用于具有獨立驅(qū)動器的作業(yè)車輛的牽引控制方法和設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明大致涉及作業(yè)機械，并且更具體地，涉及用于通過連接到車輪的獨立驅(qū)動 器來控制車輛的牽引的方法和設備。
【【【【【背景技術】】】】】
[0002] 諸如裝載機的作業(yè)機械經(jīng)常構造有位于后輪后面的發(fā)動機和延伸超過前輪的裝 載機部分。該布置允許發(fā)動機的重量抵消在裝載機部分的鏟斗中攜帶的載荷。該布置允許 由每個軸攜帶的重量的量發(fā)生較大變化。由于轉矩單獨地施加到每個車輪，因而這又被表 示為變化的車輪的有效直徑和移動裝載機所需的轉矩。
[0003] 常規(guī)的四輪驅(qū)動裝載機的動力系包括原動機，和用于將原動機與各個車輪機械地 連接的裝置。常規(guī)的動力系構造通過側向地或橫向地，或同時側向地和橫向地機械地限制 車輪來控制過度的車輪空轉。具有多個獨立驅(qū)動馬達（諸如電動馬達）的作業(yè)車輛可以利 用電力牽引控制。
【【【【
【發(fā)明內(nèi)容】
】】】】
[0004] 用于控制作業(yè)車輛上的牽引的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法利用前部差速、后部差速和 前-后部差速。
[0005] 根據(jù)以下描述和附圖，以上特征和其它特征將變得顯而易見。
【【【【【附圖說明】】】】】
[0006] 下面將參照附圖對附圖進行詳細描述，其中：
[0007] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的作業(yè)機械的側視圖；
[0008] 圖2A是用于控制圖1所示的作業(yè)機械的牽引的方法的流程圖；
[0009] 圖2B是圖1所示的動力傳動系統(tǒng)的模型的示意圖；
[0010] 圖3是用于控制圖1中示出的作業(yè)機械的牽引的方法的流程圖；
[0011] 圖4是說明本發(fā)明的各方面的示意性控制電路；
[0012] 圖5是用于幫助描述本發(fā)明的各方面的曲線圖；
[0013] 圖6是驅(qū)動系統(tǒng)的方塊圖；以及
[0014]圖7是鉸接車輛（例如，圖1的裝載機）的示意圖。
【【【【【具體實施方式】】】】】
[0015] 現(xiàn)在參照附圖，并且特別是圖1、6和7,其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的作業(yè)機 械10。作業(yè)機械10可以用于執(zhí)行，例如，農(nóng)業(yè)操作、工業(yè)操作、建筑業(yè)操作、林業(yè)作業(yè)和/或 采礦業(yè)操作，并且可以是鉸接輪驅(qū)動的裝載機10。作業(yè)機械10是通常以下述方式運載有效 載荷的有效載荷運載車輛：其中所述有效載荷暴露于元件并且是能夠載荷運載部分中非常 快速地改變和/或以不均勻并且不可預測的方式分布的載荷。出于本申請的目的，裝載機 車輛應該包括具有至少兩個驅(qū)動單元的車輛，包括裝載機、滑移裝載機、反鏟挖土機、叉式 起重機、自卸貨車、集材拖拉機、伐木歸堆機、木材收割機、木材傳送機以及具有能夠從地面 拾起載荷的設備的車輛。本發(fā)明的實施例還可以與能夠從這種使用中獲益的非裝載機作業(yè) 車輛一起使用。
[0016] 裝載機10包括容納操作員以及用于控制裝載機10的功能的控制裝置的駕駛室 12。裝載機10包括圖示為裝載機部分14的前部分和圖示為動力部分16的后部分。裝載機 部分14和動力部分16在鉸接點處連接，并且通過鉸接部分18圍繞該點相對于彼此移動。 動力系統(tǒng)的部分可以位于任一部分14或16中。
