使用动力传动系统模型的轮速估算

摘要

本发明公开了一种控制器。控制器包括处理器和非临时计算机可读介质。该处理器配置成从轮速传感器接收第一从动轮的速度并从驱动轴传感器接收驱动轴的速度。非临时计算机可读介质包括由处理器执行的程序指令，其用于基于随时间的多个所检测到的所述第一从动轮的速度和所检测到的所述驱动轴的速度来确定第二从动轮的速度。

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定从动轮的速度的系统和方法。具体地，本发明使 用驱动轴的速度和第二从动轮的速度来确定从动轮的速度，并补偿时间因 数。

背景技术

车辆系统（例如电子稳定性控制系统）需要知道车辆每个车轮的速度。 需要以近乎实时地（例如，每5毫秒）来精确确定车轮的速度。为了实现 此，很多现代车辆使用在每个车轮上的轮速传感器，其中这些传感器被硬 连线到控制系统或经由通信总线而链接。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了控制器。控制器包括处理器和非临时 计算机可读介质。该处理器被配置成从轮速传感器接收第一从动轮的速度 并从驱动轴传感器接收驱动轴的速度。非临时计算机可读介质包括由处理 器执行的程序指令，其用于基于随时间的多个所检测到的所述第一从动轮 的速度和所检测到的所述驱动轴的速度来确定第二从动轮的速度。

在另一实施例中，本发明提供了确定车辆的第一车轮的速度的方法。 该车辆包括控制器、差速器、第二从动轮、以及驱动轴。第一和第二车轮 由驱动轴驱动。该方法包括：检测第二从动轮的速度，第二从动轮由差速 器驱动；检测驱动轴的速度，驱动轴驱动差速器；将第二从动轮的速度传 送到控制器；将驱动轴的速度传送到控制器；对在第二从动轮和驱动轴的 速度的传送中的延迟进行补偿；对在检测第二从动轮的速度时和在检测驱 动轴的速度时的差进行补偿；以及使用第二从动轮的速度、驱动轴的速度、 以及补偿操作来确定第一车轮的速度，第一车轮由差速器驱动。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得明显。

附图说明

图1是车辆的方框图。

图2是示出实际轮速以及通信延迟和计算延迟的视图。

图3是示出多个速度传感器的不同更新间隔对轮速计算的影响的视 图。

图4A和4B是用于确定轮速的加速度模型的示意图。

图5是示出各种转矩传递值的开放式差速器的分解图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用中不 限于在下面的描述中阐述或在下面的附图中示出的部件的结构和布置的细 节。本发明能够有其它实施例，且能够以各种方式被实践或实现。

图1示出车辆100的框图。车辆100包括右前轮105、左前轮110、右 后轮115、左后轮120、发动机125、变速器130、驱动轴135、驱动轴传感 器140、差速器145、右后轴150、左后轴155、右前轮速度传感器160、左 前轮速度传感器165和右后轮速度传感器170。车辆100还包括控制器175 （例如，电子稳定性控制器（ESC））和通信网络180（例如，控制器区域 网（CAN）总线）。在一些实施例中，控制器175和/或其它模块包括处理 器（例如，微处理器、微控制器、ASIC、DSP等）和存储器（例如，闪存、 ROM、RAM、EPROM等，即，非临时计算机可读介质），该存储器可以在 处理器的内部、处理器的外部或这两者。处理器执行存储在存储器中的程 序代码。本发明的部分能够以硬件或软件或这两者的组合来实现。

轮速传感器160、165和170检测其相应的车轮速度，并将该速度通信 到控制器175。速度可经由通信网络180或直接地被通信（例如，模拟信号、 PWM信号等）。类似地，驱动轴速度传感器140检测驱动轴135的速度， 并将该速度通信到控制器175。差速器145由驱动轴135驱动并划分在左后 轮120和右后轮115之间的转矩，使得车轮可以按不同的速率旋转。左后 轮120和右后轮115的速度的和是驱动轴135的速度的两倍（假定一比一 的齿轮比）。控制器175如下所述估算左后轮120和右后轮115之一的速度 （对于下面的描述而言，控制器175估算左后轮120的速度）。

