测量车桥的扭矩和速度的系统和方法与流程

1.本公开涉及一种用于测量车桥的扭矩和速度的系统和方法。该系统和方法允许传动系统推进装置的闭环控制和其它传动系统控制变量的推断(inference)。


背景技术：

2.车辆可以包括一个或多个推进源，以对车轮提供动力。可以命令推进源提供所需的车轮扭矩，该所需的车轮扭矩可经由车辆驾驶员或自动驾驶员请求而得到。推进源可以产生足够的扭矩以产生所需的车轮扭矩；然而，由于离合器打滑、制造公差、车轮打滑、变矩器效率损失和其它车辆运行条件的缘故，实际车轮扭矩可能不同于所需的车轮扭矩。
3.估计实际车轮扭矩的一种方法可以是在车轮处安装应变计。应变计可以安装在车轮内，并且应变计可以经由滑环或射频发送器对控制器提供信号，从而确定实际车轮扭矩。然而，在车轮处安装应变计可能成本过高，并且在较长时间内接收应变计信号的可能性可能会不太可靠。因此，可能期望提供一种确定传动系统的扭矩的稳健且有成本效益的方法。
4.本文的发明人已经认识到上述问题并且已经开发了一种用于估计传动系统的扭矩的方法，该方法包括：测量差速器齿圈组件的位置；以及经由控制器响应于差速器齿圈组件的位置来估计动力传动系的扭矩。
5.通过测量齿圈组件的轴向移动的位移，可以提供确定被递送到车辆的车桥的扭矩的技术结果，而无需在车轮处安装应变计。此外，与应变计相比，齿圈组件位置传感器的安装可能是较低成本和较低复杂度的。此外，来自齿圈组件位置传感器的信号传输可能比应变计传感器的信号传输更稳健。
6.本说明书可以提供若干优点。特别地，该方法可以以较低成本提供传动系统扭矩反馈。此外，该方法可以提供稳健的感测和信号。此外，该方法可以简化传动系统的扭矩确定。
7.应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决以上或在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
8.附图作为说明书的一部分援引到本文。本文描述的附图示出了当前公开的主题的实施例，并且说明了本公开的所选原理和教导。然而，附图未示出当前公开的主题的所有可以能的实施例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
9.图1是传动系统组件和控制电路的示意图；
10.图2a
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图2c示出了示范性车桥差速器和传感器；
11.图3a和图3b示出了供应到车桥和齿圈组件位置传感器输出的扭矩的曲线图；
12.图4示出了输入到齿圈组件的扭矩与齿圈组件位置传感器的输出之间的关系；以
及
13.图5是用于确定传递送到车桥的扭矩并且操作推进源的示例方法的流程图。
具体实施方式
14.下文说明涉及用于确定被传递到车桥的扭矩的系统和方法。车桥可包括差速器齿圈组件和两个车桥半轴。可以根据齿圈组件轴向位置来确定扭矩。图1中示出了示例性动力系或传动系统。图2a
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图2c示出了示例性车桥的替代视图。图3a示出了由齿圈组件位置传感器的输出确定的车桥输入扭矩和车桥扭矩。图3b示出了齿圈组件位置传感器输出信号特征。图4示出了输入到车桥的扭矩大小与齿圈组件位置传感器的输出之间的关系或传递函数。图5示出了用于确定车桥扭矩和车辆推进源的运行的示例方法。
15.图1示出了包括在车辆10中的示例的车辆传动系统199。机械连接在图1中以实线示出，而电气连接以虚线示出。
16.车辆10包括前侧110和后侧111。车辆10包括前轮102和后轮103。在该示例中，车辆10被构造成两轮驱动车辆；然而，在其它示例中，车辆10可以被构造成四轮驱动车辆。车辆10包括推进源12，其可以选择性地向后桥190提供推进力。推进源12可以是内燃发动机(例如，火花点火的或柴油的)，或者替代地，推进源12可以是电动机(例如，电动机/发电机)或其组合。推进源被示出为机械地联接至变速箱14，并且变速箱14机械地联接至后桥190。推进源12可以对变速箱14提供机械动力。后桥190可以经由驱动轴170接收来自变速箱14的机械动力，使得机械动力可以被传输到后轮103。
