MCP中過濾馬達速度值可能引入相位滯後。此外，MCP和HCP之間的串聯信號傳輸可引入由於兩個處理器之間的通信的同步所造成的時延。這繼而可造成在HCP內發生的不準確的速度微分信號計算，並由此提供低於最佳的車輛傳動系統性能。因此，和經由MCP30讀取以及過濾編碼器信號(箭頭13)相關，控制系統50經由 HCP20處理編碼器信號(箭頭13)，以降低牽引馬達16改變速度的時刻和該速度改變為HCP 計算可用的時刻之間的時延。由於HCP20內的直接速度計算產生計算周期上的平均速度， 通常不需要HCP內的附加的過濾。圖I中示出的車輛10可包括高壓電池能量存儲系統(ESS) 22，S卩，多電芯可充電電池。功率逆變模塊(PM) 18可被經由高壓AC總線19電連接在ESS22和牽引馬達16之間， 且被用於將來自馬達的AC功率轉換成用於在ESS內存儲的DC功率，或相反。高壓DC總線 23可被電連接在PM18和ESS22之間。DC-DC功率逆變器(未示出)也可被按照需求地使用，以將DC功率水平增加或降低至適於為各種DC驅動車輛系統所用的水平。在一些車輛設計中，發動機12可被用於經由發動機輸出軸21選擇性地產生發動機扭矩。可將來自發動機輸出軸21的扭矩直接用於驅動變速器輸入部件17，並由此例如在混合動力電動車設計中推動車輛10，或在增程式電動車設計中驅動發馬達(未示出)。輸出離合器和避震器組件15可被用於選擇性地將發動機12連接至變速器14，或從其脫開。 輸出扭矩最終被經由變速器14的輸出軸34從牽引馬達16和/或發動機12傳輸至一組驅動輪32。牽引馬達16可為多相永磁/AC感應馬達，其規格取決於車輛設計為從約60伏特至約300伏特或更多。因此，此處使用的術語「高壓」是相對於在車輛10上使用的各個12 伏特輔助系統。當馬達主動地作為發馬達運行時(例如通過在可再生制動事件中獲取能量)，ESS22可使用來自牽引馬達16的扭矩被選擇性地充電。在一些實施例中，諸如插入式混合動力車中，ESS22可在車輛10未運行的任何時候經由離車電源被充電。參見圖2，其示出了圖I中的控制系統50的基本邏輯流程。速度編碼器26首先測量或模擬牽引馬達16的旋轉速度，並隨後將速度以數字脈衝序列的形式作為模擬出的編碼器信號傳輸(箭頭13)。虛擬開關42可被致動或運轉，以提供數字脈衝序列的校準後的樣本周期。一旦該校準後的周期屆滿，編碼器信號(箭頭13)的一部分的脈衝計數(時間戳)被經由控制系統50自動地記錄，且時間戳隨後被作為印有時間戳的信號(箭頭113) 傳輸至處理模塊44。在牽引馬達16的所有速度上，處理模塊44處理印有時間戳的信號(箭頭113)且將原始速度值(箭頭45)和角度位置值(箭頭47)作為控制信號輸出。僅在低的馬達速度上，即，在低於校準後的閾值的速度上，處理模塊44還將角度抖動值(箭頭49)作為另一個控制信號輸出。在這些值中，角度位置值(箭頭47)被直接記錄在查找表(LUT) 52中，該表列出了和當前測量出的角度位置相關的已知的抖動值(learned wobble value)(箭頭53)。 更新後的抖動值(箭頭62)也被記錄在LUT52中，其被確定為和已知的抖動值(箭頭53) 相關的誤差值。關於LUT52，該表被控制系統50在算法100的執行中自動地引用，以從LUT選擇此前記錄的已知的抖動值(箭頭53)。已知的抖動值(箭頭53)隨後被饋送回處理節點48，在那裡其被從當前角度抖動值(箭頭49)中減去。來自節點48的誤差調整後的抖動值隨後在塊60處被乘以校準後的增益，其中更新後的抖動值(箭頭62)被從塊60饋送至LUT52。 通過這樣的方式，控制系統50持續地或周期地通過學習以及響應由編碼器信號(圖I中的箭頭13)所提供的抖動特徵來更新LUT52。來自處理模塊44的原始速度值(箭頭45)被饋送進入處理節點46，在其中其和從LUT52獲取的已知的抖動值(箭頭53)結合。節點46的輸出在此處被稱作抖動補償後的速度值(箭頭54)。當控制在圖I中示出的牽引馬達16的運行時，傳輸該值的信號被用作輸入信號(箭頭11)的至少一部分(參見圖I)。