本发明涉及控制传动装置用的闭环控制系统，例如，车辆变速箱换挡用的控制系统。 在现有技术中，控制电路已被用于驱动传动机构，例如，在此描述的本发明的优选实施例中，用于驱动变速箱换挡伺服机构使之到达各种位置。然而，在现有的变速箱换挡机构中，由于随着用于驱动电动机以使换挡机构运动的车辆蓄电池的电压变化，控制环路的增益变化，因而换挡特性不一定总是最佳。例如，当蓄电池电压为12伏时为获得良好特性所选的控制电路的增益常数，当蓄电池电压为其它值例如14伏时就不合适。不同的蓄电池电压引起电动机地不同增益。
本发明提供一种伺服机构，其特性基本上与蓄电池电压无关。在本发明的优选实施例中，电动机的功率通过施加一个脉冲宽度调制的（PWM）转换信号控制，此信号使电动机与蓄电池之间以一个短的时间间隔周期性地连接和脱离连接，正象现有技术中那样。不过，由误差信号部分地控制的PWM脉冲的宽度在本发明中还作为蓄电池电压的函数受到控制，所述误差信号是位置反馈信号与位置指令信号之差，按这种方法，根据蓄电池电压的改变进行特性补偿。
PWM信号脉冲的能量是闭环误差信号和开环蓄电池电压补偿信号的函数。在下面描述的本发明的特定优选实施例中，加到电动机上的能量脉冲频率是恒定的，与蓄电池电压和伺服机构的闭环误差信号均无关，但频率的稳定性不是实质问题。脉冲持续时间是变化的。
只用脉冲宽度调制来控制电压已不是新技术;在本发明中，将伺服机构的误差信号乘以蓄电池补偿信号，来控制加到电动机上的脉冲宽度调制的电动机传动信号的宽度。
在优选实施例中，电动机是永磁型的，所以，假若无补偿，它的输出功率大致是蓄电池电压的平方和PWM转换信号的脉冲持续时间的函数。补偿是针对这样的情况电动机的功率不希望与蓄电池电压的平方相关，而脉冲持续的时间与包括蓄电池电压的平方的函数相关，从而对因为蓄电池电压变化而引起的电动机的功率增益的影响进行补偿，由于电动机相对于控制其输入功率通断的PWM信号的能量脉冲周期具有高惯性，因此PWM输入能量在电动机中实现了时间平均。
此优选实施例是一种自适应伺服机构。自适应伺服机构可以对其参数（例如，它的比例通道增益和它的微分通道增益）校准，在相当偶然的时候，对由于温度等条件的变化引起的特性变化进行补偿。优选实施例中的校准是在每次测试换挡机构的特性之后进行的，每次的特性均与换挡指令响应。然而，在伺服系统参数进行适当校准之后，并在下次换挡因此是在下次特性测试校准之前，蓄电池电压可以改变。若不采用本发明，在下次换挡时系统的闭环增益是不正确的，因为在控制参数进行最近的一次适当调节之后，电动机的增益会变化。因此，参数的自适应能力对于本发明的将误差信号与蓄电池电压补偿信号相结合用于控制脉冲宽度显得更重要。
当伺服机构是一种自适应型机构时，本发明的其它优点可以用其它方式说明如下。当处于PWM脉冲的“on”间隔时，电动机上加未控制的可变蓄电池电压。假若蓄电池电压没有通过改变脉冲宽度进行补偿，PWM永磁电动机的增益会随蓄电池电压的变化而变化。当电动机的增益改变时，在增益可调节的控制系统中（用于使过调量、换挡速度等参数最佳化），一个独立变化的增益部分，如电动机，将会降低工作性能。假若不进行补偿，这些变化要用闭合伺服环路校准。然而，环路仅仅在偶然的间隔下工作，也就是说，在换挡出现故障时闭合回路才工作。在此期间蓄电池电压会改变，并经常改变，这时系统特性有潜在危害。本发明提供了一种降低与电动机增益变化无关的影响的方法。
蓄电池电压校准是一种开环控制，它通过改变作为蓄电池电压的函数的PWM信号的脉冲宽度使电动机增益保持在近似恒定的值。相同脉冲的宽度也会随伺服机构闭环误差信号变化。电动机处的脉冲宽度随蓄电池电压和闭环误差信号变化。开环蓄电池电压校准电路用于补偿（通过改变PWM）蓄电池电压的变化。
