CN101883702A - 转矩分配系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种机械(100)，包括提供发动机转矩(402)的发动机(104)。设置成在运行期间消耗一部分发动机转矩(402)的第一装置(336)提供机械功能。电子控制器(252)设置成接收表示发动机工作参数的发动机信号(408)，根据发动机工作参数确定转矩输出能力(312)，接收来自第一装置(322)的转矩请求(324)和将转矩请求(324)与转矩输出能力(312)进行比较。该电子控制器(252)还安装成根据转矩请求(324)和转矩输出能力(312)将发动机转矩(402)的一部分分配到第一装置(336)。

Description

转矩分配系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及机械，更具体地说，涉及用于机械系统的电子动力管理和分配。
背景技术
典型的机械可包括一个或多个用于提供使各种不同机械系统运行所需的动力的装置。这些机械系统可包括用以实施不同机械功能的推进系统和机具系统。例如，机械可包括提供机械动力的内燃机。这种机械动力可以直接使用，例如以便推动机械，和/或可以转变成另一种动力形式，例如电力或液力。此外，机械可以包括一个以上的动力源。一个这样的例子可以是具有电气系统的机械，该电气系统可以包括蓄电装置。机械的电气系统可以通过使用连接到内燃机上的发电机来运行该机械的推进系统。内燃机还可连接到液力系统上，该液力系统用来操纵机械的不同机具和转向系统。
机械还可以包括在运行期间消耗动力的不同部件和系统。这些部件和系统可以由于运行它们的动力的形式或由于它们的功能而具有不同的动力消耗要求。例如，利用电驱动系统和液力转向系统的机械可以在运行期间在不同的时间要求一种形式或另一种形式的动力。在这些系统中管理和分配动力是有挑战性的，因为要求精细控制发动机的动力输出以保持稳定而有效的运行。
发明内容
一方面，本发明说明了一种机械，该机械包括提供发动机转矩的发动机。设有第一装置以便在机械的运行期间消耗一部分发动机转矩，并提供机械功能。设有电子控制器以便接收表示发动机工作参数的发动机信号，并根据发动机工作参数确定发动机转矩输出能力(容量)。在电子控制器处接收来自第一装置的转矩请求，并将其与转矩输出能力进行比较。根据转矩请求和转矩输出能力将一部分发动机转矩分配(分派)到第一装置上。
另一方面，本发明说明了一种用于机械的转矩分配系统，该系统包括至少一个转矩源和多个在运行期间利用转矩的装置。该转矩分配系统包括转矩源能力模块，该转矩源能力模块设置成接收表示转矩源的至少一个工作参数的信号。该转矩源能力模块确定动力源的转矩输出能力，该转矩输出能力被转矩分配模块接收。多个转矩请求装置提供转矩请求信号给转矩分配模块，每个转矩请求装置都与多个消耗转矩的装置中对应的一个装置相关联。转矩分配模块设置成将多个转矩请求中的每个请求合计成总转矩请求，将总转矩请求与转矩输出能力进行比较，并根据转矩输出能力将对应的转矩命令分配到多个装置中的每个装置上。
又一方面，本发明提供了一种用于在机械的(各种)不同的系统之间分配动力的方法。该方法包括确定机械的动力源的转矩输出能力，并收集来自机械的不同系统的转矩请求。合计各转矩请求以便产生总转矩请求，将该总转矩请求与转矩输出能力进行比较。当总转矩请求超过转矩输出能力时，计算比例系数，并根据相应的转矩请求和该比例系数确定相应的转矩命令。然后通过向机械的不同系统发送转矩命令来分配转矩输出能力。
附图说明
图1是按照本发明所述的履带式拖拉机的轮廓图。
图2是示出本发明的机械的不同部件和系统的方框图。
图3是本发明的转矩分配系统的方框图。
图4是本发明的发动机转矩负载控制模块的方框图。
图5和图6是本发明的两个误差补偿器的方框图。
图7至图9是本发明的发动机运行的三种状况的图解表示。
图10是本发明的分配转矩的方法的流程图。
图11是本发明的调解极限的方法的图解表示。
具体实施方式
图1是机械100的一个例子的轮廓图。在图1的示图中，机械100是履带式拖拉机101，该履带式拖拉机101作为机械的一个例子用来举例说明动力管理安排。尽管该安排示出为与履带式拖拉机101有关，但本文所公开的安排在各种其它类型的机械中具有通用性。术语“机械”可以涉及实施与一种工业如采矿、建筑、农业、运输、或现有技术中已知的任何其它工业有关的某种类型作业的任何机械。例如，机械可以是土方机械，如轮式装载机、挖掘机、自卸货车、反铲挖土机、自行式平地机、材料装卸机或诸如此类。另外，可以将机具连接到机械上。这些机具可用于包括例如装载、压实、升举、刷光的各种各样的任务，并包括例如挖斗、压实器、叉式升举装置、刷子、抓斗、刀具、剪刀、刮刀、破碎机/锤子、螺旋推动器及其它。
履带式拖拉机101包括支承发动机104的框架102。在所示实施例中，发动机104是内燃机，该内燃机以转矩输出的形式给不同的机械系统提供动力。履带式拖拉机101的作业由驾驶室106中的操作人员控制。驾驶室106连接到框架102上，并包括不同的控制装置(未示出)。刮刀108通过联动装置110连接到框架102，致动器112使刮刀108在可选择的位置或高度处与框架102互连。在所示的实施例中，致动器是液压缸。
履带式拖拉机101包括两个履带114(仅一个可见)。这两个履带114是地面接合构件的一个例子，但也可以使用其它的地面接合构件，例如车轮。这两个履带114属于常用类型，并相对于履带式拖拉机101的框架102沿大致垂直的平面转动。这两个履带114的转动通过一系列托链轮116推动，所述托链轮116直接或间接地连接到框架102上。连接到齿轮系上的两个电动马达(未示出)，或者在这个实施例中，两个最终传动装置(主传动装置)118(仅一个可见)运转以便给两个履带114提供动力。在所示的实施例中，这两个最终传动装置118分别设置成通过各自的驱动链轮120使两个履带114之一转动。履带式拖拉机101的运动通过这两个履带114的转动完成。这两个履带114沿同一方向并以同一速度的转动使履带式拖拉机101能以笔直路线移动，不同的履带速度使履带式拖拉机101转向。