參見圖3，算法100被示出為一個可能的實施例。由步驟102開始，且參照圖I和圖2中分別示出的結構和邏輯流程，速度編碼器26被用來模擬牽引馬達16的旋轉速度。步驟102可承擔產生如上提及的脈衝序列、致動圖2中的虛擬開關42以提供校準後的取樣周期、讀取所產生的描述最近的編碼器脈衝序列的時間戳、並自動計數自此前的讀數起的脈衝的數量。步驟102還可包括從此前的讀數中減去時間戳，以確定增量時間值，並隨後將脈衝計數除以該增量時間值。馬達16的每次旋轉的脈衝數目繼而被用於將該結果轉換成每分鐘轉數(RPM)。這樣做相當於將來自速度編碼器的每一個脈衝序列的即時速度在校準後的測量時間周期上求均值。步驟102也可包括確定和初始位置或零位置相關的牽引馬達16的角度位置。牽引馬達16的位置可被作為脈衝計數的數目的函數來確定。在初始時，計數位置可被初始化為值I。在每一次隨後的編碼器速度測量中，從此前的測量起的脈衝計數可被增加至此前的計數位置，以確定當前的計數位置。噹噹前計數位置等於或超過每轉中的脈衝數目時，可通過從當前計數位置中減去每轉的脈衝數目而將該當前位置「包裹(wrapped)」起來。當所有前述步驟完成後，算法100繼續至步驟104。在步驟104，控制系統50自動地確定是否存在允許算法100的自適應「抖動學習」 功能的條件。這樣的條件可包括落在閾值範圍內的牽引馬達16的RPM速度、位於相應的閾值之下的改變的RPM速率、在最大閾值之下的馬達扭矩大小等。如果允許的話，算法100繼續至步驟106，否則算法重複步驟102。在步驟106，控制系統50確定圖I中的牽引馬達16的真實速度。步驟106可包括通過將每轉的時間除以每此取樣的時間來確定每轉的測量次數(L)，並將其向下取整。步驟106隨後包括確定時刻(k-L)以及時刻(k-L-Ι)處的速度和位置，其中變量(k)是當前樣本。在一個可能的實施例中，可經由從相應的速度和位置緩存中讀取來確定速度和位置值。也可例如通過在時刻(k-L)以及(k-L-Ι)處的速度和位置之間插值來為此前的一次旋轉確定速度和位置。隨後，此前的一次旋轉的時間戳被控制系統50確定。此也可通過在時刻(k-L)以及(k-L-Ι)處的時間戳和位置之間插值當前位置的時間戳來實現。步驟106也可包括通過從當前速度中減去此前的一次旋轉中的速度來確定每轉中的速度改變。可通過從當前時間戳中減去此前的旋轉的時間戳、將該結果除成每轉的脈衝計數、並隨後將該值轉換成RPM來計算此前的旋轉上的平均速度。隨後可通過將每轉的速度改變的50%添加至此前的旋轉上的平均速度來確定真實速度。算法100隨後可繼續至步驟108。在步驟108，控制系統50確定誤差調整後的抖動值(圖2中的箭頭149)。這可通過從當前速度測量值中減去當前的真實速度、以及通過除以此前的旋轉上的平均速度以及和乘以基本速度來標準化抖動速度至基本速度來實現。誤差調整後的抖動值(箭頭149) 可隨後被如上參照圖2所闡明的使用，結合LUT52，來確定LUT所需的調整。因此，控制系統 50通過基於任何學習到的抖動特徵的插值來自動更新LUT52。算法100可因此被執行，以學習且補償從圖I中示出的速度編碼器傳輸出的模擬或編碼的速度測量值中的角度抖動(即，循環變動)，例如由所述編碼器的物理速度傳感硬體的瑕疵所造成的任何變動。該方法允許相對清潔的速度測量，而不具有由過濾造成的相位滯後。抖動造成的誤差可取決於實施例被峰值至峰值從約400RPM降低至小於4RPM。再次參見圖2，為了自動補償角度抖動，已知的抖動值(箭頭53)可通過點之間的插值而被重放，且隨後從由速度編碼器26提供的原始速度值(箭頭45)中減去，以獲得抖動補償後的速度值(箭頭54)。在較高的馬達速度上，抖動頻率內容高於HCP20的取樣頻率(參見圖I)。已知的抖動值(箭頭53)因此被以相應於來自速度編碼器26的速度測量值的速率取樣。包圍入的點可在被從原始速度值(箭頭45)減去之前被平均，以獲得抖動補償後的速度值(箭頭54)。為了恰當的抖動補償，相同的速度測量過程被施加在已知的抖動信號重放上。 儘管已經對用於實施本發明的最佳模式進行了詳盡的描述，對本發明所涉及的領域熟悉的技術人員將辨識出在所附的權利要求內用於實施本發明的各種可替換設計和實施例。