为此，本发明的一个目的是提供一种传动机构控制系统，此系统包括一个具有用可变动率电源如蓄电池供电的电动机的闭环伺服机构，其中蓄电池电压的变化用PWM补偿，因而，电动机的功率增益与蓄电池电压无关，但它仍与伺服机构的误差信号相关。
本发明的另一个目的是提供一种传动机构控制系统，其中，伺服机构误差信号控制脉冲宽度调制信号，使电动机迅速转换成接通和断开，并且脉冲宽度也受一个响应于蓄电池电压的信号控制。
本发明的再一个目的是提供一种控制系统，其中，用于补偿电压变化的控制信号由标准电压与蓄电池瞬时电压之比的平方导出。
本发明的又一个目的是提供一种控制系统，其中，用永磁（PM）电动机驱动伺服机构，例如换挡变速装置，用脉冲宽度调制信号将蓄电池转换到PM电动机的衔铁端，脉冲宽度调制信号的工作循环受来自伺服机构的误差信号和蓄电池电压两者控制。
本发明还有一个目的是提供一种控制系统，其中，蓄电池电压的变化对电动机的影响通过改变加到电动机上的PWM信号的脉冲宽度加以补偿，而且闭环伺服机构的至少一个参数随换挡作用的至少一个特性自动地自适应地改变。
本发明的其它目的是提供实现上述装置的功能的各种方法。
本发明的更多的目的可以从本发明的说明书、附图和权利要求书中清楚了解。
图1是采用本发明的同步机械变速箱的一部分的示意图。
图2是换挡机构和相关的位置传感器的机械结构示意图。
图3是换挡变速箱用的位置反馈伺服机构的一个实施例的简化方框图。
图4是连接到用于驱动换挡机构的永磁直流电动机上的电动机驱动电路的简示图。
图5是由作为控制系统的一部分的微控器实现的电压补偿的计算方法的流程框图。
图6是一个表，它示出在不接电压补偿电路且蓄电池电压为10伏时由伺服机构实现各种换挡任务所需的换挡时间。例如，它显示出换挡机构从第一挡或第二挡倒挡所需的时间。
图7是除使用了连接有电压补偿电路外，在蓄电池电压仍为10伏时，图6的系统特性。
图8与图6相似，但除蓄电池电压为12伏外。
图9与图7相似，但除蓄电池电压为12伏外。
图10与图6相似，但除蓄电池电压为16伏外。
图11与图7相似，但除蓄电池电压为16伏外。
图12是一个表，它概括并比较了有蓄电池电压补偿和无蓄电池电压补偿的变速箱的换挡特性。
本发明涉及的另一发明是由相同发明人做出并委托相同代理人代为申请的，并记载于序列号为07/802921、发明名称为“具有控制参数自动调节功能的变速箱换挡器”、申请日为91年12月6日的专利申请中。背景技术可从颁布日为1989年12月17日、专利号为4873881、名称为“电传动的X-Y换挡机构”的美国专利中得到。上述的专利申请和专利作为参考构成本申请的一部分。
本发明的优选实施例可结合例如一个普通的同步机械齿轮变速箱来实现，此变速箱具有一个输入轴、一个逆转轴和一个输出轴。变速箱具有比例从9∶1至1∶1的六个正速度和一个比例为9∶1的反速度。变速箱的换挡由图1和2所示的电动机构完成。
图1中示出了一个轨道装置10，它包括倒挡轨道12，第一挡和第二挡轨道14，第三/第四挡轨道16、和第五/第六挡轨道18。可滑动轨道12.14.16.18中的每一个具有分别固定于其上的换挡叉20.22.24.26，在其轨道轴向滑动时，换挡叉能前后移动（Y轴），而且每个换挡叉有两个工作位置。
在Y轴上的换挡叉的前面的位置中所选择的挡是反的，即1、3或5，在后面的位置中挡是2.4或6。
通过啮合所选轨道上相应的换挡块21、23、25、27，可滑动的轨道选择换挡抓手19（X轴）选出倒挡轨道12、第一/第二轨道14、第三/第四轨道16或第五/第六轨道18中的任一个。
