CN101999206B - 用于具有独立驱动的车辆的牵引控制方法和装置 - Google Patents

用于具有独立驱动的车辆的牵引控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种装载车，包括框架系统，多个车轮，多个驱动单元和一控制器。多个车轮承受迅速变化负载并与框架系统相关。多个驱动单元分别与至少一个车轮的对应子集相关。所述控制器被构形以根据至少一个其它车轮轮速的积分项计算车轮的滑移误差。控制器计算车轮的滑移目标值。控制器进一步使用滑移误差和滑移目标值得到应用到对应一个车轮的驱动单元的指令。

Description

用于具有独立驱动的车辆的牵引控制方法和装置
技术领域
本发明总体涉及作业机械，更具体而言，涉及一种用于具有连接车轮的独立驱动的车辆的牵引控制方法和装置。
背景技术
作业机械，例如装载机，通常发动机被配置在后轮和延伸超过前轮的装载机部分后面。这样布局可允许发动机的重量抵消装载部分铲斗的负载。这样的布局允许到每一次承载重量的很大变化。反过来又表现为当扭矩是单独应用到每个车轮时移动装载机必须的车轮的不同有效直径和扭矩。
常规四轮驱动装载机传动系包括原动机和机械连接至所述原动机具有不同车轮的装置。常规传动系配置是通过机械地约束车轮控制过多地横向或纵向或两者的旋转。这是通过锁定差分齿轮、制动旋转的车轮(美国专利号6,631,320)或通过滑动旋转车轮与差分齿轮(美国专利号5,265,705)之间的离合器完成的。在某些情况下，允许车轮以不同速度旋转，例如，在机车转弯或轮胎半径不同时。牵引控制的差速锁方法的缺点是既不能减少过多的车轮旋转，也不允许车轮以不同速度旋转。使用刹车来减弱车轮旋转的缺点是降低了效率，并引起额外的刹车磨损，且需要独立应用制动系统。使用离合器减小旋转车轮扭距的缺点是需要额外的离合器的初装和维护成本，并且离合器在滑动时会磨损。
莱图尔诺(LeTourneau)有一个具有独立电驱动车轮的装载机，并采用了一种牵引控制系统，其将每个车轮的速度与最慢的车轮速度或平均车轮速度进行比较(美国专利申请公开号20070193794)。在汽车行业，使用刹车或降低发动机扭矩的方法进行牵引控制(美国专利号5,025,882)。牵引控制可对车轮车轮速度和参考速度之间的差异、滑动变化率(美国专利号5,025,882)，甚至可对路面摩擦力特征进行的估算起作用(美国专利号5,504,680)。在汽车行业有许多估算汽车速度的方法，包括使用加速计(美国专利号4,884,650)，与无驱动轮胎比较(美国专利号5,492,192和5,429,428)，调整转向改变(美国专利号5,429,428)，甚至是采用车轮速度和发动机信息的预测模型(美国专利号6,560,539)。由于成本问题和每个传感器潜在的故障，使用较少的传感器来估算参考速度是有优势的。基于模型的方法使用诸如轮胎半径和车辆重量的非测量的模型参数的预定估计值。可以利用算法来调整预定的实时参数，以说明轮胎磨损或载重量的变化。与汽车不同的是，装载机的轮胎直径和载重量在操作过程期间显著的动态变化，使得参数的估算非常困难。
本技术领域需要的是一种控制具有独立驱动的装载机的车轮的牵引的方法和装置。
发明内容
本发明提供一种具有独立驱动轮的车辆中的牵引控制方法和装置。
本发明的其中一种形式涉及一种装载车，包括一框架系统、多个车轮，多个驱动单元和一控制器。多个车轮承受迅速变化的负载并与框架系统相关。多个驱动单元中每一个与多个车轮中相应的一个车轮相关。所述控制器被构形以根据来自所述多个车轮中至少一个其它车轮的轮速的积分项计算所述多个车轮中的一个车轮的滑移误差。所述控制器计算出所述的一个车轮的滑移目标值。所述控制器进一步利用所述滑移误差和所述滑移目标值以得到一控制，该控制被应用到与所述的一个车轮对应的驱动单元。
