CN102224046B - 踏板映射转换 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制原动机的方法，该原动机适合于驱动作业机器的至少一个地面接合元件。该方法包括如下步骤：(1)接收指示原动机的控制的操作者控制输入；和(2)响应于操作者控制输入来确定至少一个运行信号，所述运行信号被发送以用于控制原动机。该方法的特别的特征在于如下步骤：(3)接收指示机器的运行状态的运行状态输入；和(4)响应于运行状态输入而从至少一个速度控制模式(41)和至少一个转矩控制模式(44)中选择控制模式，在速度控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望速度，在转矩控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望转矩。

Description

踏板映射转换
技术领域
本发明涉及用于控制至少一个原动机的方法且涉及作业机器，该至少一个原动机适合于驱动作业机器的至少一个地面接合元件。
本发明可应用于工业建筑机器领域内的作业机器，特别是可应用于轮式装载机。因此，本发明将关于轮式装载机来描述。然而，本发明决不限制于特定的作业机器。相反，本发明可用于多种重型作业机器，例如铰接式翻斗车、卡车、推土机和挖掘机。
背景技术
轮式装载机通常设有内燃机、用于使装载机在地面上运行的牵引系统和用于操作附属装置的液压系统。机器通常包括相对于后体部分枢转的前体部分，以及包括装载单元，该装载单元带有联动机构及装配在联动机构上的以铲斗(或叉或抓木器)形式的附属装置。液压系统操作联动机构和附属装置。通过操作液压系统，装载机可使铲斗装载有例如砂砾。系统可以是电子和/或液压控制的。在全机械—液压控制和全电子控制之间的混合对于本领域技术人员是常见且已知的。
牵引系统使作业机器在地面上运行。来自发动机的动力供给到转矩变换器，所述转矩变换器进一步将动力通过变速器轴传递到采用车轮形式的地面接合元件。因为车轮通过穿透和牵引而作用在地面上，所以在发动机和地面之间将存在牵引力联接。
通常在轮式装载机内使用的内燃机通过发动机控制单元(E-ECU)来控制，所述发动机控制单元基于操作者控制输入来控制发动机。操作者控制输入是当操作者推动加速器踏板时生成的电压或电流值。操作者控制输入形成了发动机速度的期望值(以百分比或例如0至1的区间表示)。E-ECU可以是车辆ECU内的单独的单元或功能部，它控制了装载机的全部操作。车辆ECU确保基于装载机的总动力需求来控制发动机。
目前，在轮式装载机内的内燃机是变速控制的。这意味着运行信号指示指定的期望速度值。E-ECU在内部计算出为确保发动机维持该速度所要求的转矩值。当轮式装载机上的载荷改变时，E-ECU通过改变所要求的转矩值来控制实际的发动机速度。
在未来的轮式装载机中，可能有利的是使用串联混合动力系统，其中内燃机驱动发电机以对电池充电。然后，由电池驱动的多个电动马达将动力提供到液压系统和牵引系统。这样的装载机的牵引系统不具有转矩变换器。
在常规的轮式装载机中，转矩变换器的特征及其弹性为操作者提供了在低车辆速度和恒定牵引阻力下(例如当填充铲斗时)的牵引力的指示。在不带有转矩变换器的混合动力系统中，希望仍为操作者提供这样的牵引力指示。否则，在变速控制的机器中，操作者的油门踏板指令将导致车轮打滑，使得操作者具有负面的感受。此外，因为车轮打滑，所以车轮将迅速磨损，这对于车辆的运行经济性是不利的。
相同的问题也将适用于具有并联混合动力系统和不带有转矩变换器的牵引系统的轮式装载机。在这样的系统中，内燃机和电动马达二者均驱动液压系统和牵引系统。
这也将适用于由内燃机提供动力且具有不带有转矩变换器的牵引系统的常规的非混合动力装载机。
发明内容
因此，本发明的目的是通过改进不带有转矩变换器的作业机器内的原动机的控制来解决上述的问题。