左后轮120的速度可使用下面的方程1来近似。对L求解，所确定的 左后轮的速度提供下面的方程2：

T=(L+R)/2    （方程1）

L=2T-R    （方程2）

其中T是驱动轴135的测量速度，以及

R是右后轮115的测量速度。

使用这些方程确定左后轮120的速度通常对于用在大约每50msec更 新一次的防锁制动系统而言是足够精确的。然而，ESC系统大约每5msec 更新一次。如果右后轮115和/或驱动轴135的测量速度经由通信网络180 通信到控制器175，则控制器175在超过ESC更新时间的延迟之后接收到 所测量的速度。例如，图2示出在使用CAN总线的系统中测量的延迟。 CAN总线在向控制器175提供速度信息时具有15msec的最差情况延迟。 此外，控制器175需要时间来处理它接收的数据。在这种情况下，多达额 外的11msec。总延迟达到26msec。26msec的延迟比ESC系统的更新时 间多五倍。

在车轮的实际速度和所计算的轮速之间的误差（例如，由于上述延迟） 可进一步被不同传感器的更新速度的差异而加剧。例如，图3示出了所计 算的左后轮120的速度的偏差，其中右后轮速度传感器每5msec更新一次， 且驱动轴速度传感器140每7msec更新一次。

为了提高系统的性能，需要更精确地确定轮速。通过考虑过去的条件 （与只使用最近的读数相比），可开发模型来精确地估算轮速。

对于开放式差速器，左从动轮的速度由下式定义：

L(k)=2T(k)–R(k)

其中：

K是控制回路周期，

L(k)是在周期k时所计算的左从动轮的速度，

T(k)是在周期k时所测量的变速器输出速度，以及

R(k)是在周期k时所测量的右从动轮的速度。

考虑到误差以及对T和R的输入中的延迟，L(k)变成：

L(k)=F(T(k),T(k–1)...R(k),R(k–1)...L(k),L(k–1)...其它车辆状态)

其中：

F是多个输入变量的函数。

本发明使用模型来估算函数F。使用三个方法或模型：加速度、泰勒 级数、以及动力传动系统建模。加速度法使用左从动轮的加速度来估算在 周期k时左从动轮的速度。下面的方程被用于执行估算：

L(k)=L(k–1)+L’(k–1)(dt)

其中：

L’是L的一阶导数，以及

dt是周期时间。

可使用数个过去周期的加权平均值或滤波值来对该计算进行平滑。以 经验为根据的车辆数据也可用于将估算的车轮速度的变化限制到绝对变 化。加速度也可如下所述的关于动力传动系统模型来建模。图4A和4B示 出加速度模型100的示意图。所感测的右轮105速度和所感测的驱动轴110 速度被输入到模型中。如上所讨论的，轮速传感器xxx和驱动轴速度传感 器xxx以不同的时间间隔（例如，对于轮速传感器xxx是5msec而对于驱 动轴传感器xxx是7msec）更新其输出。通过使用各种乘法器115、加法 器/减法器120和延迟器125，模型100能够补偿信号更新的差异。开关130 将正确的信号连接到输出135。模型100包括用于测试目的的三个附加的输 出140、145和150。

泰勒级数是函数作为根据其在单个点处的导数的值所计算的项的无穷 和的表示。用于对左从动轮的速度建模的泰勒级数采取下列形式：

L(k)=L(k–1)+L’(k–1)(dt)/1!+L”(k–1)(dt)²/2!