用于本发明的一个实施例的驱动和机具系统200的示意图在图2的方框图中示出。该系统200包括发动机202，该发动机202具有转动输出轴204。转动输出轴204在发动机202的运行期间提供转矩和动力。在所示的实施例中，发动机202是内燃机，但任何其它类型的原动机都可以使用。其它原动机的例子包括电动马达和涡轮机。
发电机206包括转子208，该转子208连接到发动机202的转动输出轴204上。该发电机206运行以便将来自转动输出轴204的机械动力转变成电力，该电力在第一输出引线210和第二输出引线212处提供。联轴节214将转动输出轴204与静液压泵216的输入轴互连。静液压泵216可以是变量泵，该变量泵具有第一出口导管218和第二出口导管220，每个导管都能提供可变压力和流量的加压的液压流体流。静液压泵运行，以便将来自转动输出轴204的机械动力转变成静压力。
在一个实施例中，来自发电机206的电力推动机械。在所示的系统200中，第一电动马达222电连接到第一电输出引线210上。同样地，第二电动马达224连接到第二电输出引线212上。第一和第二电动马达222和224均连接到齿轮系226，该齿轮系226在一个实施例中包括行星齿轮系。各齿轮系226与各自的驱动链轮120相连，所述驱动链轮120为两个履带114的之一的转动提供动力。当系统200运行以推动机械100(图1)时，来自发动机202的机械动力在发电机206处被转变成电力。该电力提供给第一和第二电动马达222和224，以使齿轮系226和驱动链轮120转动，由此使两个履带114转动。当利用电力来推动机械100时，转矩和负载被传送到转动输出轴204上，这倾向于反抗它的转动。
静液压泵216在机械的作业期间可以与第一和第二电动马达222和224结合运行。在所示的实施例中，静液压泵216通过第一出口导管218给第一静压马达228提供加压流体，并通过第二出口导管220给第二静压马达230提供加压流体。第一和第二静压马达228和230可以在机械上实施任何功能，例如，给附件或机具系统如泵、风扇、转动机具、谷物提升机和/或其它农业或建筑装置提供动力。在所示的实施例中，第一和第二静压马达228和230用来使机械100转向。
第一和第二静压马达228和230每个都连接到排放装置或储槽232和控制阀234上。控制阀234简单地示出为两位两通阀(2-2阀)，该阀能在其出口选择性地提供加压流体。当控制阀234起动时，流体流可以经过第一和第二静压马达228和230之一，然后通过储槽232返回静液压泵216。第一和第二静压马达228和230每个都具有与离合器装置236相连的输出轴。每个离合器装置236都设置成选择性地接合对应的驱动链轮120，以便能在机械的运动期间调节两个履带114的其中之一或二者的运动。这种调节通常是在机械移动期间转动时或固定期间转动时进行的。控制阀234的起动通过电气致动器238完成，所述电气致动器238与该控制阀234相关联并布置成改变其流体连接。
除了使机械转向之外，来自静液压泵216的流体也可以与不同机具的运行相关联。一种这样的机具例如是刮刀108，该刮刀的定位并通过致动器112进行，如图1所示。在图2的示图中，液压缸240设置成通过两个流体导管242接收来自静液压泵216的加压流体。两个流体导管242之一内加压流体的存在由机具阀244控制。机具阀244通过合适的位移运动选择性地控制第一和第二出口导管218和220与所述两个流体导管242之间的流体连接。机具阀244的位移通过电子致动器246完成，但机具阀244和电子致动器246的其它构型也可以使用。
系统200还可以包括不同的动力储存装置，所述动力储存装置在运行期间工作以便储存能量。这种能量可以用来增加或甚至有时替代发动机202的动力输出。在所示的实施例中，该系统包括至少一个—可选地为两个—储压器248。储压器248是这样的装置：它具有内部体积(空间)，该内部体积被一活动的或柔性的界面分成两个室。这两个室中的一个流体地连接到加压流体源，而另一个室一般密封并含有可压缩的气体如氮气。在运行期间，压力下的流体可以通过占据相应的流体室而聚集在储压器248内，该流体室连接到例如第一和第二出口导管218和220上。
在所示的实施例中附加类型的动力储存是蓄电装置250。该蓄电装置250可以是蓄电池、电容器或任何其它形式的蓄电装置。蓄电装置250连接到发电机206，并在运行期间积蓄或储存过量的电力。这种储存的电力可以在运行期间用来增加或代替发电机206所提供的电力。
系统200还包括电子控制器252，该电子控制器252与机械100的不同部件和系统操作性地连接或关联(图1)。电子控制器可以是单个控制器，或者可以包括设置成控制机械的不同功能和/或特征的一个以上的控制器。例如，用来控制机械的总体运行的主控制器可以与用来控制发动机202的发动机控制器配合实施。在这个实施例中，术语“控制器”意指包括一个、两个或多个控制器，所述控制器可以相关联，并可以配合以便控制机械100(图1)的不同功能和运行。因此，控制器的不同接口相对于图2的方框图中所示的驱动系统的部件说明，但这些接口并非用于限制所连接的部件的类型和数量或者所说明的控制器的数量。
因此，电子控制器252连接到提供信号的不同传感器或其它装置5，所述信号表示机械100的不同工作参数。电子控制器252还连接到不同的致动器或其它装置上，所述致动器或其它装置操纵或控制机械100的不同部件和/或系统的运行。如相对于下面的附图更详细地说明的，电子控制器252能执行或否则跟随(遵循)控制算法，所述控制算法监测和调节机械100的不同部件和系统的运行。