本发明的其中另一种形式涉及一种应用扭矩到装载车的接地轮的方法，包括以下步骤：计算一滑移误差，计算一目标值以及应用一扭矩。所述计算滑移误差步骤利用至少两个其它车轮的速度信息计算至少一个车轮的滑移误差。所述计算滑移目标值步骤根据铰接角度和车轮速度计算滑移目标值。所述应用一扭矩步骤包括根据与每个车轮相关的滑移误差和滑移目标值将扭矩应用到车轮。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种示例性作业机械的侧面示意图；
图2、3和4是表示用于控制图1中所述的装载机牵引的方法的流程图；
图5是用来帮助描述本发明用于图1-4的图表；
图6是说明本发明功能的示意性控制电路；
图7是用于图1-6的装载机和方法中的驱动系统的示意性表示；
图8是诸如图1的装载机的铰接式车辆的机车的示意性表示。
具体实施方式
现在，参考附图，示出了实施例所述的本发明的作业机械10。作业机械10用来执行诸如农业、工业、建造业、林业和/或采矿业操作，也可以是铰接式车轮驱动装载机10。作业机械10是有效载荷运载机车，其通常以一方式运载有效载荷，即载荷迅速变化的方式和/或载荷装载部分的不均衡、不可预测的分配方式。为了实现应用，装载车应包括包含至少以下两个驱动单元的机车：装载机、滑动转向装载机、锄耕机、叉状升降机、自动倾卸卡车、伐木集材机、伐木归堆机、伐木收割机、伐木运输机、和具有能将负载从地上拾起的设备。
装载机10包括驾驶室12，在驾驶室12里，操作员控制装载机10的功能调节。装载机10包括前部部分，表示为装载部分14，以及后部部分，表示为动力部分16。装载部分14和动力部分16连接在一铰接点并通过铰接部分18围绕该点彼此相对移动。
装载机10包括车轮20、22、24和26，每个车轮由独立的驱动机构驱动，例如马达32。驱动系统28包括与马达32相连接的控制器30、以及传感器34。马达32可以是分别与各个车轮20、22、24和26相关联的电驱动的驱动单元。其中，传感器34检测车轮20、22、24和26的每个车轮的转速。
车轮20围绕轴36转动，车轮22围绕轴38转动，车轮24围绕轴40转动，车轮26围绕轴42转动。轴38和轴40可以是同轴，同样轴36和42也可以是同轴。如图8所示，角度44可以被描述成所述的同轴之间存在的角度。装载部分14的中心线46和动力部分16的中心线48形成角度50，该角度被认为是装载部分14和动力部分16之间的铰接角度，该铰接角度与角度44对应。
在本发明的一个实施例中，动力部分16包括发动机，该发动机可电动或液压连接车轮20、22、24和26的每个车轮中的驱动单元。尽管驱动单元可以是任何类型，为了方便说明，驱动单元将被认为是电驱动马达，其被以利用控制器30发出指令的指令扭矩独立驱动。本发明提供了一种牵引控制系统，该系统既防止过度车轮滑移，又允许运动学上地优化车轮的速度差，而没有过多的能量损失，通过响应感知的车轮滑移直接调整应用到每个车轮的扭矩。
本发明方法的实施例表示为方法100，在步骤102，通过传感器34感应车轮速度w以及铰接角度(art)并传递到控制器30。在步骤104，铰接角度被用来计算车轮速度，为操作员指令的铰接角度调整车轮速度。铰接角度的函数乘以测量的车轮速度用来计算为转向角度调整的车轮速度(w_art)。