该目的通过根据权利要求1的方法实现。更具体地，本发明涉及用于控制适合于驱动作业机器的至少一个地面接合元件的原动机的方法。该方法包括如下步骤：(1)接收指示原动机的控制的操作者控制输入；和(2)响应于操作者控制输入来确定至少一个运行信号，所述运行信号被发送以用于控制原动机。
所述方法的特别特征在于如下步骤：(3)接收指示机器的运行状态的运行状态输入；和(4)响应于运行状态输入从至少一个速度控制模式和至少一个转矩控制模式中选择控制模式，在所述速度控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望速度，在所述转矩控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望转矩。
使用本方法，改进了不具有转矩变换器的作业机器例如轮式装载机的可操作性。通过取决于情况借助于速度或转矩来控制原动机，机器可适合于不同的运行状态且因此机器的可操作性得以改进。
当机器切换到强制减档(kick down)运行状态时控制模式可从速度控制模式转换到转矩控制模式，且当机器切换到倒档运行状态时控制模式可从转矩控制模式切换到速度控制模式。所述方法可进一步在多个速度控制模式和多个转矩控制模式中的一方之中进行选择。每个控制模式可包括至少一个用于确定运行信号的控制映射。基于强制减档或倒档在控制模式之间的转换意味着机器可基于这些转换而适应运行条件，以改进可操作性。使用控制映射改进了该可操作性。
在转矩控制模式中，原动机的速度的实际值至少取决于作用在机器上的载荷，这改进了对于操作者的反馈。
原动机可以是内燃机或电动马达，其中电动马达可以是串联混合动力系统的一部分。作为替代，原动机是带有并联的内燃机和电动马达的并联混合动力系统。所选择的控制模式因此可控制内燃机和/或电动马达。经常的是，原动机包括电动马达且不连接到转矩变换器。该方法在该原动机内的使用明显地改进了可操作性。
运行状态输入可通过操作者致动用于选择不同运行状态的控制装置来确定，其中该控制装置能够包括强制减档按钮。作为替代，基于至少一个选择的运行状态来自动地确定运行状态输入。尽管一些操作者优选手动致动的控制装置，但自动确定能够使得不需要如强制减档按钮或换档杆的操作输入。
所述目的还通过根据权利要求16所述的发动机控制单元来实现。更具体地，本发明涉及发动机控制单元或混合动力控制单元，其适合于执行根据权利要求1-15中任一项所述的方法步骤中的任何方法步骤。
此外，所述目的通过包括至少一个根据权利要求17所述的单元的车辆控制系统来实现。
最后，所述目的通过包括根据权利要求18所述的车辆控制系统的作业机器来实现。
本发明的另外的优点将在下文中给出。
附图说明
在下文中将参考附图详细描述本发明。这些附图仅用于图示目的且决不限制本发明的范围。
图1图示了轮式装载机。
图2图示了轮式装载机的传动系。
图3图示了在变速控制的轮式装载机中的加速器踏板角度与发动机速度之间的关系的典型映射，认为发动机载荷是单独曲线的斜率(理想地为零或接近零)。
图4图示了连接到变速器轴和液压泵的常规内燃机的控制。
图5图示了带有连接到变速器轴和液压泵的电动马达(多个电动马达)的串联混合动力系统的控制。
图6图示了带有电动马达和内燃机的并联混合动力系统的控制，其中电动马达和内燃机两者机械地连接到变速器轴和液压泵。
图7图示了转矩控制的轮式装载机内的加速器踏板角度与发动机转矩之间的关系的典型映射，理想地为带有零斜率的水平线(虽然其它控制曲线也是可能的)，且因此实际上按比例变化发动机功率。
图8图示了根据本发明的原动机的控制的流程图。
图9以状态机器的方式图示了原动机的控制。
图10图示了根据图4的系统中的发动机的变速控制的流程图。
图11图示了根据图4的系统内的发动机的转矩控制的流程图。
图12图示了根据图5的系统内的电动马达的变速控制的流程图。
图13图示了根据图5的系统内的电动马达的转矩控制的流程图。
图14图示了根据图6的系统内的内燃机的变速控制和电动马达的转矩控制的流程图。