图2示出了安装在换挡轴29上的换挡抓手19，它是用于沿轴29滑动和转动换挡抓手19的装置28的一部分。
啮合换挡抓手19的球形螺旋机构30由带两根电引线34、36的双向永磁直流电动机32驱动。当电动机32转动球形螺旋机构的螺杆时，球形螺旋机构30能使换挡抓手19前后（X轴）滑动。
相似地，球形螺旋机构38啮合以下述方式固定于轴29上的马蹄形挂钩40，即，当球形螺旋机构38工作时，它使轴29转动一个小角度，并因此使换挡抓手19转动那个小角度（Y轴）。机构38由可在任一方向旋转的永磁直流电动机42驱动。
每个球形螺旋装置30、38都分别配备了一个位置传感器48、50。用于将位置反馈信号供给电子控制单元（ECU）。
位置传感器48、50是可变电阻器，它的一端加有十12伏电压，另一端接地电位。可变电阻器48的一个臂随球形螺旋机构30的位置移动，因而它随着在轴29上的换挡抓手19的前后位置移动。可变电阻器48的臂上的电压给出换挡抓手19的X轴位置的指示。Y轴上的位置传感器50（与传感器48）是相同的。
在所述的优选实施例中，电子控制单元（ECU81′）控制换挡机构，如图3中的简化形式所示。ECU包括一个比例一积分一微分控制电路，它是执行许多功能的微型计算机的一部分。
用于完成本发明中包括的计算方法的微型计算机的流程图如下面将要说明的图5所示。实施本发明只需要通常的公知编程技术。尽管如此，为了更清楚，还是给出了微型计算机功能的某些简化了的模拟形式，图3的左边部分是ECU81′中的软件的一种模拟表示。
图3的连接如下。X轴位置传感器48供给一个信号，在端子134′处输入减法器136′。来自储存X-Y换挡机构28的X轴部分的换挡操作的最终位置（目的地）的指令寄存器的另一信号在端子140′处输入减法器136′。在端子134′处的实际位置信号与在端子140′处的最佳目的地信号之间的差为端子144′处的误差信号。
此误差信号通过可变增益比例放大器148′，后者的增益由增益控制端148′处的信号控制。放大器148′是处理误差信号的三个通道中的一个，并且其输出是输入加法器155中的三个输入中的一个。
端子144′处的误差信号还由析取（extract）误差变化的时间比率的微分放大器154′处理。它的增益也受增益控制端157′的控制。它的输出进入加法器155的另一输入端。
端子144′处的误差信号还输入积分放大器162′，后者的增益也可以控制，假如必要的话。它的输出作为第三个输入加法器155的信号。
加法器155的一个输出端170′连接到电动机方向控制电路84″和钳位器171′，其输出进入组合器和脉冲宽度调制器173′，来自蓄电池电压信号处理电路175′的另一信号也输入组合器和脉冲宽度调制器173′。来自蓄电池电压读出电路177′的信号输入蓄电池电压信号处理电路，一个蓄电池60连接到电路177′，用于蓄电池电压测量。
组合器和脉冲宽度调制器173′的输出与逻辑电路82的端子83′相连接，其目的是控制四个电子电动机控制开关的转换。逻辑电路82还具有一个用于控制电动机32的方向的输入端84、一个信息转储（L-Dump）端子86、和一个可起动（enable）端子88，这在引作参考的序列号为07/802921的专利申请中作了充分的说明。
逻辑电路82的输出端连接到电子开关，以控制电子开关66、68、70和72的工作。蓄电池60的正极62连接到开关66和70，并连接到蓄电池电压读出电路177′。蓄电池的负极64连接到开关68和72，并连接到ECU81′的接地负极（一），开关66和68如此连接，即，当闭合时，可以将蓄电池电压加到具有确定极性的电动机32上。另一方面，如此连接开关70和72，使相反极性的蓄电池电压能加到电动机32上。