更具体地说，图2所示的电子控制器252通过相应的第一和第二马达控制线路254和256连接到第一和第二电动马达222和224之一上，如图所示。虽然第一和第二马达控制线路254、256示出为使电子控制器252与第一和第二电动马达222和224直接互连，但这些互连是象征性的，并可以使用其它安排。例如，第一和第二马达控制线路254和256可以连接到其它电气装置，如逆变器电路上，所述其它电气装置可以调制从发电机206提供给第一和第二电动马达222和224的电力。在这个实施例中，第一和第二马达控制线路254和256可以提供工作循环(％)信号或其它合适的信号，所述信号被其它电气装置(未示出)用来控制第一和第二电动马达222和224的转动的速度和转矩。在可供选择的实施例中，可以使用一个电动马达来驱动两个履带114。在这种可供选择的实施例中，电动马达的输出可以通过合适的齿轮或传动装置划分，所述齿轮或传动装置的运行可以通过与电子控制器252的合适连接来控制。
在所示的实施例中，电子控制器252通过蓄电信息线路258连接蓄电装置250。蓄电装置250可以包括分开的控制器(未示出)，该分开的控制器在运行期间任何时间里监测蓄电装置250的充电和放电循环，及评估所存在的充电量、所蓄存的充电量，和/或预报蓄电装置250的充电状态。这种控制器可以通过蓄电信息线258给电子控制器252提供合适的蓄电信号，所述信号表征蓄电装置250的功率容量和耗电率。
所示实施例的电子控制器252还通过相应的转向控制线路260连接到电气致动器238上。转向控制线路260可以提供合适的电信号，该电信号使电气致动器238调节位置，并因此调节使机械100(图1)转向的静液压泵216和控制阀234间的流体连接。为测量第一和第二出口导管218和220中存在的流体压力而设置的压力传感器262可以通过压力信号线路264合适地连接到电子控制器252上。通过压力信号线路264提供给电子控制器252的信号实时指示静液压泵216所提供的流体的压力。这些压力可以用来推断对静液压泵216的转矩输入、储压器248的动力容量、及在机械100(图1)的运行期间不同机具例如液压缸240所消耗的动力的程度。
电子控制器252还连接到一个或多个电气传感器266上，所述电气传感器266在图2中集体示出并用一个标号表示。传感器266可以包括测量涉及发电机206的运行的电流、电压、相平衡、相幅、相位频率和/或其它电参数的传感器。可以与发电机206相关联地设置附加电子控制器(未示出)。这种附加电子控制器可以连接到不同的传感器如上面所列举的传感器上，并安装成至少在附加电子控制器可以提供表示功率输出、功耗和/或发电机206的所指出的功耗的范围内监测和证明发电机206的运行状态。这些信号可以通过发电机信号线路268提供给电子控制器252。
电子控制器252还通过输出轴信号线路272连接到输出轴传感器270上。输出轴传感器270与发动机202的转动输出轴204相关联，并安装成提供表示转动输出轴204的工作参数的信号。这些工作参数包括转动输出轴204的转动速度、应力、应变和/或角加速度。这些和/或另一些参数可以用来确定从发动机202传送到转动输出轴204的转矩。可以理解，在转动输出轴204上发电机206的转子208和静液压泵216的组合可以影响运行期间转动输出轴204所经历的加速度和/或转矩。
电子控制器252还连接到发动机传感器274上。虽然示出一个元件以代表发动机传感器274，但这种传感器也可以包括一个以上的传感器，所述传感器通过发动机通信线路276测量一个以上的发动机工作参数。另外，发动机传感器274可以是发动机控制器(未示出)，或者更具体地说，是分开的电子控制器，所述电子控制器除了连接到涉及发动机202运行的不同控制装置和致动器上之外，还连接到发动机上的不同传感器上。更具体地说，发动机控制器可以是这样的装置，该装置接收表示发动机202的工作状态的信号，处理这些信号，并提供合适的命令以控制发动机202的燃料供应和速度。这种信息可以用电气、电子或数字信号的形式通过发动机通信线路276提供给电子控制器252。
在运行期间，以电子和/或液力形式利用的功以转矩加载形式的负载施加到发动机202的转动输出轴204上。这种转矩加载可以具有连续的或瞬时的性质，并且在运行期间还可以超过系统200的发动机202和/或其它蓄电装置的转矩能力。由于这个和另一些原因，本发明的电子控制器252设置成接收来自机械的各部件和/或系统的不同信号，确定不同机械系统的转矩产生和消耗要求，并合适地平衡可用的转矩。一个能完成这种任务的控制算法的实施例在下面的说明和后面的附图中示出。
图3示出转矩分配策略300和相关系统的框图。在运行期间，转矩产生和储存装置的集合302提供信息给转矩分配策略300，该转矩分配策略300表示转矩产生能力和可供不同系统使用的转矩。更具体地说，机械可以包括发动机304、蓄电装置306、液力储存装置308和/或与其有关的其它动力储存装置310。例如，机械100(图1)包括发动机202(图2)，该发动机202连接到发电机206(图2)和静液压泵216(图2)上，所述发电机206和静液压泵216每个都产生或转换动力。这种动力可以储存在其它装置中，例如，储存在蓄电装置250(图2)和储压器248(图2)中。输入到系统的转矩包括例如由发动机304或预先储存且现在可用的动力所产生的转矩，该动力例如来自蓄电装置306、液力储存装置308等。
集合302内的每个部件或系统都将一个或多个相应信号提供给转矩分配策略300。这样提供的信号表示每个部件的瞬时转矩能力，且还可以包括每个部件的未来或瞬变转矩能力的评估。在一个实施例中，集合302内的每个部件都与转矩分配策略300内的对应转矩能力确定器通信。用这种方法，分配策略可以灵活地适应任何类型的机械或车辆中所用的任何类型的转矩。在所示的实施例中，发动机304提供信息信号给发动机转矩负载控制(ETLC)312模块。ETLC312确定并提供有关发动机304的功能状态的信息。同样，蓄电装置306提供信息给电力能力(EPC)314模块，液力储存装置308提供信息给液力能力(HPC)316模块，系统中任何动力储存装置310都能提供信息给其它动力能力模块318中的一个或多个，该动力能力模块为简化起见集体示出为一个方框。
用于在ETLC 312内工作的控制算法的一个实施例在图4的方框图中示出。在所示的实施例中，ETLC 312控制算法是一个示例性的实施方案，该实施方案能提供发动机转矩信号402，所述发动机转矩信号402表示可供不同的机械系统使用的转矩。在一个实施例中，发动机转矩信号402是提供给动力分配模块(PDM)320的信号，如图中所示的。