17.后桥190包括两个半轴，包括第一半轴或右半轴190a和第二半轴或左半轴190b。后桥190可以是包括差速器齿轮组191的一体式车桥。当车辆10在道路上行驶和在拐弯时，差速器齿轮组191可以打开，使得右后轮103a可以以与左后轮103b不同的速度旋转。差速器齿轮组191允许车辆10在不拖动右后轮103a或左后轮103b的情况下转向。后桥190还包括齿圈组件位置传感器195，其构造成测量齿圈组件的轴向移动。在一个示例中，齿圈组件位置传感器是非接触式涡流传感器。在其它示例中，齿圈组件位置传感器可以是电容传感器、霍尔效应传感器、超声波传感器，或光学传感器。控制器144可以接收来自齿圈位置传感器195的齿圈组件位置信号。控制器144可以由齿圈组件位置传感器195的输出来确定各种控制参数。例如，控制器144可以由齿圈组件位置传感器195的输出来确定车桥扭矩和齿圈速度。此外，控制器144可以由车桥扭矩和齿圈速度来估计其它控制参数。
18.控制器144可以与仪表板130、推进源12、后桥190和其它控制器(如果存在)进行通信。控制器144包括只读存储器(rom或非临时性存储器)114、随机存取存储器(ram)116、数字处理器或中央处理器(cpu)160、以及输入和输出(i/o)118(例如，包括计数器、计时器和离散输入的数字输入，数字输出，模拟输入和模拟输出)。控制器144可以接收来自传感器154的信号并且对致动器156提供控制信号输出。传感器154可以包括但不限于齿圈组件位置传感器195。致动器156可以包括但不限于推进源扭矩致动器(例如，油门(throttle)、逆变器、燃料喷射器等)。
19.车辆推进系统还可包括仪表板130，车辆的操作者可以与该仪表板130交互。仪表板130可包括交互式天气数据显示和通知系统134，其可以将天气预报数据传送给控制器144。仪表板130可以进一步包括显示系统132，显示系统132被构造成向车辆操作者显示信
息。作为非限制性示例，显示系统132可包括使车辆操作者能够查看图形信息以及输入命令的触摸屏(或称人机界面(hmi))显示器。在一些示例中，显示系统132可以经由控制器144无线连接到互联网(未示出)。这样，在一些示例中，车辆操作者可以经由显示系统132与互联网站或软件应用(app)和控制器144进行通信。仪表板130以及其中包括的装置可以经由电池139来供应电力。电池139还可以向控制器114和用于推进源12的起动马达(未示出)供电。
20.仪表板130可以进一步包括操作者界面136，车辆操作者可以经由该操作者界面136来调节车辆的操作状态。具体地，操作者界面136可以被构造成基于操作者的输入来发起和/或终止车辆传动系统(例如，推进源12)的操作。操作者界面136的各种示例可以包括需要诸如主动钥匙(active key)之类的物理装置的界面，该物理装置可以被插入到操作者界面136中以激活推进源12并且开启车辆10，或者可以被移除以关闭推进源12并且关闭车辆。其它示例可以包括通信地联接到操作者界面136的被动钥匙(passive key)。该被动钥匙可以被构造成不必插入界面136或从界面136移除来操作推进源12的电子钥匙扣或智能钥匙。其它示例可以附加地或可选地使用由操作者手动按下的开始/停止按钮以启动或关闭推进源12。车辆10的空间定向经由坐标轴线175来表示。
21.现在转到图2a，示出了车桥190的详细视图。特别地，图2a示出了朝向小齿轮205看到的车桥190的截面。车桥190包括右半轴190a和左半轴190b。车桥190还包括齿圈组件210，其包括齿圈210a。齿圈210a可以紧固到凸缘210b，而凸缘210b可以联接到可被封围在差速器齿轮组承载件192中的差速器齿轮组。车桥壳体220支承差速器齿轮组承载件192和齿圈组件210。齿圈组件位置传感器195联接到车桥壳体220，并且齿圈组件位置传感器195测量从齿圈组件位置传感器面195a到齿圈组件面209的距离。因此，齿圈组件位置传感器195可测量由齿圈组件面209的箭头208所示的轴向行程。特别地，齿圈组件位置传感器195产生磁场，该磁场可以在齿圈组件面209存在时发生改变，以产生表示齿圈组件面209相对于齿圈组件位置传感器面195a的轴向位置的电压。上述轴向方向可以与桥半轴的纵向轴线平行，并且由线270表示。
22.差速器齿轮组承载件192包括差速器齿轮组(在图2c中更详细地示出)，当车辆10在平直道路上行驶时，该差速器齿轮组允许右后轮103a以与左后轮103b相同的速度旋转。当车辆10通过弯道时，该差速器齿轮组允许右后轮103a以不同于左后轮103b的速度旋转。差速器齿轮组允许车辆10在无需拖动右后轮103a或左后轮103b的情况下转向。