图15图示了根据图6的系统内的电动马达的变速控制和内燃机的转矩控制的流程图。
图16图示了根据图6的系统内的电动马达和内燃机两者的转矩控制的流程图。
具体实施方式
现在将参照在具体实施方式中描述且在附图中图示的实施例详细描述本发明。本发明的带有进一步的扩展且在下文中描述的实施例仅视作示例，且决不限制由权利要求所提供的保护范围。
本发明涉及用于控制适合于驱动作业机器的至少一个地面接合元件的至少一个原动机的方法并且涉及作业机器。在下文中描述的作业机器适合于执行在根据权利要求的方法中所述的方法步骤。因此，本领域技术人员应理解的是该方法也在具体实施方式中公开。
图1以轮式装载机的形式示出了作业机器1。作业机器1的主体包括前体部分2和后体部分3。后体部分3包括驾驶舱4。所述体部分2、3以它们能够枢转的方式相互连接。提供了一对转向缸21以使轮式装载机转向。作业机器1包括用于处理材料或物体的装载单元9。装载单元9包括联动机构6和装配在联动机构上的、采用铲斗(或叉或抓木器)形式的附属装置7。联动机构6的第一端以枢转方式连接到前机器部分2。附属装置7连接到联动机构6的第二端。
装载单元9可通过采用两个液压缸8的形式的两个第二致动器相对于机器的前部分2升起和降低，所述两个液压缸8中的每个液压缸在一端处连接到前机器部分2并且在另一端处连接到联动机构6。铲斗7可通过采用液压缸5形式的第三致动器相对于联动机构6倾斜，所述液压缸5在一端处连接到前机器部分2且在另一端处通过一个或数个属于联动系统的连杆连接到铲斗7。作业机器1具有将在后面描述的传动系。
液压系统操作装载单元9。至少一个液压泵(由原动机10驱动)向液压缸5、8、21提供液压流体。如将在后面描述的，原动机可例如是传统的内燃机、电动马达或二者。
牵引系统(也称为传动系)使作业机器在地面上运行。来自转矩变换器12的动力通过变速器和轴17传递到采用车轮18的形式的地面接合元件。因为车轮通过牵引部20作用在地面上，所以在原动机10和地面19之间将存在牵引力联接。变速器控制单元(T-ECU)例如控制各情况的变速器进程。如在E-ECU的情况中，该T-ECU也可实施为例如车辆ECU的任何其它ECU内的功能部。
见图2，发动机控制单元(E-ECU)25基于操作者控制输入来控制原动机10。该输入是与电压值相关地生成的(通常：计算的)值，所述电压值又通过加速踏板(或任何类似装置)在被使用者操作时生成。操作者控制输入则对应于加速踏板的角度。操作者控制输入指示原动机10的控制。也可使用其它替换踏板的装置，例如按钮、杆或触摸屏。
每个E-ECU是作业机器内的车辆控制系统的一部分。车辆控制系统涉及作业机器的所有系统，例如用于牵引系统和液压系统的控制系统，见图2。作业机器中的控制单元可以是作业机器的公共控制系统内的单独的单元或功能部(实体)。在这样的情况中，功能部是存储在系统内的用于控制作业机器的指定部分的程序代码。
除了别的任务以外，V-ECU 30监测作业机器的动力需求。原动机10需要向机器中的液压系统、牵引系统和所有辅助系统提供动力，且因为V-ECU收集了动力需求的信息，所以V-ECU可向E-ECU 25提供关于动力需求的信息。E-ECU又基于所述信息控制原动机。
在目前的轮式装载机中，存在变速控制的内燃机。这意味着用于控制发动机的运行信号指示速度的指定的要求值。运行信号响应于操作者控制输入来确定。E-ECU计算出确保发动机实现或保持期望速度的转矩的期望值。当轮式装载机上的载荷改变而操作者保持加速器踏板的角度恒定时，E-ECU意图通过改变转矩的要求值而维持当前速度。为控制器稳定性的原因，经常允许对于较高转矩值的轻微的速度偏差。这在图3中图示。理想地，图中的指示了对于恒定操作者控制输入的发动机速度的期望值和转矩之间的关系的线将是完全垂直的。将所述线以略微的角度倾斜引入了一定的控制误差，但使得控制器更稳定。