在所示出的实施例中，ETLC 312设置成接收第一输入，该第一输入表示在发动机的输出轴处可用的转矩。更具体地说，第一输入404是转矩输入，该转矩输入在一个实施例中代表发动机的输出轴处发动机的转矩输出和负载转矩之间的差值。这些参数是可以估计和/或测量的。专用的发动机控制器可以根据发动机速度和燃料供应速率确定发动机的转矩输出。这种信息可以用转矩的单位确定并作为发动机控制器(未示出)的输出。发动机的输出轴上的负载转矩可以用合适的传感器例如输出轴传感器270(图2)测量。发动机所产生的转矩或者转矩输出与输出轴上的负载转矩之间的差别提供可供其它系统使用的转矩范围，它是在第一输入404处提供作为信号的参数。表示发动机的速度的信号在第二输入406处提供。
可用的发动机转矩信号在第三输入408处提供。在第三输入408处可用的发动机转矩是能由发动机控制器(未示出)提供的信号，并可以是发动机在已施加任何所需限制之后的转矩输出的信号。这些限制可以包括任何转矩限制，对加油速率所施加的烟度限制，对发动机功率额定值的不同减小等。可以理解，可用的发动机转矩不考虑改变发动机运行的状况，如稳态误差和/或瞬态效果。因此，所示实施例的ETLC 312包括一些改进，所述改进包括能在任何时候都提供更准确的估计发动机的转矩能力。
所示的用于ETLC 312的实施例包括第一稳态误差估值器410，该估值器410提供稳态误差补偿项412。所示的用于ETLC 312的实施例还包括瞬态误差估值器414，该估值器414提供瞬态误差补偿项416。稳态误差补偿项412表示转矩计算中的任何误差，而与原始点无关，该原始点已结合到单个项中并根据应用到系统上的物理学原理确定。瞬态误差补偿项416显示任何过量的发动机转矩，当发生发动机速度的改变时，该过量发动机转矩可以被发动机消耗掉。图5和6分别示出稳态误差估值器410和瞬态误差估值器414的一个实施例的方框图。
图5中示出的稳态误差估值器410的实施例是一种用以在转矩评估中提供稳态误差估值的潜在实施方案。这种估值能有利地考虑系统中可能存在的任何确定的或不确定的误差来源。更具体地说，加到发动机的转动输出轴上的转矩之和应等于总转动惯量乘以角加速度。因此，转矩的和与角加速度乘以转动矩的乘积之间的差值应当等于零。可以理解，这种代数表达式的任何非零结果都提供系统中的误差之和。
更具体地说，图5示出用于误差代数表达式的稳态误差估值器410的一个实施例。稳态误差估值器410设置成接收第一输入信号404和第二输入信号406，所述第一输入信号404表示在发动机的输出轴处可用的转矩，而第二输入信号406表示发动机速度。在下面的说明中，为简化起见，将不同的参数定性地提供，而不在操作期间插入单位转换。导数函数502确定发动机速度的导数504。发动机速度的导数504在乘法器506处乘以在飞轮或发动机的输出轴处存在的总转动惯量508，以便提供转矩信号510的改变的速率。可以理解，转动惯量508是常数，它代表发动机、输出轴和机械的设计成与其一起转动的任何其它物理结构的惯量。
附加导数函数512根据第一输入404处的信号确定在发动机的输出轴处可用的转矩的导数514。将发动机的输出轴处可用的转矩的导数514从求和点516处转矩信号510的改变速率中减去，以便提供总转矩改变速率518。积分器522确定稳态误差补偿项412的积分524，将该积分524在附加求和点526处从总转矩改变速率518中减去，以便提供经过校正的稳态转矩误差528。经过校正的稳态转矩误差528在附加乘法器532处乘以带宽常数530，以便提供标准化的稳态转矩误差534，该标准化的稳态转矩误差534提供给积分器522，并最后产生稳态误差补偿项412。
现在参见图6所示的方框图，其中示出用于图4中所示的瞬态误差估值器414的一个实施例，实施方案示出用于算术运算，以便提供在转矩估值时瞬态误差的估值。这种估值能有利地考虑使发动机从当前发动机速率加速到所需发动机速度所要求的转矩。发动机速度和确定所需发动机速度的方式中的变化不属于本发明的范围，它们是在机械的运行期间由于不同原因而发生的操作。对本发明的场合，在加速到所需工作点时由发动机所消耗的转矩变得相关，因为用于发动机的加速的这种转矩不可供其它机械部件或系统利用。
在估计加速发动机所需的转矩，以使转矩专用于这个目的而不可供不同机械系统使用之后，物理原理包括使用下列物理表达式：
Figure GPA00001143110400111
式中：J是发动机输出轴的2的转动惯量，ω是发动机的角速度，
Figure GPA00001143110400112
是所需发动机速度和实际发动机速度之间差值的导数，T发动机是发动机的转矩输出，T负载是加载在发动机上的转矩。在某些假定和近似情况下，上述方程能表示成：
T负载＝T发动机可用-J×Kp×e
式中：T发动机可用是有限的发动机输出，而Kp是常数。
如图6中所示，瞬态误差估值器414则在第二输入406处接收当前发动机速度。将发动机速度在求和点604处与发动机速度设定点602进行比较，以确定发动机速度误差606。发动机速度误差606在乘法器612处乘以带宽常数608和转动惯量610，以便提供瞬态校正因子614。瞬态校正因子614在确定器或截断功能616处加了高限和低限之后基本上是瞬态误差补偿项416。高限设定成可用的发动机转矩408，而低限是用于减速限618的可校准常数，该减速限618在附加乘法器620处乘以转动惯量610。
现在返回图4的方框图，可以看出，所有代数和物理表达式都满足。在第三输入408处可用的发动机转矩通过在第一求和点418处添加稳态误差补偿项412进行校正。瞬态误差补偿项416在第二求和点420处从第一求和点418的和中减去，以便提供发动机转矩信号402，该发动机转矩信号402表示可供不同的机械系统使用的转矩。图7、图8和图9中示出ETLC312在不同工作状况下操作的方式的三个图，尤其是涉及瞬态误差估值器414的运行。