机械连接电动机32的衔铁的机械输出轴31′，用以驱动换挡机构28的X轴部分，它的位置由传感器48读出，正如上面所述的。对Y轴做同样的配置。
现在说明图3的控制电路的工作，假定希望从第五挡换到第六挡。第六挡的位置进入目的位置寄存器并在图3的端子140′表示出来。传感器48引发在端子134′处的信号，它指示换挡抓手19的瞬时X轴位置。端子140′处的目的位置信号在减法器136′中被从端子134′处的数字化的实际位置信号中减去，而产生在端子144′处的误差信号。
可变增益比例放大器148′在加法器155的一个输入端供给误差信号的一个比例分量。
由微分放大器154′形成误差信号的微分形式，而且，信号的此分量也进入加法器155。
端子144′处的误差在积分器162′中被积分，其结果也输入加法器155中。加法器的输出170′在钳位电路171′中被钳位，然后进入组合器173′，在这里，它是控制逻辑电路82的输入脉冲宽度的一个因素。
端子170′处来自加法器155的输出信号用于借助方向控制电路84″控制电动机32的旋转方向，方向控制电路84″连接到图3中的逻辑电路82的输入端84。
图4中示出了可逆向工作的通用转换电路中的电动机32。蓄电池60的正极62和接地极64之间提供一个标称12伏的直流电源。
电子开关66、68、70和72是场效应晶体管，它们每一个均具有漏极、源极和栅极，其中的栅极控制开关的传动，并且普通的负载电流从漏极流至源极。栅极分别被表示为74、76、78和80。
总体表示的逻辑电路82与其输入端子处的指令响应控制开关66、68、70和72的工作。这些输入端子包括脉冲宽度调制（PWM）端子83′。方向端子84、LDUMP端子86和ENABLE端子88。
端子90处的逻辑电路82的另一输入具有一个蓄电池电压存在（presence）信号。端子63处的蓄电池电压用串联连接的晶体管92和逻辑放大器94处理。它们的最终输出电压是与逻辑电路82一致的二进制逻辑电平。
逻辑电8路2包括四个与门96、98、100和104，它们的输出分别连接到栅极76、78和80。与门输出端处的逻辑1信号使栅极与之连接的开关闭合。
四个与门中的每一个均有三个输入端。PWM端子83′分别连接到与门100、96的输入端106、108。方向端子84分别连接到与门96、98的输入端110和112并连接到非门106的输入端。非门106的输出端分别连接与门100、104的输入端114和116。
LDUMP端子86分别连接到与门104、98的输入端118、120。ENABLE端子88分别连接到与门104、98的输入端122、124。逻辑电路82的蓄电池电压读出端子90分别连接与门100、96的输入端126、128。
图4中，当蓄电池电压供给端子63时，通过放大器94将逻辑1加到与门100和96上。当没有蓄电池电压时，这些与门闭锁，防止换挡电动机32在任一方向工作。这是一个可任意选择的安全特征。通过给ENAVLE端子88或LDUMP端子86中任一端子加一个逻辑0信号，ECU81′也能使电动机32截止。它使与门98、104将逻辑0信号分别加到开关68、72的栅极上，以防止电动机32的各端接地电位。
继续参照图4，当希望将换挡抓手在X轴上向前移动时，ECU81′通过给方向端子84加逻辑1信号控制电动机32的工作方向。这给与门96、98的输入端上加一个逻辑1信号，并在与门100、104上加一个逻辑0信号（通过非门106）。因有向前的开关66和68能因此闭合。相反，方向端子上加逻辑0信号使开关66、68截止，并能使向后方向的开关70、72闭合。