[0017] 裝載機10包括車輪20、22、24和26 ;所述每個車輪都分別由諸如馬達21、23、25 和27的專用的驅(qū)動機構驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)28包括的牽引控制器60連接馬達21、23、25和 27、操作員輸入端62以及可選擇的傳感器34,該傳感器可以集成到馬達中。馬達21、23、25 和27可以是電驅(qū)動的驅(qū)動單元（例如，開關磁阻、永磁體、感應），并且每個馬達都與單個 的車輪20、22、24和26相關聯(lián)的。除此以外，傳感器34能夠檢測每個馬達21、23、25和27 或車輪20、22、24和26的旋轉速度。在另一實施例中，馬達32由馬達控制器和/或換流器 (inverter)控制，所述馬達控制器和/或換流器能夠提供關于馬達21、23、25和27以及/ 或車輪20、22、24和26的旋轉速度的信息。在其它的實施例中，馬達21、23、25和27具有 用于確定馬達速度的集成的傳感裝置。
[0018] 車輪20圍繞軸線36旋轉，車輪22圍繞軸線38旋轉，車輪24圍繞軸線40旋轉， 并且車輪26圍繞軸線42旋轉。軸線38和40可以是同軸的，并且軸線36和42可以以類 似的方式同軸。角度44可以被描述為存在于同軸的軸線之間，如圖7所示。裝載機部分14 的中心線46和動力部分16的中心線48形成的角度50是部分14與16之間的公知的鉸接 角，該鉸接角與角44相對應。
[0019] 在本發(fā)明的一個實施例中，動力部分16包括的發(fā)動機可以電連接到或液壓連接 到每個車輪20、22、24和26中的驅(qū)動單元。雖然驅(qū)動單元可以是任何類型，但是為便于說 明，驅(qū)動單元將被認為是電驅(qū)動的馬達，所述馬達由從控制器60發(fā)出的命令以命令的轉矩 獨立地驅(qū)動。本發(fā)明給出了提供牽引控制系統(tǒng)的機會，該牽引控制系統(tǒng)允許獨立地調(diào)節(jié) 前-后速度誤差以及前部和后部的側向速度誤差。
[0020] 圖2A和圖2B圖示了牽引控制系統(tǒng)和方法。在步驟200中，基于經(jīng)由操作員輸入 端62提供的期望轉矩來確定馬達的額定轉矩分配。在一實施例中，在各個馬達之中平均分 配所述期望轉矩以確定所述額定轉矩分配。在其它的實施例中，可以根據(jù)機械特性、操作特 性或用戶參數(shù)來不同地分配所述期望轉矩。轉矩命令量值（magnitudes)可以被限定為馬 達速度的函數(shù)，以便小于馬達轉矩曲線。接下來，所述命令可以被馬達基準轉矩成比例地縮 放。還可以將馬達轉矩命令從機械參照系轉換到馬達參照系。在機械參照系中，正轉矩使 所述機械向前加速。在馬達參照系中，當以輸出軸為觀察基準時，正轉矩沿順時針方向使所 述馬達加速。
[0021] 如下文更詳細地所述，在步驟210中，通過牽引控制校正來調(diào)節(jié)每個馬達命令。圖 2B示出了所公開的差速牽引控制系統(tǒng)的模型240。模型240參照具有止滑軸（limited slip axles)的常規(guī)動力傳動系統(tǒng)示出了的本發(fā)明公開的系統(tǒng)。后輪250和252分別具有速度 252和256,并且前輪262和264分別具有速度262和264。速度252、256、262和266可以 包括鉸接角補償并且可基于所述作業(yè)機械或馬達上的速度傳感器或被提供馬達控制器。所 公開的差速牽引控制系統(tǒng)利用差速部件去控制牽引。后部差速校正轉矩258包括基于速度 252和256之間的差的后部側向比例項。前部差速校正轉矩268包括基于速度262和264 之間的差的前部側向比例項。前-后部差速校正轉矩270包括前-后部比例項和前-后部 積分項，這兩個項都基于前平均速度262、264和后平均速度252、254之間的差。側向差速 控制能夠與傳統(tǒng)的輪軸差速器相比。積分差速控制能夠與扭轉彈性聯(lián)軸器相比，并且可呈 現(xiàn)出與動力傳動系統(tǒng)停止工作時（windup)類似的行為特性，但是其可以如下文討論的那 樣被轉動（wound)。