图7-9均示出一曲线，该曲线显示发动机相对于耳状曲线(lug curve)702的工作点。耳状曲线702是代表发动机的最大转矩或马力的发动机工作点的集合，依据在水平轴线704上所显示的发动机速度和在垂直轴线706上所显示的发动机燃料供应或转矩而绘制。两个特定的发动机速度与下面的讨论有关，并在曲线上绘出。实际发动机速度708显示发动机工作的速度，而所需的发动机速度710显示发动机应当以其工作的发动机速度设定点。实际发动机速度708和所需的发动机速度710用垂直线表示，该垂直线在相应的发动机速度值处与水平轴线相交。
所述曲线还示出发动机的工作转矩。该工作转矩表示在当前工作状况下发动机所产生的转矩输出。每个曲线中的转矩输出都用转矩条712示出。转矩条712的高度代表沿着垂直轴线706的转矩值，该转矩值代表发动机在当前工作状况下的转矩输出值。
在图7所示的发动机的工作状况下，发动机是在所需的发动机速度710下工作。因此，实际发动机速度708与所需的发动机速度710一致。转矩条712的高度在耳状曲线702的下方，这表示发动机的转矩输出小于发动机能达到的最大转矩输出。在这些状况下，存在过量的转矩容量714。过量的转矩容量714用转矩条712与耳状曲线702分开的高度图解表示。当发动机在图7所示的状况下工作时，来自ETLC 312(图3)的输出信号表示发动机的过量转矩容量714。
图8中示出发动机的不同工作状况。在这种状况下，转矩条712的高度位于耳状曲线702上。另外，实际发动机速度708小于所需的发动机速度710。在这一状况下，发动机中无可用的过量转矩容量。换句话说，在这种状况下发动机不仅满载，而且还不能消耗转矩，所述转矩将使发动机朝所需发动机速度710方向加速。当发动机在图8所示的状况下工作时，来自ETLC 312(图3)的输出信号能是零或甚至是负值，所述信号为零表示发动机中没有额外的转矩可用，而负值表示发动机过载。
图9中示出发动机的第三种工作。在这种条件下，转矩条712的高度在耳状曲线702之下，这表示发动机在这些状况下具有过量转矩容量714。实际发动机速度708也低于所需的发动机速度710。在这种状况下，ETLC312(图3)可以提供一低于过量转矩容量714的值，以便能通过发动机消耗一部分过量转矩容量714。过量转矩容量714的所述被消耗以使发动机从实际发动机速度708加速到所需的发动机速度710的部分可以小于该过量转矩容量714，并可随着发动机速度增加而过一段时间进一步调节。在一个实施例中，ETLC 312(图3)可以调节这部分过量转矩容量714，以使发动机沿着路线716逐渐地加速，该路线716将转矩条712的顶部连接到耳状曲线702上与所需的发动机速度710相对应的最大转矩的点上。
如对ETLC 312的实施例所说明的，其它转矩能力模块在提供表示每个动力或转矩能力的信号时可以用同样方式操作。现在返回图3，每个转矩能力模块都提供一个信号给动力分配模块(PDM)320。这些信号表示任何时间可供系统内使用的转矩。从ETLC 312、EPC 314、HPC 316的每一个及任何其它这种模块提供给PDM 320的信号的组合代表系统可用的总转矩。这种总转矩可用来在运行期间操纵机械系统。因为系统的总转矩可用性已经确定，所以操纵不同的系统和系统部件所需的转矩也能确定。
在所示的实施例中，不同的转矩要求由机械的不同部件和系统产生，并提供给PDM 320。更准确地说，监测和控制与移动机械有关的部件和系统的推进子系统(未示出)可以根据操作人员的命令确定转矩要求，以用于使机械运动。在一个实施例中，这种推进子系统包括推进转矩请求子程序322，所述子程序322提供推进转矩请求324给PDM 320。在所示的实施例中，推进转矩请求子程序322在与PDM 320在其中工作的电子控制器不同或分开的电子控制器内的算法运算。推进转矩请求324是局域网(CAN)链接上传递的编码数字信号，所述链接使推进转矩请求子程序322与PDM 320互连，用于与其信息交换。推进转矩请求324代表转矩系统通过推进子系统请求的加载。推进转矩请求324还能代表机械的操作人员所请求的推进子系统请求达到推进功能程度的转矩的量。
在同样方式中，机具子系统包含机具转矩请求子程序326，该子程序326提供机具转矩信号328给PDM 320。在图3中以一个方框330集体示出的另一些系统提供额外的转矩请求给PDM 320，所述额外的转矩请求集体地以332示出。这些包括在一个方框330中的额外的系统可包括例如冷却风扇、空调压缩机、不同的电子系统、照明系统、辅助机具系统以及其它在机械上工作并消耗功率的系统，上述系统与加到发动机的转动轴上的转矩负载有关。包括在这些用一个方框330代表的其它系统中的可以是机械的消耗转矩的系统，因此它们在转矩需求不能直接地控制。这些不可控制的系统包括由于摩擦引起的机械中功率的损失、储存在发动机的飞轮内的功率、由于液压流体或电流的泄漏而引起的损失以及诸如此类。
PDM 320设置成接收表示系统的转矩能力的信号，及表示系统的转矩消耗需求的信号。概括地说，PDM 320工作，以便将系统的转矩消耗与其转矩产生能力进行比较，以使二者协调从而使机械稳定而有效地运行。当实施这种转矩调节时，可以使用不同的标准。在一个实施例中，PDM 320可以包括与每个系统相对于其它系统的优先权的信息。当转矩不足以满足所有转矩请求时，可以利用这种优先权信息来确定哪个系统可以接收转矩。在一个实施例中，PDM 320所用的额外标准是系统可以接收代表最小量转矩的信息。例如，不同的系统可能需要最小量的转矩以便运行。在可用转矩不足的情况下，PDM 320可以调节操纵不同系统的转矩，而同时保证每个系统被提供至少那个系统运行所必需的最小转矩量。
图10中示出用于分配转矩的方法的流程图。在运行过程中，PDM 320在1002处合计或计算产生转矩或正面地有助于系统的转矩可用性的所有来源之和。在1004处利用合计的转矩贡献来计算代表系统中可用转矩的数值。在某些情况下，转矩被不可控制的装置消耗，如上所述。在这些情况下，在1006处将被这些不可控制的装置消耗或使用的转矩从可用的转矩中减去，以便在1008处产生余下的可用转矩估计值。在1008处所估计的余下的可用转矩代表系统的转矩能力。这种转矩可供可控制的装置如机械的推进或机具系统使用。