23.现在参考图2b，示出了后桥190的截面平面图。在该视图中，小齿轮齿轮部(pinion gear)212是可见的，并且与齿圈210a啮合。小齿轮齿轮部212可以转动齿圈210a，并且齿圈组件210可以转动差速器齿轮承载件192中的差速器齿轮以转动左半轴190a和右半轴190b。小齿轮齿轮部212位于小齿轮205的一端。小齿轮205可以联接到图1中所示的驱动轴170。
24.现在参考图2c，示出了后桥190内的齿轮装置的示意杆图(stick diagram)。车桥壳体220支承小齿轮205、半轴190a、190b以及差速器齿轮组191。小齿轮齿轮部212可以将扭矩递送至齿圈210a，而齿圈210a可可以将扭矩递送至差速器齿轮组小齿轮齿轮部272。差速器齿轮组小齿轮齿轮部272可以将扭矩传递到差速器侧齿轮270。差速器侧齿轮270可以联接到半轴190a和190b。当扭矩从小齿轮205递送到齿圈210a时，齿圈210a可沿着如图2a中所示的轴向方向移动。图4中示出了齿圈210a的轴向运动的示例范围。
25.图1
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图2c的系统提供了一种用于估计通过车桥传递的扭矩的系统，该系统包括：
差速器齿圈组件；以及非接触式位置传感器，其被构造成在不接触差速器齿圈组件的情况下测量差速器齿圈组件的轴向位置。该系统还包括车桥壳体，非接触式位置传感器联接到该车桥壳体。该系统包括这样的情况，其中非接触式位置传感器不与差速器齿圈组件接触。该系统还包括控制器，该控制器包括可执行非瞬态指令，以响应于非接触位置传感器的输出来估计经由差速器齿圈组件传递的扭矩大小。该系统还包括另外的可执行非瞬态指令，以响应于非接触位置传感器的输出来估计差速器齿圈组件的速度。该系统包括这样的情况，其中在差速器齿圈组件旋转时确定经由差速器齿圈组件传递的扭矩大小。该系统包括这样的情况，其中在差速器齿圈组件旋转时确定差速器齿圈组件速度。
26.现在参考图3a，示出了示例性的车桥扭矩测量序列的曲线图。竖直轴线表示递送到车桥的小齿轮轴的扭矩，并且扭矩沿竖直轴线箭头方向增加。横向轴线表示时间，并且时间从曲线图的左侧到右侧逐渐增加。
27.虚线302表示递送到车桥的小齿轮轴(例如，图2a的205)的扭矩大小。实线304表示由齿圈组件轴向位置确定的经由小齿轮轴施加至齿圈组件的车桥扭矩。在此顺序中，施加至小齿轮轴的扭矩大小阶梯地增大，随后阶梯地减小，以示出：由齿圈组件的轴向移动确定的扭矩可遵循输入到小齿轮轴的扭矩。
28.在时间t1，输入到小齿轮轴的扭矩以阶梯的方式增加。基于齿圈组件的车桥扭矩的平均值也响应于施加至小齿轮轴的扭矩的增加而阶梯地增加。在时间t1和时间t2之间，输入到小齿轮轴的扭矩大小阶梯地增加几倍。在时间t2，输入到小齿轮轴的扭矩以阶梯的方式减小。基于齿圈组件的车桥扭矩的平均值响应于施加至小齿轮轴的扭矩的减小而阶梯地减小。可以观察到，基于齿圈组件的车桥扭矩与输入小齿轮轴的扭矩成比例地增大和减小。还应当注意，基于齿圈组件的车桥扭矩呈现循环图案。该循环图案可能是由于当齿圈旋转时在齿圈的面的位置发生改变之处有齿圈组件跳动(run
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out)。该跳动可能与制造公差和其它影响相关联。此循环运动根据相关于齿圈组件位置传感器的齿圈组件旋转位置而得到，此循环运动可以在确定齿圈的速度时有用。
29.现在参考图3b，示出了基于齿圈组件的车桥扭矩的循环特性的详细视图。竖直轴线表示递送到车桥的小齿轮轴的扭矩，并且扭矩沿竖直轴线箭头方向增加。横向轴线表示时间，并且时间从曲线图的左侧到右侧逐渐增加。
30.迹线340是当小齿轮和齿圈以恒定速度旋转并且有恒定扭矩被施加至小齿轮205时基于齿圈组件的车桥扭矩的示例。迹线340呈现了可能与齿圈组件的跳动有关的循环图案。该循环图案对于齿圈组件的每一圈是重复的。例如，齿圈在迹线340的350和352处的峰值或最大值之间旋转一圈。同样，齿圈在351和353处的谷值或最小值之间旋转一圈。因此，可以经由确定迹线340中的峰值之间的时间长短来确定齿圈的转速。替代地，可以经由确定迹线340中的谷值之间的时间长短来确定齿圈的转速。可以通过在迹线340中寻找迹线340中导数实质上为零的位置来确定迹线中的峰值和谷值的位置。