權利要求
1.一種車輛,其包括電牽引馬達；變速器，其被牽引馬達選擇性地驅動，以在電力車(EV)運行模式中驅動所述車輛； 速度編碼器，其被配置為測量所述牽引馬達的旋轉速度，並將該旋轉速度作為編碼器信號傳輸；和控制系統，其被配置為補償編碼器信號中的角度抖動，所述控制系統包括混合動力控制處理器(HCP)以及馬達控制處理器(MCP)，所述混合動力控制處理器協調至變速器的輸入速度，所述馬達控制處理器使用一組輸入信號控制所述牽引馬達的運行，其中所述控制系統還被配置為經由HCP從所述速度編碼器直接接收編碼器信號；確定位於閾值馬達速度之下的編碼器信號的一組抖動特徵；經由所述HCP使用所述抖動特徵計算抖動補償後的速度值；和當控制所述馬達時，將抖動補償後的速度值用作所述輸入信號的至少一部分。
2.如權利要求I所述的車輛，其中所述控制系統具有脈衝計數時間戳，且輸出原始速度值、角度位置值、以及當前的角度抖動值。
3.如權利要求2所述的車輛，其中所述控制系統包括查找表(LUT)，其列出了和當前角度位置值相關的已知的抖動值，並從當前角度抖動值中減去已知的抖動值，以產生誤差調整後的抖動值，且其中所述已知的抖動值被以相應於來自所述速度編碼器的編碼器信號的速率取樣。
4.如權利要求3所述的車輛，其中誤差調整後的抖動值經由所述HCP被乘以經校準的增益常數、且被和所述角度位置值一起饋送進入所述LUT，以更新該LUT。
5.一種用於補償編碼器信號中的角度抖動的方法，該編碼器信號來自具有控制系統的車輛上的速度編碼器，其中所述車輛包括由電牽引馬達選擇性驅動的變速器，所述方法包括使用所述速度編碼器以測量所述牽引馬達的旋轉速度，且將所述旋轉速度作為編碼器信號直接傳輸至所述控制系統的混合動力控制處理器(HCP)；經由HCP從所述速度編碼器直接接收所述編碼器信號；確定位於所述牽引馬達的閾值馬達速度之下的編碼器信號的一組抖動特徵；經由所述HCP使用所述抖動特徵計算抖動補償後的速度值；和將所述抖動補償後的速度值用作一組輸入信號的至少一部分，以由此控制該牽引馬達。
6.如權利要求5所述的方法，還包括使用虛擬開關在校準後的取樣周期上產生所述編碼器信號的脈衝計數時間戳。
7.如權利要求6所述的方法，還包括經由所述控制系統處理所述脈衝計數時間戳，以由此產生原始速度值、角度位置值、以及當前角度抖動值。
8.如權利要求6所述的方法，還包括經由所述控制系統查閱查找表(LUT)，其中該LUT列出了已知的抖動值和所述角度位置值。
9.如權利要求8所述的方法，還包括經由所述HCP從所述當前角度抖動值中減去已知的抖動值，以由此產生調整後的抖動值；將所述調整後的抖動值乘以經校準的增益常數，以產生更新後的抖動值；和將所述更新後的抖動值以及角度位置值記錄在所述LUT中。
10.如權利要求8所述的方法，還包括將所述原始速度值和來自所述LUT的已知的抖動值結合，以由此產生抖動補償後的速度值。
全文摘要
一種車輛，其包括牽引馬達、變速器、所述馬達的速度編碼器、和控制系統。所述控制系統補償編碼器信號中的角度抖動。所述控制系統經由混合動力處理器(HCP)從所述速度編碼器接收所述編碼器信號，並確定位於閾值馬達速度之下的編碼器信號的一組抖動特徵。該控制系統經由所述HCP使用所述抖動特徵計算抖動補償後的速度值，且在控制所述馬達時將抖動補償後的速度值用作輸入信號的至少一部分。查找表列出了和角度位置值相關的已知的抖動值，且從當前角度抖動值中減去已知抖動值，以產生誤差調整後的抖動值。一種方法，其使用上述控制系統控制編碼器信號中的抖動。
文檔編號B60L15/08GK102582466SQ20121000764
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者R.L.莫裡斯 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司