已经在1008处确定余下的可用转矩后，PDM 320在1010处合计或计算每个受控制的系统的所有最小转矩要求之和，并在1011处合计或计算所有请求的转矩之和。如上所述，在运行中每个系统都可以要求最小的转矩，以保证连续地运行。在1012处将最小转矩要求之和与余下的可用转矩进行比较。当最小转矩等于或大于余下的可用转矩时，可选地在1014处增大系统的转矩能力，而每个转矩沉槽(接收器，sink)可以在1016处根据转矩可用性和系统优先权指定它的最小转矩。在这种状况下，机械可以用“应急模式”运行，该“应急模式”可供用于主要机械系统如推进系统的有限功能，而不向非主要的机械系统如实施工作功能的机具系统供应转矩。
当余下的可用转矩值超过最小转矩请求之和时，在1018处将所请求的转矩之和与余下的可用转矩进行比较。如果所请求的转矩之和小于余下的可用转矩，则每个子系统在1020处接收各子系统所请求的转矩，且过程重复。可选地，在1022处实施为提高效率而减少对系统的转矩输入的命令。
当余下的可用转矩大于最小转矩要求但小于转矩请求之和时，在1024处将余下的可用转矩分配在请求转矩的不同系统中。在一个实施例中，应用比例系数以便按比例分配可用的转矩。在这个实施例中，该比例系统在1026处以可用转矩值与转矩请求之和的比值计算。这种状况下的比例系数等于系统的转矩能力之和除以转矩请求324、328、332之和，如图3中所示，该系统的转矩能力之和包括从ETLC 312、EPC 314、HPC 136和任何其它转矩输入318中减去由不可控制的装置所消耗的转矩。
已经在1026处确定比例系数之后，可以在1028处通过将该比例系数乘以每个转矩请求来计算分配到每个子系统的转矩，以便产生用于每个系统的最终转矩命令。在一个实施例中，在1030处将最终转矩命令与每个相应系统的最小转矩进行比较。当一特定系统分配小于相应最小转矩时，PDM 320可以在1032处增加命令到该系统的转矩，以便命令最小的转矩。这种对特定系统命令的最小转矩能在1034处从可用的转矩中减去，然后当分配由其余系统消耗的转矩时，可在1026处重新计算比例系数。
再次返回图3，PDM 320用上述方式分配转矩或动力，并向机械的不同系统提供合适的转矩命令信号。更具体地说，PDM 320给推进输出命令模块336提供推进转矩命令信号334。将机具输出命令信号338提供给机具输出命令模块340，将其它的输出命令信号342提供给其它的输出命令模块344，所述模块集体用一个方框示出。这些其它的输出命令模块344可以包括机械的不同部件或系统，但也能包括一个或多个动力储存装置，如蓄电装置306或液力储存装置308。可以理解，动力储存装置当放电时使储存的动力可用于系统，但当充电时也能起转矩沉槽的作用。
推进输出命令模块336和机具输出命令模块340每个都与机械的相应系统相关联，并安装成控制其运行。例如，推进输出命令模块336可以直接或间接地控制电力，该电力可通过用以移动两个履带114的第一和第二电动马达222和224(图2)。同样地，机具输出命令模块340可以控制机具阀244起动的程度和速率，以使加压流体能进入液压缸240(图2)，由此消耗液力。推进输出命令模块336和机具输出命令模块340每个都安装成保证它们控制的装置消耗转矩的速率与由PDM 320所确定的输出命令信号协调。
转矩分配策略300还包括转矩仲裁模块(TAM)346。TAM 346用以使系统所用的动力或转矩相协调，以适应瞬态转矩要求及保证机械的所有系统都在合适的运行范围内工作。TAM 346设置成接收表示不同转矩输出命令的信号，例如，推进转矩命令信号334、机具输出命令信号338等。每个转矩输出命令信号通常都与最小和最大允许运行的极限相关联。这种极限可以用发动机速度或发动机负载表示。TAM 346能接收或恢复与在机械中运行的各子系统相对应的储存的极限。由于不同的子系统能有不同的要求，所以一个系统可接受的运行范围可能延续到另一些系统不能接受的范围。为避免这种矛盾，TAM 346安装成将所有适用的极限协调成一组极限，该组极限限定每个产生转矩或储存转矩的装置的工作范围。
图11中示出通过TAM 346实施的极限调解的一个实施例的图解。所示的曲线是发动机的转矩曲线1102，该转矩曲线是依据水平轴线上的发动机速度1104和垂直轴线上的发动机转矩输出1106绘出的。不同的极限在曲线上绘出，所述极限代表可容许运行的发动机速度或发动机转矩的范围。所绘出的每个极限都与机械的转矩接收子系统相对应。例如，发动机速度上的第一组极限用第一最小发动机速度1108和第一最大发动机速度1110表示。第一最小和最大发动机速度1108和1110可以与第一子系统例如包括液压缸240(图2)的机具控制系统相对应。发动机速度上的第二组极限可以应用到机械的运行上，该第二组极限可包括第二最小发动机速度1112和第二最大发动机速度1114。在这个例子中，可以看出，第一最小发动机速度1108可小于第二最小发动机速度1112，如图所示，而第二最大发动机速度1114可大于第一最大发动机速度1110。
用类似的方式，TAM 346能接收和调解对发动机的转矩输出所提出的极限。例如，这些转矩极限可以包括用于不同子系统的最小转矩要求、对用于限制烟雾的发动机提出的转矩极限等。在图11的图表中，这两种极限定性地示出。第一组转矩极限用第一最小转矩1116和第一最大转矩1118表示。第二组转矩极限用第二最小转矩1120和第二最大转矩1122表示，所述第二最小转矩1120大于第一最小转矩1116，而第二最大转矩1122小于第一最大转矩1118。
当相对于系统中发动机的工作范围或任何其它产生转矩的装置调节子系统的不同极限时，TAM 346将各最小和最大请求相互比较，并选择满足所涉及的所有子系统的合适的最小和合适的最大请求。参见图11的示图，例如，对发动机的工作图上所涉及的所有极限来说，可允许的运行的区域将在所有极限的重叠区域1124内，该重叠区域1124在图11上用阴影区域表示。可以看出，重叠区域1124限定在各最小发动机速度极限的最大值、各最大速度极限的最小值、各最小转矩极限的最大值和各最大转矩极限的最小值之间。极限的这种用以确定重叠区域以便满足所有极限的结合使得系统能够稳定而有效地运行。