31.现在参考图4，示出了非接触式齿圈组件位置传感器的电压输出与施加至车桥的小齿轮205的扭矩之间的示范性关系。竖直轴线表示传感器输出电压，并且传感器输出电压沿竖直轴线箭头方向增加。水平轴线表示施加至车桥的小齿轮的扭矩大小，并且扭矩大小沿水平轴线箭头方向增加。
32.迹线402表示当施加至小齿轮的扭矩从较低扭矩变为较高扭矩时非接触式齿圈组
件位置传感器的电压输出与施加至小齿轮的扭矩之间的关系。迹线404表示当施加至小齿轮的扭矩从较高扭矩变为较低扭矩时非接触式齿圈组件位置传感器的电压输出与施加至小齿轮的扭矩之间的关系。经由此关系，传感器电压可以涉及这样的函数，该函数可储存表示此关系的值，并且该函数在齿圈组件处输出扭矩。
33.现在参考图5，示出了用于确定车桥扭矩和响应于车桥扭矩来操作推进源的示例性方法。方法图5的至少一部分可以经由与图1
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图2c的系统协配的控制器来执行。在一些示例中，图5方法的至少若干部分可以结合为被存储在控制器的非暂时性存储器中的可执行指令。另外，可以经由变换物理世界中的装置和致动器的操作状态的控制器来执行该方法的某些部分。图5的方法可以施加至车辆的前桥和后桥。图5的方法在齿圈组件正在旋转时执行。
34.在502处，方法500感测齿圈组件的轴向位置。在一个示例中，可以经由齿圈组件位置传感器来确定齿圈组件的轴向位置。齿圈组件位置传感器可输出表示齿圈组件轴向位置的信号。方法500进行至504。
35.在504处，方法500估计经由小齿轮(例如，图2a的205)递送到齿圈组件的扭矩大小。当扭矩被输入到齿圈组件时，齿圈轴向位置略有改变。齿圈组件轴向位置的改变可能表示经由小齿轮输入到齿圈组件的扭矩大小。齿圈组件位置传感器的输出涉及这样的函数或表格，该函数或表格描述了根据齿圈组件轴向位置的齿圈处的扭矩(或者替代地小齿轮处的扭矩)。该表格或函数可输出小齿轮扭矩或齿圈组件扭矩。
36.在一些示例中，方法500可以使从表格或函数输出的小齿轮或齿圈输出扭矩经过低通滤波器以平均表格或函数来输出，由此去除可能由于齿圈组件跳动引起的扭矩信号的交变分量。方法500进行至506。
37.在506处，方法500估计车桥齿圈组件的速度。在一个实例中，方法500可以确定如图3中所示的峰值或谷值之间的时间量，以确定车桥齿圈的速度。例如，方法500可以在预定持续时间内生成小齿轮或齿圈组件扭矩估计器的未被滤波的、或可选地被滤波的输出的导数值的向量或数据集。替代地，方法500可以在预定持续时间内生成小齿轮或齿圈组件位置传感器的未被滤波的、或可选地被滤波的输出的导数值的向量或数据集。方法500可以确定在呈预定量为零范围内的导数值的向量的各值(例如，齿圈位置传感器输出中的峰值或谷值)之间的时间长短，以确定扭矩信号或传感器输出信号的周期。例如，方法500可以确定图3b的350处的数据和图3b的352处的数据之间的时间量，以确定信号的周期。一旦确定了周期，齿圈的转速可以经由f＝1/t确定，其中f是频率(转数/秒)而t是周期。此外，如果在预定的零数量以内的导数值的向量中的值在传感器或扭矩数据中的对应的值的大小(幅度)不足，则它们可以不被视为相关数据。
38.在一些实例中，方法500可执行离散傅立叶变换(dft)以确定齿圈组件速度。例如，方法500可以获取在预定的时间量内的齿圈组件位置传感器数据，并且随后经由以下等式处理数据：其中n是从齿圈组件位置传感器输出中获取的样本总数，x是dft输出，n是当前样
本号，k是当前频率，e是常数，x是在时间n处的信号的值。齿圈组件的旋转频率可以由x
k
矢量中的频率(例如，具有最大振幅或功率水平的频率)来确定。方法500进行至508。
39.在508处，方法500可以响应于由齿圈组件位置传感器输出而确定的车桥扭矩来调节车辆推进源的扭矩。例如，如果驾驶员在车轮处的需求扭矩为300牛顿
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米(nm)，并且在504处将确定的齿圈或小齿轮扭矩乘以小齿轮或齿圈与车轮之间的传动比得到280nm，则可以增加推进装置的扭矩，使得车轮扭矩与请求的驾驶员需求扭矩匹配(例如，300nm)。这样，动力系或传动系统扭矩可以是基于车桥扭矩(例如，小齿轮或齿圈处的扭矩)的闭环控制。可以经由调节推进源扭矩致动器的位置或操作状态来调节推进源扭矩。例如，如果推进源是发动机，则可以通过调节油门位置、凸轮正时(cam timing)、燃料喷射时刻和火花时刻来增加发动机扭矩。如果推进源是电机，则电机的输出可以经由调节电源的电压和频率来调节，上述电压和频率经由调节逆变器的输出而施加至电机。方法500进行至510。