其中：

L’和L”是L的导数，以及

dt是周期时间。

再次，使用数个过去周期的加权平均值或滤波的值来对该计算进行平 滑。以经验为根据的车辆数据也可用于将车轮的估算速度中的变化限制到 绝对变化。

也可使用各种车辆状态（其包括施加制动转矩、摩擦系数和车轮上的 负荷等来估算L(k)。可使用动力传动系统模型来计算车辆状态。

示例性动力传动系统包括下列项的模型：（1）发动机和转矩转换器泵 组件、（2）转矩转换器涡轮机和变速器输入轴、（3）变速器输出轴和驱动 轴、（4）开放式差速器的环形齿轮、（5）从发动机到差速器的转矩传递、（6） 驱动轴转矩、以及（7）总驱动动力。

发动机和转矩转换器泵组件模型使用发动机燃烧转矩来计算可用的转 矩转换器泵输出。忽略弹性和摩擦项，运动的方程可被简化为：

T_p=T_e-J_ew_e    （方程1）

其中：

T_p是在泵组件处的转矩输出，

T_e是由燃烧产生的发动机转矩，

J_e是发动机曲轴、飞轮和转矩转换器泵组件的惯性矩，以及

w_e是发动机曲轴、飞轮和转矩转换器泵组件的角加速度。在软件 中，可根据发动机速度来计算发动机加速度。

注意：在方程中忽略了弹性、摩擦和衰减。

转矩转换器涡轮机和变速器输入轴模型使用下式来计算在变速器输入 轴处的可用转矩：

T_I=T_pf(1/v)–J_Iw_I    （方程2）

其中：

T_I是在变速器输入轴处的转矩输出，

w_I是变速器输入轴的角加速度，

v是自动变速器的速度比，并被定义为

w_I=w_e/v（注意，上述关于对转矩转换器的角加速度不成 立），

G(1/v)是作为1/v的函数的转矩转换器乘法因数，以及

J_I是涡轮机和变速器输入轴的惯性矩。

变速器输出轴和驱动轴模型根据下式计算在驱动轴处的可用转矩：

T_d=T_IG_tj–J_dw_d    （方程3）

其中：

T_d是在驱动轴小齿轮处的可用转矩，

G_tj是在第j个齿轮处的变速器齿轮，

J_d是驱动轴的惯性矩（包括变速器输出轴及其齿轮组），以及

w_d是变速器输出轴的角加速度。

角加速度具有下面的关系：

w_d=w_I/G_tj    （方程3a）

开放式差速器模型的环形齿轮使用下式来计算在开放式差速器环形齿 轮处的可用转矩：

T_rg=T_dG_A-J_rgw_rg    （方程4）

其中：

T_rg是在环形齿轮处的可用转矩（也被称为Cardan转矩），

G_A是轴比率，

J_rg是惯性的环形齿轮组件力矩，以及

w_rg是环形尺寸的角加速度（也被称为Cardan加速度）。

在环形齿轮、驱动轴和轮速当中的速度关系是：

w_rg=w_d/G_A=(w_AR+w_AL)/2    （方程4a）

其中：

w_AR是右驱动轴加速度，以及

w_AL是左驱动轴加速度。

图5示出在开放式差速器中的转矩传递变量的位置。

从发动机到差速器模型的转矩传递计算在环形齿轮处的可用转矩。在 环形齿轮处的可用转矩可由发动机燃烧转矩、发动机旋转加速度和车轮旋 转加速度（已知变量）来描述。

将转矩方程（1）、（2）和（3）代入方程（4）中，得到：

T_rg={[T_e–J_ew_e)f(1/v)–J_Iw_I]G_tj–J_dw_d}G_A-J_rgw_rg    （方程5）

将速度方程（3a）和（4a）代入方程5中并简化它，得到：

T_rg=f(1/v)G_tjG_AT_e-f(1/v)G_tjG_AJ_ew_e-G_tj²G_A²J_I(w_AR+w_AL)/2-G_A²J_d(w_AR+w_AL)/2–J_rg(w_AR+w_AL)/2    （方程5a）