已经确定了系统中每个转矩产生或转矩分配装置的运行的合适极限之后，TAM 346能将命令反馈到这些系统，以保证它们的运行合适地受限制。因此，参照图3，TAM 346提供发动机控制信号348给发动机304，提供蓄电信号350给蓄电装置306，提供液力储存信号352给液力储存装置308，和提供其它合适的信号。这些信号可以包括有关所需工作范围的信息及表示工作状态改变的信息，例如，在或多或少地应将转矩提供给系统的情况下。可以设置负载增强式预先控制(LEAC)模块354，以便与系统中不同的转矩产生和储存装置通信。LEAC模块354可以包含能识别系统即将来临的瞬态改变的算法，例如在这些改变于系统中用别的方法实施之前，操作人员控制请求另外的转矩。LEAC模块354可以合适地增加机械的转矩产生系统中的转矩输出，以便当在系统中实施这种运算符或其它请求时，可以承受转矩消耗的增加。
工业适用性
本发明提供一种用于将机械所产生的转矩或动力分配给不同的机械子系统的方法和系统。该机械可以包括产生或储存可用动力的装置。一方面，控制生产能力或每个储存装置根据要求提供转矩的能力，以保证有足够的转矩可用来运行机械。另外，将可供使用的转矩分配到请求转矩的不同系统，以便能使机械的实用性达到最大。
另一方面，本发明提供用于机械的转矩分配的系统，该系统包括一个以上的动力源，所述动力源运行以产生不同类型的动力。另外，机械能包括在运行期间消耗动力的不同的转矩沉槽或装置。本文所公开的用于转矩管理和分配的系统是灵活的，因为它可适于同时处理许多转矩源和转矩沉槽。系统所管理的转矩根据单一量的转矩处理。这种转矩当产生时可认为是对系统的输入，而当消耗时可认为是系统的输出。这种在转矩方面的动力标准化提供了同时管理各种不同类型的装置的灵活性。
再一方面，本发明提供一种管理机械中转矩分配的方法和系统。所公开的系统依靠不同部件之间的物理相互作用，因此提供一种既精确又很容易适合于不同应用的控制方案。例如，在确定与估计内燃机的转矩能力有关的误差时利用自然法则可提供一种控制算法，该控制算法很容易修改，以便当采取不同发动机专用参数如发动机的转动惯量的发动机时更新。
一般地，本发明描述了一种机械，该机械包括发动机和至少第一装置，该发动机在运行期间提供发动机转矩，该第一装置设置成在机械的运行期间利用一部分发动机转矩并提供机械功能。至少该机械和第一装置连接有电子控制器。该电子控制器设置成接收表示发动机工作参数的发动机信号、根据发动机工作参数确定转矩输出能力和接收来自第一装置的转矩请求。电子控制器将转矩请求与转矩输出能力进行比较，并根据转矩请求和转矩输出能力将部分发动机转矩分配到第一装置上。
在一个实施例中，机械还包括在机械的运行期间提供附加转矩的附加装置。在这个实施例中，电子控制器接收表示附加装置的工作参数的信号，并根据该信号确定转矩输出能力。在一个实施例中，附加装置是发电机。
本文所述的电子控制器还可以设置成根据输出请求和转矩输出能力计算比例系数，并根据比例系数分配发动机转矩部分。发动机工作参数可以包括发动机速度和发动机转矩信号，电子控制器可以通过将稳态补偿器项和瞬态补偿器项加到发动机转矩信号上来确定转矩输出能力。
在一个实施例中，机械还可以包括多个系统，所述多个系统提供相应的最小和最大工作点。在这个实施例中，电子控制器还设置成在相应的若干最大和最小工作点中判断以形成一个最大工作点和一个最小工作点。
在另一个一般方面，本发明描述了用于机械的转矩分配系统。该机械可以包括至少一个转矩源和多个在运行期间利用转矩的装置。在这个实施例中，转矩分配系统包括转矩源能力模块，该转矩源能力模块设置成接收一表示转矩源的至少一个工作参数的信号，并确定转矩源的转矩输出能力。转矩分配系统还包括转矩分配模块和多个转矩请求装置，所述转矩分配模块设置成接收转矩输出能力，所示多个转矩请求装置每个都与在运行期间利用转矩的多个装置中对应的一个装置有关。多个转矩请求装置中的每一个都设置成提供转矩请求信号给转矩分配模块，所述转矩请求信号表示来自多个装置中对应一个装置的转矩请求。转矩分配模块设置成将多个转矩请求的每一个合计成总转矩请求，将总转矩请求与转矩输出能力进行比较，并根据转矩输出能力将对应的转矩命令分配到多个装置的每一个上。
一般地，转矩分配系统的每个转矩请求装置还设置成提供对应的最小转矩要求和对应的优先权给转矩分配模块。在这个实施例中，转矩分配模块还可以设置成根据对应的最小转矩要求和对应的优先权分配每个对应的转矩命令。在所述的实施例中，至少一个转矩源可以是内燃机、发电机、静液压泵、蓄电装置和静液力储存装置的至少其中之一。所示多个转矩请求装置可包括液压缸、液力马达、电动马达、蓄电装置和液力储存装置的至少其中之一。
在一个实施例中，转矩分配系统还包括转矩仲裁模块，所述转矩仲裁模块设置成接收对应的转矩命令，其中每个对应的转矩命令都与工作范围相关联。在这个实施例中，转矩仲裁模块将多个与多个转矩命令有关的工作范围调解成一个工作范围。任选地，转矩仲裁模块还能安装成将一个工作范围提供给与至少一个转矩源相关联的控制器。
转矩分配系统的转矩分配模块还可以设置成根据转矩输出能力在总转矩请求范围内计算比例系数，并通过将多个转矩请求中的每一个乘以该比例系数来确定每个转矩命令。转矩分配模块还可以设置成保证每个对应的转矩命令大于对应的最小转矩要求。
在另一个一般方面，本发明提供一种用于在机械的不同系统之间分配动力的方法。这种方法包括确定机械的动力源的转矩输出能力，并收集来自机械的不同系统的转矩请求。各转矩请求可以合计以产生总转矩请求，该总转矩请求与转矩输出能力进行比较。当总转矩请求超过转矩输出能力时，在总转矩请求和转矩输出能力之间确定一比例系数。此后，根据相应的转矩请求和比例系数确定相应的转矩命令，以便通过控制转矩命令将转矩分配能力分配在不同系统上。
所公开的方法还可以包括将相应的转矩命令与相应的最小转矩要求进行比较，且当所有最小转矩之和大于转矩输出能力时命令一最小转矩。该方法还可以将相应的最小转矩要求与相应的转矩命令进行比较，且当相应的转矩命令小于相应的最小转矩要求时，将相应的转矩命令增加至至少等于相应的最小转矩要求。在这些状况下，可以调节转矩输出能力，以反映相应转矩命令中的增加。在一个实施例中，动力源的转矩输出能力还包括对稳态误差补偿项和瞬态误差补偿项的确定。