当移除转矩变换器12时，导致了如在背景技术部分中描述的负面效果。为解决此问题，图8图示了一种方法，其中生成了指示机器的运行状态的运行状态输入。响应于该输入，来选择控制模式。运行状态输入可以是强制减档的激活或倒档的激活。响应于运行状态输入，从至少一个速度控制模式41和至少一个转矩控制模式44中选择模式，见图8，在速度控制模式41中，所确定的运行信号包括原动机的期望速度，在转矩控制模式44中，所确定的运行信号包括原动机的期望转矩。
例如，当操作者激活例如强制减档的功能时，控制模式优选地从速度控制模式转换为转矩控制模式，见图8和图9(所述强制减档是强制换档到最低档位，以获得最高牵引力)，因此使得机器适用于铲斗装载。强制减档也可当例如确定将开始铲斗装载时通过机器自身自动激活。
当操作者选择倒档时，控制模式优选地从转矩控制模式转换到速度控制模式，见图8和图9，以从铲斗装载位置(例如，砂砾堆)退回。这也可以是自动功能。在机器运行的所有可能状态中存在其它情况，其中从速度控制模式到转矩控制模式(或反之)的这样的转换是有利的。
优选地通过V-ECU监测机器的当前运行状态。运行状态输入例如可通过操作者致动用于选择不同的运行状态的控制装置来确定。这样的控制装置例如是按钮、旋钮或触摸屏控制器。所述控制装置也可以是用于倒档的选择装置。在运行状态是强制减档状态的情况中，控制装置是强制减档按钮。在运行状态是倒档状态的情况中，控制装置是用于控制变速器的换档杆、按钮或类似的装置。
作为替代，运行状态输入基于至少一个检测的运行条件自动地或半自动地确定。检测的运行条件例如是液压缸5内的压力。例如，V-ECU可监测一定的传感器，例如压力传感器，且使用传感器在计算机程序中检测运行状态。这样的自动致动可消除对于例如强制减档按钮或换档杆的操作者输入的需要。
优选地在多个速度控制模式和多个转矩控制模式中的一方之中存在选择。通常，E-ECU包括至少一个用于速度控制的控制映射。在本发明中，轮式装载机也提供有多个适合于不同的运行状态的转矩控制模式。每个控制模式包括至少一个用于确定运行信号的控制映射。
如前文中所提及，在理想的速度控制模式中，E-ECU试图通过改变所生成的转矩值来保持或实现原动机的期望速度。由于控制器稳定性等原因，可允许与当前载荷相关地相对于设定速度的轻微的偏移(见图3)。
在转矩控制模式中，原动机速度的实际值替代地取决于所生成的转矩(如通过加速器踏板所指令的)和作用在机器内的飞轮上的载荷之间的差。图7示出了所生成的发动机转矩能够如何与加速器踏板的值相关。
在带有转矩变换器的机器中，生成的输出转矩是变换器输入部(连接到原动机)和输出部(连接到变速器且因而进一步连接到轴和车轮)之间的转差率(slip)的函数。对于给定的输出速度，生成的输出转矩跟随输入速度。这意味着即使带有转矩变换器的机器内的原动机可被速度控制，但由于转矩变换器的功能使操作者仍得到转矩控制的感觉。加速器踏板的更大的偏转导致原动机的更高的速度，这向转矩变换器供给更高的输入速度，且最终导致更高的输出转矩。在此情况中，操作者感觉到在加速器踏板的更大的偏转和更高的牵引力之间的清晰关联。
对于不带有转矩变换器的机器，这样的关系需要通过其它手段完成，这是本发明的主要构思。
图8图示了例示根据本发明的原动机的控制的流程图。在步骤41中，轮式装载机处于速度控制模式。该方法连续地监测42装载机的运行状态。当接收到强制减档信号时，控制模式转换43到转矩控制模式。然后，装载机以转矩控制模式44运行。运行状态被连续地监测45，且当激活倒档时，控制模式再次被切换46到速度控制模式。图9以简化的状态机器的方式图示了原动机的控制。当激活强制减档时，模式从速度控制模式转换到转矩控制模式，且当激活倒档时控制模式转换回到速度控制模式。
原动机10例如是内燃机。作为替代，原动机可以是作为串联混合动力系统的一部分的电动马达。另外的替代方案是作为并联混合动力系统内的并联连接的内燃机和电动马达的组合的原动机。然后，电动马达(EM)和内燃机(ICE)利用位于ICE或EM或二者下游的可能的齿轮减速装置机械连接到相同的驱动轴。