图4所示的电路例中，加方向信号84可以使与门96和98起动，并使与门100和104截止，因此开关70和72不能闭合。假若有蓄电池电压，正如在端子90处由逻辑1指示的，并且在端子86和88处LDUMP和ENABLE信号是逻辑1，与门98的输出是逻辑1，因而开关68闭合。
现在，与门96的输出处于PWM端子83′处的逻辑信号的单独控制之下。开关66周期性地接收在它的栅极74的脉冲宽度调制信号，其工作循环取决于脉冲宽度调制器173′在端子83′的信号。因而，开关66以某一平均ON时间的可控制周期交替地断开和闭合，从而控制了加到电动机32的端子34上的平均正电压。因此，电动机32接收电输入功率，此功率根据加法器155的输出端170′处的指示和蓄电池电压信号处理电路175′的输出端179′处的信号改变。
电动机32使球形螺旋机构30工作，并按控制速度移动换挡抓手19，当换挡抓手19接近轨道18上的第六挡位置时，它碰到目的地区域的内部边界，其位置被储于ECD81′的寄存器中。
用ECU81′中的时钟测量从换挡指令发出时间至到达内部边界的时间换档抓手19的移动时间。时钟输出信息送入一个电路，此电路为可变增益放大器148′和154′选择适当的增益。因此，可调节可变增益放大器的增益，而使定位系统获得适当的速度、过调量等，正如上面引用的序列号为07/802921的专利申请中所述的。
ECU81′通过改变PWM信号的工作循环控制加给电动机32的平均电压。这补偿了系统参数如摩擦力的变化，也补偿了蓄电池电压的变化。
按刚描述过的方式，ECU81′控制电动机32的工作，并控制换挡抓手19在X轴上前后方向的移动。
同样的电路控制Y轴电动机42。
图5是一个流程图，它描绘了当蓄电池电压影响电动机32的功率增益时，用于对蓄电池电压变化的补偿的算法，流程的描述中还将参照图3。
在符号131′处程序开始。在流程方框133″中用位置读出传感器148测量X-换挡机构的位置，并将一个新的位置信号在端子134′处输入ECU81′。方框133′还接收由传感器177′检测的蓄电池60的电压测量值，如图3所示。
比较换挡机构30的新位置与所希望的目的位置（它的值在端子140′处），在流程图的减法器方框136′中形成在端子144″处的误差信号。
通过比较最新的测量误差与以前的误差在方框154′中确定在144′处的误差信号变化的时间比率。在方框162″中通过将最新的测量误差加至以前的累积误差使误差积分。
在方框170″中计算出适当的脉冲宽度调制（与蓄电池电压为12伏时的电动机32的增益相对应）。它是第一增益常数K1乘以比例误差加上第二增益常数K2乘以误差变化的时间比率再加上第三增益常数K3乘以误差积分的总和。结果是图3中端子170′处的信号。
在方框171′中，将12伏时所希望的脉冲宽度调制信号钳位至100%的最大信号和-100%的最小信号，使其能在电路的工作范围内处理。
在方框173′中，所形成的和钳位后的信号乘以12伏电压（标准电压）与蓄电池瞬时电压之比的平方。根据脉冲宽度调制，在端子83′的生成信号对应于在逻辑电路82的端子83′处的脉冲宽度调制的输入信号（图3）。
图6至11是数据表，它们记录了变速箱实现各种换挡所需的时间。对于图6至12中的全部数据使用了相同形式的换挡装置。时间在计算机环路中显示。下列各表中括号里的数字表示矩阵点地址，它确定换挡器的自适应控制器用的比例和微分通道增益，它与装置的参数调节特性有关。
参数调节能力和电压补偿能力共存于装置中，且不会相互干扰。电压补偿系统使得参数调节系统的工作更容易;它基本上排除了一个独立变量，即蓄电池电压，在无蓄电池电压补偿时，此电压会损坏参数调节系统的性能。