Claims (15)

1.一种机械(100)，包括：
发动机(104)，该发动机在机械(100)的运行期间提供发动机转矩(402)；
第一装置(322)，该第一装置设置成在机械(100)的运行期间利用一部分发动机转矩(402)，并提供机械功能；
电子控制器(252)，该电子控制器设置成：
接收表示发动机(104)工作参数的发动机信号(408)；
根据发动机工作参数确定发动机(104)的转矩输出能力(312)；
接收来自第一装置(322)的转矩请求(324)；
将该转矩请求(324)与该转矩输出能力(312)进行比较；以及
根据转矩请求(324)和转矩输出能力(312)将部分发动机转矩(402)分配到第一装置(322)。
2.如权利要求1所述的机械(100)，其特征在于，电子控制器(252)包括发动机转矩负载控制模块(312)，该发动机转矩负载控制模块设置成通过提供施加到发动机工作参数上的稳态误差补偿项(412)和瞬态误差补偿项(416)来计算发动机(104)的转矩输出能力，该发动机工作参数是可用的发动机转矩(402)，该可用的发动机转矩表示在当前状况下的发动机(104)的转矩输出与最大转矩输出之间的差值。
3.如权利要求2所述的机械，其特征在于，
稳态误差补偿项(412)表示发动机(104)的转动输出轴(204)处存在的转矩之和与发动机(104)的转动输出轴(204)的角速度乘以发动机(104)的转动输出轴(204)和任何安装成与其一起转动的其它部件的转动惯量(508)的积之间的差值；和
瞬态误差补偿项(416)基于实际发动机速度(708)和所需发动机速度(710)之间的差值，并取决于实际发动机速度(708)和所需发动机速度(710)之间的差值乘以发动机的转动输出轴(204)的转动惯量(508)，再乘以常数的积。
4.如权利要求2或3所述的机械(100)，其特征在于，瞬态误差项(416)基本等于通过发动机(104)从实际发动机速度(708)加速到所需发动机速度(710)所用的转矩，以及电子控制器(252)设置成将瞬态误差补偿项(416)从可用的发动机转矩(402)中减去。
5.如权利要求1-4之一所述的机械(100)，其特征在于，还包括第二装置，该第二装置设置成利用发动机转矩(402)的第二部分，其中，电子控制器(252)还设置成：
接收来自第二装置的第二转矩请求(328)；
根据来自第一装置(322)的转矩请求(324)与来自第二装置的第二转矩请求(328)之和计算总转矩请求；和
将总转矩请求(326)与转矩输出能力(312)进行比较。
6.如前述权利要求之一所述的机械(100)，其特征在于，电子控制器(252)还设置成当总转矩请求超过转矩输出能力时计算比例系数，以及该比例系数等于转矩输出能力与总转矩请求的比值。
7.如权利要求6所述的机械(100)，其特征在于，当总转矩请求超过转矩输出能力时，发动机转矩(402)的分配到第一装置(322)上的部分等于该比例系数与来自第一装置(322)的转矩请求(324)之间的乘积。
8.如权利要求1-7之一所述的机械(100)，其特征在于，电子控制器(252)还设置成将发动机转矩(402)分配到第一装置(322)上的部分与对应的同第一装置(322)有关的最小转矩极限进行比较。
9.如权利要求8所述的机械(100)，其特征在于，电子控制器(252)还设置成将发动机转矩(402)的分配到第一装置(322)上的部分增加到至少匹配与第一装置(322)相关联的对应最小转矩极限。
10.如权利要求1-9之一所述的机械(100)，其特征在于，还包括提供各自的最小和最大工作点的多个系统，以及电子控制器(252)还设置成将各自的最小和最大工作点仲裁成一个最大工作点和一个最小工作点。
11.如权利要求10所述的机械(100)，其特征在于，所述一个最大工作点是由所述多个系统提供的多个最大工作点中最小的一个。
12.如权利要求10所述的机械(100)，其特征在于，所述一个最小工作点是由所示多个系统提供的多个最小工作点中最大的一个。
13.如权利要求10-12之一所述的机械(100)，其特征在于，所述一个最小工作点和所述一个最大工作点涉及发动机速度(1104)和发动机转矩(402)的至少其中之一。
14.如前述权利要求之一所述的机械(100)，其特征在于，电子控制器(252)包括转矩分配系统(200)，其具有：
转矩源能力模块(312)，它设置成接收表示至少一个转矩源的至少一个工作参数的信号，并确定该至少一个转矩源的转矩输出能力(312)；
转矩分配模块，它设置成接收转矩输出能力(312)；
多个转矩请求(322)装置，所述多个转矩请求装置中的每一个都与多个利用转矩的装置的相应一个相关，其中多个转矩请求(322)装置设置成提供多个转矩请求(324)给转矩分配模块(320)，所述多个转矩请求(324)包括表示来自所述多个装置的其中之一的转矩请求(324)的相应转矩请求(324)信号；以及
其中，该转矩分配模块(320)设置成：
将所述多个转矩请求(324)中的每一个都合计成总转矩请求；
将总转矩请求与转矩输出能力进行比较；以及
根据转矩输出能力将对应的转矩命令分配到所述多个装置的每一个上。
15.如权利要求1-14之一所述的机械(100)，其特征在于，该机械(100)按一种方法操作，该方法包括以下步骤：
确定机械(100)的动力源的转矩输出能力(1004)；
收集来自机械(100)的不同系统的转矩请求(1011)；
合计所述转矩请求(1011)，以便产生总转矩请求(1011)；
将转矩输出能力与总转矩请求(1012)进行比较；
当总转矩请求超过转矩输出能力(1018)时计算比例系数(1026)；
根据各转矩请求和该比例系数确定各转矩命令(1028)；以及
通过向机械的不同系统的每一个发送相应转矩命令来分配转矩输出能力(1024)。
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