在步骤106，接收来自操作员的扭矩指令(cmd_in)，以及在步骤108，如果该扭矩指令不大于或等于零，方法100进行到步骤110，在这种情况下，车轮速度参考值(w_ref)设置成等于车轮速度铰接值的最高值。如果扭矩指令大于或等于零，那么方法100进行到步骤112，该步骤中车轮速度参考值设置成等于车轮铰接速度的最低值。这些步骤估算车辆速度，其现在被称为W-ref。在步骤114，滑移目标以slipTargetKI和slipTargetKP形式计算。这些作为W-ref的函数被计算。根据如图5所示的预先确定的最大值和最小值来限定滑移目标值(slipTarget)。这种情况下，方法100以方法200，300，400和500进行计算每个车轮的增益，而方法300，400，500与此处唯一已说明的方法200大体上相似。左前车轮的增益用图3所示的方法200计算。如步骤202所述，滑移误差(er)等于指令(cmdDir)(其等于正负(cmd_in))乘以左前轮速度(w_LF)减去左后右后轮的平均速度。这种情况下，误差er与slipTargetKI相比。如果负误差大于或等于slipTargetKI，则方法前往步骤210，如果该表述错误，则方法200前往步骤208。正误差也与slipTargetKI比较，如果正误差大于或等于slipTargetKI，则方法200前往步骤214，否则它前往步骤212。在步骤208，210，212和214中选择性地计算误差1(er1)和误差2(er2)。在步骤216，根据误差大小，利用滑移slipTargetKI作为应用两个增益的一个中的参考计算effortI，这样effort的增加由一个增益控制，而effort的减小由第二个增益控制。在步骤218中，slipTargetKP被用作误差er的死区，接着effortP被设成等于误差er乘以KP。比例effort的该计算误差er是大于slipTargetKP部分的函数(如果er＞0)，或是误差小于负slipTargetKP部分的函数(如果er＜0))。在步骤220中，所述effort被作为effortI+effortP的和计算。与左前轮相关的正增益等于1减去所述effort，而负增益等于1加上effort的数被扭矩变化增益除，这里扭矩变化增益是预先确定的值，其控制系统中扭矩的再分配。在步骤222中限制被应用到正gainLF和负gainLF，通过限定它们在预先确定的最小值和最大值。在这种情况下，方法200进行到步骤224。如方法200所示的其它车轮的适当的参考在方法300、400和500中的其它车轮重复。
每个车轮的增益在步骤116中计算(见图4)为该车轮的正增益乘以相对轴上的车轮的负增益并乘以所述相对轴上的另一个车轮的负增益的积。在步骤118中，该增益采用可变角一阶低通滤波器滤波，其中极点具有较低限制，并且滤波器的极点位置是输入变化率的函数。在步骤120中，通过将指令输入乘以每一相应车轮的增益得到要发送给相关车轮的每个驱动单元的指令，计算要应用到每个车轮的每个马达的指令。
上述方法已被描述为每个车轮发送命令，可以用类似的方式应用于在不是每个车轮都有驱动时的相关车轮。例如，如果有两个驱动器，一个驱动器用于前面组的车轮，而另一个驱动用于后面组的车轮，所述方法能适用于发送指令给所述两个驱动器的每一个，每个驱动器与所有车轮的子集相关联。
本发明方法的性能可通过改变各参数值来调节。滑移目标的大小和下限控制允许的滑移量，尤其处于低速时。两个积分增益和积分滑移目标的相对大小决定一旦滑移已发生，牵引力如何快速被再应用。可变角滤波器参数控制牵引力本身如何快速被应用。与每一计算相关联的正和负增益的限制和增益的选择决定算法是否和在何种程度上将以维持总体牵引力的力重新分配牵引力到无滑移车轮。比例和积分增益的大小以及应用到前和后轮时这些增益的相对大小控制牵引力是否主要从单个滑移车轮横向或纵向再分配。