[0022] 校正轉矩可以包括死區(qū)，如下文所述。用于后部馬達的轉矩命令基于額定轉矩分 配、前-后部差速校正轉矩270、和后部側向差速校正轉矩258。用于前部馬達的轉矩命令 基于額定轉矩分配、前-后部差速校正轉矩270、和后部側向差速校正轉矩268。
[0023] 在其它的實施例中，側向差速校正轉矩可以包括積分項。并且，比例項和積分項的 增益可以由用戶（例如在用戶顯示器或其它的輸入端上）選擇，這使得能夠基于操作員參 數(shù)禁用或改變分量（component)。
[0024] 在步驟220中，轉矩命令被施加到馬達21、23、25和27。然后方法返回到步驟210， 以基于正在改變的速度252、256、262和266進行進一步修改。當操作員命令一個不同的期 望轉矩時，所述方法返回到步驟200。
[0025] 現(xiàn)在參照圖3,牽引控制方法開始于確定中線速度的步驟300。用于牽引控制的速 度可以被修改為鉸接角和鉸接角速度的函數(shù)，使得轉向時的期望差速為零。這些被稱為中 線速度，因為它們表示根據(jù)每個馬達速度估算出的軸中心的速度。假設鉸接角為Θ，那么， 以千米/小時（kph)表示的被修改的馬達速度是：
[0026]
[0027] 其中ω是以轉/每分鐘為單位的馬達速度，rfd是最終驅(qū)動比，r是額定輪胎半徑， W是胎面寬度，并且L是軸距。頂部算子對應于左馬達，底部算子對應于右馬達。鉸接角速 度項，即頂部右項，是可以省略的。在步驟305中，右后部馬達中線速度是νκκ，左后部馬達 中線速度是右前部馬達中線速度是vFK，并且左前部馬達中線速度是V%。如上所述，馬 達速度可以通過感測或以其它方式提供。鉸接角也可以通過感測或以其它方式提供。輪胎 半徑和胎面寬度可以設定為平均尺寸，但是這些參數(shù)也可以被輸入到所述系統(tǒng)中。
[0028] 在步驟306中確定差速。牽引控制校正是對馬達轉矩命令做出的調(diào)節(jié)，以減少馬 達的相對速度。以下是對前部差速Vf、后部差速Vk和前-后部差速V FA這三個目標的狀態(tài) 反饋控制：
[0029] Vf= V FL-vFE
[0030] Vr - V EL_vEE
[0031] Vfa - V FL+VFR-Vel-Vrr
[0032] 其中，vFA是前部平均速度和后部平均速度之差的二倍。
[0033] 在步驟315中，一個或多個打滑目標（slip target(s)，其也可以被稱之為死區(qū)速 度vdb)根據(jù)估算的地速V加以確定Vdb(多個vdb)，如圖5所示。當打滑大于或小于容許的 打滑時，控制系統(tǒng)解決打滑問題。比例項和積分項的打滑目標可以相同或不同。打滑目標 可以在一查找表中提供。打滑目標可以是挖掘速度（digging speed)的較小百分比（例如 1%-3%)和運輸速度的較大百分比（10%至20%)。此外，操作員可以調(diào)節(jié)死區(qū)速度或打 滑目標。
[0034] 在步驟310中，死區(qū)比例項Tp被確定，以用于前部側向Tpf、后部側向T pk和前-后 Tpfa。死區(qū)前-后部比例項（即，比例結果（proportional effort))TpFAS
[0035]
[0036] 可類似地確定側向比例項。
[0037] 在步驟320中，確定前-后部死區(qū)積分項凡。積分項由兩個累加算子 (accumul