40.在510处，方法500可以响应于由齿圈组件位置传感器输出而确定的车桥速度来调节车辆推进源的速度。例如，如果车辆处于速度控制模式中并且车速设定点为100公里/小时，但齿圈组件速度表示车辆以90公里/小时行驶，则可以增加车辆推进源的扭矩，以将车速提高到请求的100公里/小时速度。方法500进行至退出。
41.以这种方式，可以将齿圈组件的轴向位置的改变转换为传动系统的车桥扭矩或另一扭矩。小齿轮或齿圈扭矩之外的扭矩可以通过如下方式估计，即，将小齿轮扭矩或齿圈扭矩乘以小齿轮或齿圈与需要扭矩估计的传动系位置之间的传动比。
42.因此，图5的方法提供了一种用于估计传动系统的扭矩的方法，包括：测量差速器齿圈组件的位置；以及经由控制器响应于差速器齿圈组件的位置来估计动力传动系的扭矩。该方法包括：其中差速器齿圈组件的位置是差速器齿圈组件的轴向位置。该方法包括：其中差速器齿圈组件的位置经由非接触式传感器来确定。该方法包括：其中非接触式传感器是涡流传感器。该方法还包括：响应于传动系统的被估计的扭矩来调节推进源的扭矩。该方法包括：其中传动系统的扭矩是从传动系统推进源递送到车桥半轴的扭矩大小。该方法包括，其中相对于传感器的位置来测量差速器齿圈组件的位置，并且其中传感器安装到车桥壳体。该方法还包括：经由传动系统推进源来转动差速器齿圈组件，同时测量差速器齿圈组件的位置。
43.图5的方法还提供了一种用于估计传动系统的速度的方法，包括：测量差速器齿圈组件的位置；以及经由控制器响应于差速器齿圈组件的位置来估计动力传动系的速度。该方法还包括响应于差速器齿圈组件的位置来估计传动系统的扭矩。该方法包括：其中经由傅里叶变换来估计速度。该方法包括：其中经由差速齿圈组件位置传感器的平均输出来估计扭矩。该方法包括：其中经由确定差速器齿圈组件位置传感器的循环输出的周期或频率来估计速度。
44.要注意的是，本文包括的示例控制和估计例程可以与各种动力系统和/或车辆系统构造一起使用。本文公开的控制方法和例程可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其它发动机硬件结合的控制器的控制系统来执行。此外，方法的若干部分可以是在现实世界中采取的用以改变装置状态的物理动作。本文描述的特定例程可以代表任何数量的诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等的处理策略中的一个或多个。这样，所示出的各种动作、操作和/或功能可以以所示出的顺序、并行
地来执行，或者在某些情况下被省去。同样，实现本文描述的示例性示例的特征和优点的处理顺序不是必要的，而是为了便于说明和描述而提供。取决于被使用的特定策略，可以重复地执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示待被编程到引擎控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中所描述的动作通过在包括各种发动机硬件部件并且与电子控制器结合在一起的系统中执行指令来执行。如果需要，可以省略本文所述的一个或多个方法步骤。
45.可以理解，本文公开的构造和例程本质上是示例性的，并且这些具体示例不应被认为是限制性的，因为可以进行多种变化。例如，以上技术可以应用于包括不同类型的推进源的动力系统，所述推进源包括不同类型的电机和变速器。本公开的主题包括本文公开的各种系统和构造以及其它特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
46.所附权利要求特别指出了被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及一个元件或第一元件或其等同物。应当将这样的权利要求理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不需要也不排除两个或多个这样的元件。在本技术或相关申请中，可以通过修改本权利要求或通过提出新权利要求来主张所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合。这样的权利要求，无论是在范围上与原始权利要求相比更宽、更窄、相同或不同，都被认为包括在本公开的主题范围内。