本发明的算法的一个优点是不需要额外的方式来估算参考速度，也不假定车辆质量或车轮半径缓慢变化，而这些是现有技术中常见的。对于最慢的车轮速度或平均车轮速度，该方法的优点是它给出了可应用牵引力而无需过多的滑移的车轮的估计。它方法允许车轮子集的牵引能力超过车辆期望的总牵引能力，因此能够达到期望的总牵引能力，即使车轮子集已达到牵引限度，超出的牵引力的应用是期望的总牵引力和每个车轮可获得的牵引力的函数，如通过车轮的牵引条件进行控制。它以理想的方式有利地重新分配扭矩，响应一个或两个轮胎打滑。这项方案的整体要素的益处是允许车辆滑移的更严格控制，并且所述方法用于控制牵引力如何快速被去除以防止滑移并再应用以获得最大的牵引力。
以下是对上文和图中使用的变量的定义，以供参考：
art：铰接或转向角
cmd_in：牵引控制调节应用前的扭矩指令
cmdLF：对左前轮的牵引控制调节的扭矩指令
cmdRF：对右前轮的牵引控制调节的扭矩指令
cmdLR：对左后轮的牵引控制调节的扭矩指令
cmdRR：对右后轮的牵引控制调节的扭矩指令
effortI：控制力的积分分量
effortP：控制力的比例分量
er：车轮速度和参考车轮速度之差
gainLF：用来减小左前轮的扭矩指令的乘数
gainLR：用来减小左后轮的扭矩指令的乘数
gainRF：用来减小右前轮的扭矩指令的乘数
gainRR：用来减小右后轮的扭矩指令的乘数
KI1：当速度差的大小，er，超过参考速度差，slipTargetKI，使用的积分增益
KI2：当速度差的大小，er，小于参考速度差，slipTargetKI，使用的积分增益
negGainLF：当左前轮滑移时用来增加其它车轮的扭矩大小指令的乘数
pogGainLF：当左前轮滑移时用来减小左前轮的扭矩大小指令的乘数
reference wheel speed：用来决定车轮滑移程度的由一个或多个车轮速度计算出的速度
slipTargetKI：在积分控制计算中使用的参考速度差
slipTargetKP：在比例控制计算中使用的参考速度差
w：共同地、测量的车轮速度
w_art：共同地，适应转向角的车轮速度；等效中心线速度，或等效狭窄行进(strait-travel)速度
w_LF：左前轮中心线(调节转向)速度
w_LR：左后轮中心线(调节转向)速度
w_RF：右前轮中心线速度
w_RR：右后轮中心线速度
w_ref：由一个或多个轮速计算出的参考轮速，用来决定车轮滑移
已经描述了优选的实施例，显然，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下可以进行各种变型。

Claims (18)

1.一种装载车，包括：
一框架系统；
多个车轮，其承受可迅速变化负载，所述多个车轮与所述框架系统相关联；
多个驱动单元，所述驱动单元的每一个与一对应子集相关联，所述子集对应所述多个车轮的至少一个车轮；和
一控制器，其被构形以根据得自所述多个车轮的至少两个其它车轮的车轮速度项计算所述多个车轮的一个车轮的一滑移误差，以及计算所述多个车轮的所述一个车轮的一滑移目标值，所述控制器进一步被构形以使用所述滑移误差和所述滑移目标值以得到一指令，该指令被应用到对应所述多个车轮的至少一个车轮的所述子集的所述驱动单元，所述控制器被构形以进行计算所述滑移误差和计算所述滑移目标值与所述多个车轮的任何车轮的半径无关。