图4-6图示了这些类型的原动机。在所有附图中，加速器踏板的角度导致电压值(或电流值)，所述电压值(或电流值)被转化为数值且然后被提供到例如E-ECU 25。在混合动力系统中，E-ECU被混合动力控制单元(H-PCU)替换。E-ECU/H-PCU连接到由V-ECU 30控制的车辆控制系统。电子控制单元的为控制车辆的这些指定和特别的布置应仅视作示例。本领域技术人员可容易地发现满足相同原理的功能的变体。
在图5的串联混合动力系统中，内燃机(ICE)32驱动发电机35以对电池34或任何其它的电力存储单元充电。H-PCU控制ICE 32以确保电动马达(EM)33具有用于驱动牵引系统的足够的电力。如所提及的，不存在转矩变换器12，即EM直接地机械连接到变速器和轴17。如在图5中所图示的，所述EM也可驱动液压泵；然而，优选的是安装至少一个另外的EM以用于该目的。
在图6的并联混合动力系统中，ICE 32和EM 33一起驱动牵引系统和液压泵。两个动力源的动力被相加且都提供到系统和发电机35。在此，液压泵也可通过至少一个另外的EM驱动，这也给出了分离的效果。
当原动机是内燃机32时，选择的控制模式控制内燃机。图10-11图示了这样的装载机内的控制模式的切换。在这些附图中且在图12-16中，操作者控制输入由电压来例示，且运行信号由速度或转矩的期望值来例示。内燃机32由ICE表示，且电动马达33由EM表示。
图10表示了根据图8中的步骤41的情况。发动机被速度控制。电压因而被认为是速度控制值，且E-ECU设定期望的速度值，所述速度值被转化为要求的转矩值。要求的转矩值然后被控制以维持期望的速度。图11表示了根据图8中步骤43的情况。当装载机切换成激活的强制减档或以激活的强制减档运行时，装载机转换到转矩控制模式。在该模式中，电压被认为是转矩控制值，且E-ECU设定期望的转矩值，取决于实际载荷的所述转矩值将导致一定的速度。
图12-13图示了与图10-11中相同的情况，唯一的差别在于速度控制模式和转矩控制模式适合于控制电动马达33，见图5。所选择的控制模式然后控制电动马达。如果处于串联混合动力系统中，则内燃机被单独控制以向系统和/或电池提供足够的动力。
图14-16图示了并联混合动力系统中的情况，见图6。图14和图15示出了根据图10中的步骤41的情况。在图14中，内燃机以速度控制模式运行，而电动马达以转矩控制模式运行。在图15中，EM以速度控制模式运行，且ICE以转矩控制模式运行。因为发动机和马达并联连接，所以速度控制单元(EM或ICE)将确保维持速度恒定，而其它单元对于转矩作出贡献。
对于速度控制单元，电压被认为是速度控制值，且E-ECU/H-PCU设定期望的速度值，所述速度值被转化为要求的转矩值。要求的转矩值然后被控制以维持要求的速度。对于转矩控制单元，电压被认为是转矩控制值，且E-ECU/H-PCU设定期望的转矩值。在并联混合动力系统中，两个单元的转矩贡献被相加且与实际载荷一起导致一定的速度值。
图16表示了根据图8中的步骤43的情况。当装载机切换到强制减档状态或以强制减档状态运行时，内燃机和电动马达两个单元被设定到转矩控制模式。
如在前文中所提及的，发动机控制单元(E-ECU)25或混合动力控制单元(H-PCU)可适合于执行在前文中所述的方法步骤中的任何方法步骤。该单元因而是作为例如轮式装载机的作业机器1的一部分的车辆控制系统30的一部分。电子控制单元的为控制车辆的指定和特定的布置应仅视作示例。本领域技术人员可容易地发现满足相同原理的功能的变体。例如，如在E-ECU的情况中，T-ECU也可实现为例如车辆ECU的任何其它ECU内的功能部。

Claims (19)

1.一种用于控制原动机的方法，所述原动机适合于驱动作业机器的至少一个地面接合元件，所述作业机器包括铲斗(7)，所述方法包括如下步骤：
接收操作者控制输入，所述操作者控制输入指示所述原动机的控制；
响应于所述操作者控制输入来确定至少一个运行信号，所述运行信号被发送以用于控制所述原动机；