其中：

f(1/v)G_tjG_AT_e是通过转矩转换器、变速器以及轴所放大的发动机 转矩，

f(1/v)G_tjG_AJ_ew_e是由于发动机加速度而导致的转矩损耗，

G_tj²G_A²J_I(w_AR+w_AL)/2是由于变速器输入轴加速度而导致的转矩 损耗，

G_A²J_d(w_AR+w_AL)/2是由于变速器输出轴加速度而导致的转矩损 耗，以及

J_rg(w_AR+w_AL)/2是由于环形齿轮加速度而导致的转矩损耗。

驱动轴转矩模型计算每个驱动轴的驱动轴转矩。对于开放式差速器， 当忽略在星形或类似齿轮处损耗的转矩时，每个驱动轴转矩大约是环形齿 轮转矩的一半。

T_AR～T_rg/2～_TRR_whl+T_bR+J_Aw_AR    （方程6）

T_AL～T_rg/2～F_TLR_whl+T_bL+J_Aw_AL    （方程6a）

其中：

T_AR是右驱动轴转矩，

T_AL是左驱动轴转矩，

T_bR是右制动转矩，

T_bL是左制动转矩，

J_A是单个轴和车轮的惯性矩，以及

R_whl是车轮半径。

总驱动动力模型计算在差速器环形齿轮处的可用转矩（Kardan转矩）：

G(1/v)GtjGATe–G(11/v)FtjGAJewe-G_tj²G_A²J_I(w_AR+w_AL)/2-G_A²J_d(w_AR+w_AL)/2–J_rg(w_AR+w_AL)/2

而在轴处消耗的转矩是：

F_TLR_whl+T_bL+J_Aw_AL+F_TRR_whl+T_bR+J_Aw_AR

其中：

F_TLR_whl是在左轮处的驱动转矩，

T_bL是在左轮处的制动转矩，

J_Aw_AL是在左轮处的惯性转矩，

F_TRR_whl是在右轮处的驱动转矩，

T_bR是在右轮处的制动转矩，以及

J_Aw_AR是在右轮处的惯性转矩。

简化总驱动动力模型得到：

[f(1/v)G_tjG_A]T_e–[f(1/v)G_tjG_A]J_ew_e-J_A(w_AR+w_AL)～(F_TL+F_TR)R_whl+ T_bL+T_bR

其中：

[f(1/v)G_tjG_A]是动力传动系统转矩乘法因数，

T_e是发动机转矩，

J_ew_e是发动机加速度，

(w_AR+w_AL)是kardan加速度，

[f(1/v)G_tjG_A]T_e是由转矩转换器、变速器和轴所放大的发动机转 矩，

[f(1/v)G_tjG_A]J_ew_e是在发动机组件处的惯性转矩损耗，

J_A(w_AR+w_AL)是在车轮组件处的惯性转矩损耗，

[f(1/v)G_tjG_A]J_ew_e-J_A(w_AR+w_AL)是过载转矩，

(F_TL+F_TR)R_whl是总驱动转矩，

T_bL是在左轮处的制动转矩，以及

T_bR是在右轮处的制动转矩。

动力传动系统的另一模型可由下列形式的线性系统来表示：

x₁=Ax+Bu    （方程6a）

y=Cx    （方程6b）

其中：

x是一个或多个车辆状态（包括相关的轮速），

u是一个或多个系统输入，以及

y是基于x的一个或多个可测量的车辆输出状态。

闭环观察器（下面的方程7a和7b）可构造成估算x的状态。观察器比 系统操作更快地估算x的状态，从而实现使任何误差趋近于零。通过将误 差反馈回所观察的车辆输出和实际车辆输出，系统进行校正，从而驱使误 差为零。因此：

x₂=Ax₃+BuL(y–y₁)    （方程7a）

y₁=Cx₃    （方程7b）

其中：

x₂是所估计的车辆状态（来自动力传动系统模型），以及

y₁是观察器车辆输出。

将方程6a和6b与7a和7b组合得到：

x₁–x₂=A(x-x₃)–L(y–y₁)

y–y₁=C(x–x₃)

在所观察的车辆状态和实际车辆状态（包括轮速）之间所产生的误差 是：

e=(A–LC)e₁

y–y₁=Ce₁

因为这些方程没有输入，(A–LC)可被设计成对任何速度求解。因此， (A–LC)被设计成对于初始条件使误差衰减到零。矢量L可被得到并用在观 察器（方程7a）中以对轮速求解。

上述模型的使用使从动轮的速度能够被精确预测。这允许去掉轮速传 感器，从而节约成本，同时提高使用轮速的系统的性能。

在所付权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。