2.如权利要求1所述的装载车，其中所述多个车轮的所述一个车轮是与一第一旋转轴相关的一第一车轮，所述多个车轮的所述至少两个其它车轮包括一第二车轮和一第三车轮，所述第二车轮与一第二旋转轴相关，所述第三车轮与一第三旋转轴相关，所述第一轴不同于所述第二轴和所述第三轴的至少其中一个。
3.如权利要求2所述的装载车，其中所述第二轴和所述第三轴大体上同轴。
4.如权利要求3所述的装载车，其中所述控制器被构形以计算所述多个车轮的每个车轮的一滑移误差，以及计算所述多个车轮的每个车轮的一滑移目标值，所述控制器进一步被构形以利用所述滑移误差和所述滑移目标值以得到用于对应所述多个车轮的每个车轮的所述多个驱动单元的每个驱动单元的指令。
5.如权利要求4所述的装载车，其中所述控制器被构形以根据对应所述第一轴与所述第二轴之间的一角度差的一铰接角度计算所述滑移目标值。
6.如权利要求5所述的装载车，其中每一所述的指令通过一相应驱动单元对应一期望应用的扭矩。
7.如权利要求1所述的装载车，其中所述滑移目标值包括一死区，在这死区内所述控制器不改变所述指令。
8.如权利要求7所述的装载车，其中，如果所述滑移误差在所述死区之外，则所述控制器得到一新指令。
9.一种用于具有多个车轮的装载车的驱动系统，该驱动系统包括：
多个驱动单元，每个所述驱动单元与一对应子集相关，所述子集对应所述多个车轮的至少一个车轮；和
一控制器，其被构形以根据得自所述多个车轮的至少两个其它车轮的车轮速度项计算所述多个车轮的一个车轮的一滑移误差，以及计算所述多个车轮的所述一个车轮的一滑移目标值，所述控制器进一步被构形以使用所述滑移误差和所述滑移目标值以得到一指令，该指令被应用到对应所述多个车轮的至少一个车轮的所述子集的所述驱动单元，所述控制器被构形以进行计算所述滑移误差和计算所述滑移目标值与任何车轮的半径无关。
10.如权利要求9所述的驱动系统，其中所述多个车轮的所述一个车轮是与一第一旋转轴相关的一第一车轮，所述多个车轮的所述至少两个其它车轮包括一第二车轮和一第三车轮，所述第二车轮与一第二旋转轴相关，所述第三车轮与一第三旋转轴相关，所述第一轴不同于所述第二轴和所述第三轴的至少其中一个。
11.如权利要求10所述的驱动系统，其中所述第二轴和所述第三轴大体上同轴。
12.如权利要求11所述的驱动系统，其中所述控制器被构形以计算所述多个车轮的每个车轮的一滑移误差，以及计算所述多个车轮的每个车轮的一滑移目标值，所述控制器进一步被构形以利用所述滑移误差和所述滑移目标值以得到用于对应所述多个车轮的每个车轮的所述多个驱动单元的每个驱动单元的指令。
13.如权利要求12所述的驱动系统，其中所述控制器被构形以根据对应所述第一轴与所述第二轴之间的一角度差的一铰接角度计算所述滑移目标值。
14.如权利要求13所述的驱动系统，其中每一所述的指令通过一相应驱动单元对应一期望应用的扭矩。
15.如权利要求9所述的驱动系统，其中所述滑移目标值包括一死区，在这死区内所述控制器不改变所述指令。
16.如权利要求15所述的驱动系统，其中，如果所述滑移误差在所述死区之外，则所述控制器得到一新指令。
17.一种应用扭矩到装载车的接地轮方法，包括以下步骤：
使用至少两个其它车轮的速度信息计算至少一个车轮的一滑移误差；
根据一铰接角度和车轮速度计算一滑移目标值；
根据与一车轮相关的所述滑移误差和所述滑移目标值应用一扭矩到该车轮，所述计算步骤和所述应用步骤被完成而与所述车轮的任何车轮的半径无关。
18.权利要求17所述方法，其中对所述接地轮的每个接地轮进行所述计算一滑移误差步骤、所述计算一滑移目标值步骤和所述应用步骤。
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