其特征在于如下步骤：
接收运行状态输入，所述运行状态输入指示所述作业机器的运行状态；
响应于所述运行状态输入，从至少一个速度控制模式(41)和至少一个转矩控制模式(44)中选择控制模式，在所述速度控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望速度，在所述转矩控制模式中，所确定的运行信号包括原动机的期望转矩，
其中，所述方法还包括：
如果确定所述作业机器将要开始铲斗装载，从所述速度控制模式转换为所述转矩控制模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述机器(1)切换到强制减档运行状态时，所述控制模式从所述速度控制模式转换到所述转矩控制模式。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，当确定将要开始铲斗装载时，自动激活所述强制减档运行状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括如下步骤：在多个速度控制模式(41)和多个转矩控制模式(44)中的一方之中进行选择。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个控制模式(41、44)包括至少一个用于确定所述运行信号的控制映射。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述转矩控制模式(44)中，所述原动机(10)的速度的实际值至少取决于作用在所述机器(1)上的载荷。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述原动机(10)是内燃机(32、36)。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述原动机(10)是电动马达(33)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电动马达(33)是串联混合动力系统的一部分。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述原动机(10)是带有并联连接的内燃机(32)和电动马达(33)的并联混合动力系统。
11.根据权利要求7或10所述的方法，其中，所选择的控制模式控制所述内燃机(32、36)。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中，所选择的控制模式控制所述电动马达(33)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过操作者致动用于选择不同运行状态的控制装置来确定所述运行状态输入。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述控制装置包括强制减档按钮。
15.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，基于至少一个检测的运行条件来自动地确定所述运行状态输入。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述机器切换到倒档运行状态时，将所述控制模式从所述转矩控制模式(44)转换到所述速度控制模式。
17.一种发动机控制单元或混合动力控制单元，所述发动机控制单元或混合动力控制单元适合于执行根据权利要求1-16中任一项所述的方法步骤中的任何方法步骤。
18.一种车辆控制系统，所述车辆控制系统包括至少一个根据权利要求17所述的单元。
19.一种作业机器，所述作业机器包括根据权利要求18所述的车辆控制系统。
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