若无电压补偿系统，电动机32的增益将会随蓄电池电压的变化而变化。这对参数调节系统是极为有害的，特别是在参数调节系统的优选实施例中，其中需调节的参数是增益参数，即控制器的比例和微分通道增益。当具有电压补偿能力时，电动机32的增益保持不变，这样，闭环控制系统的增益只处于参数调节系统的控制之下，从而使换挡器更好地运行。
图6至11中的每一个表的第一列表示从第一/第二轨道至倒挡轨道的时间，应注意，第一和第二挡共用第一/第二轨道。第二列表示从倒挡轨道返回到第一/第二轨道所需的时间。第三列表示从第一/第二轨道至第三/第四轨道上换挡所需的时间。第四列是从第三列/第四轨道至第五/第六轨道所需的时间。第五列是从第五/第六轨道下换挡至第三/第四轨道所需的时间。第六列是从第三/第四轨道下换挡至第一/第二轨道所需的时间。
图6至11的每个图中接近底部有两行标记“A、C、”和“S、D、”的数字。A、V、行表示六列中每一列的平均换挡时间，最右边的数字表示这些平均数的总平均值，在S、D、行中是六列中每列数据的标准偏差。
图6和7所列数据是蓄电池电压为10伏时的数据。图6是无蓄电池电压补偿的数据。图7是有蓄电池电压补偿的数据。
图8和9是蓄电池电压为12伏时的数据;图8是无蓄电池电压补偿的数据，图9是有蓄电池电压补偿的数据。图10和11是蓄电池电压为16伏时的数据，图10是无电压补偿的数据，图11是有电压补偿的数据。
图12中对电压补偿效率的测试结果进行了总结和分析。将无电压补偿的“数组1”的特性与有电压补偿的“数组2”的特性进行了比较，两个数组特性表中表示的是约25次换挡时间的平均记录。
图12的两个数组表中，每个表的第一列是蓄电池电压。第二列是从倒挡轨道换挡至第一/第二轨道所需的平均换挡时间。第四列是从第五/第六轨道至第三/第四轨道的平均换挡时间。第五列是从第三/第四轨道至第一/第二轨道的平均换挡时间。第六列是对应每个相应的电压值的第二至第五列的平均换挡时间。第七列是相应于每个蓄电池电压值的第二至第五列的换挡时间的标准偏差。
在图12的“数组1”表的底部的一行表示第二至五列中每列的平均换挡时间，这一行最右边的数字表示这四个平均换挡时间的总平均值，此值为11.95。标记为Sxsf，i的另一行表示第二列和其它各列的标准偏差，这一行最右边的数字表示“数组1”表中所有数据的标准偏差。
还给出了在蓄电池电压和换挡执行方式不相关的情况下的标准偏差，以及在数组是正态分布（3∑）时的最大换挡时间。图12中的“数组2”表列出了相似的数据。
这些图表明，有电压补偿的平均换挡时间（数组2）是12.15计算机环（computre loops），没有电压补偿的平均换挡时间是11.95换挡环。正如所预料的，具有电压补偿的换挡时间稍稍大一点（大1.6%），因为在这些测试中所取的特定数据是蓄电池电压是在标准电压12伏之下两伏至标准电压12伏之上四伏的范围内取得的。当蓄电池电压为16伏时会引起不希望的电动机32的非常高的增益，在这种情况下，不会出现在较低蓄电池电压条件下的可靠的重复。
显然，有电压补偿的换挡时间的标准偏差只是0.11，无电压补偿的换挡时间的标准偏差差几乎是它的两倍，为0.21。此外，假若数组是正态的，有电压补偿的最大换挡时间仅仅是13.8，它明显低于无电压补偿的数组的最大换挡时间15.0。
因此，通过电压补偿明显地改善了换挡伺服机构的特性，而且电压补偿系统能与自适应伺服机构协调工作，即使这两个系统是通过调节加于电动机32的控制开关的相同PWM信号的脉冲宽度工作的。
用于调节参数的自适应系统的实施例与本发明的电压补偿实施例一起得到了说明。显然，不需对为采用本发明的电压补偿的有自适应参数调节能力的控制系统加以说明。
尽管只用少数实施例来说明本发明，然而采用本发明原理的其它许多形式也是可能的，本发明的范围由权利要求书限定。