CN102392469A - 电驱回转控制系统、工程机械及回转紧急制动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电驱回转控制系统、工程机械以及回转紧急制动控制方法。该电驱回转控制系统包括：主控制器、回转电机控制器、回转电机、电能提供装置、转速传感器、液压制动控制阀以及液压制动器；此外，该主控制器还配置成当接收到紧急制动信号后，输出紧急控制信号至回转电机控制器来控制回转电机以特定反向扭矩发电制动，并根据转速传感器反馈的回转电机的运转状态信号决定产生液压制动信号至液压制动控制阀的时间。此外，紧急控制信号可以是主控制器以开关量控制方式输出的开关量制动信号。因此，本发明可以在需进行紧急制动或在回转作业不受控的情况下实现回转紧急制动控制，以及提高系统可靠性以避免因回转不受控造成严重后果。

Description

电驱回转控制系统、工程机械及回转紧急制动控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力工程机械技术领域，尤其涉及电驱回转控制系统、工程机械及回转紧急制动控制方法。

背景技术

针对工程机械中挖掘机混合动力技术的研究已经较为广泛，由于养护成本相对较高，在国内市场上产品较少。区别于传统液压驱动回转控制系统的挖掘机，油电混合动力挖掘机由发动机和电动机联合为系统提供动力，使用电池组或者超级电容作为储能单元，保留液压先导控制装置，利用可回收能量的电机驱动取代高能耗的液压驱动回转控制系统，实现节能降耗。如图1所示，混合动力挖掘机10通常具有旋转自如地搭载在履带式下部行进体11上的上部回转体13以及安装在上部回转体上的作业附属装置例如动臂17、斗杆18、铲斗19以及相应的液压致动器，而上部回转体13则由电驱回转控制系统中的回转电机15驱动进行回转动作。电驱回转控制系统相对于液压驱动回转控制系统的不足在于：其现场CAN总线控制信号易受外界电磁干扰，而导致回转动作不受控造成危险。

目前，混合动力挖掘机的产品化及对外公开技术细节的相关信息较少，部分采用电驱回转控制系统的厂家都只是应用回转电机的反向发电制动，也即对进入发电制动状态的回转电机施以一定的反向扭矩。虽然，利用回转电机的反向发电制动结合液压制动钳的零速抱闸，可以有效地实现正常情况下的回转制动；一方面，仅仅依靠回转电机固有的反向发电制动难以应对紧急回转制动，另一方面其控制主要依赖于总线数据的有效传输，才能实现运转状态(转速、转矩等)的反馈以及对回转电机的实时控制。如果出现外部强电磁干扰源（高压变电站、大功率发射塔等）或者现场总线网络上某器件发生故障使得现场总线上的错误帧陡增导致网络负载率超限，从而造成回转控制系统中的主控制器与回转电机控制器之间的总线通讯效率下降，甚至间歇性中断导致回转作业不受控制。此时，由于液压制动阀是受程序控制零速抱闸，而在回转不受控制的情况下主控制器可能收到不正确的回转电机反馈信号，因此液压制动电磁阀可能无法在确定的时间动作而可能会导致严重后果。

发明内容

本发明的目的在于提供电驱回转控制系统、回转紧急制动控制方法及采用该种电驱回转控制系统的混合动力工程机械，可在回转作业不受控的情况下进行紧急制动，提高系统可靠性以避免因回转不受控造成严重后果。

具体地，本发明实施例提供的一种电驱回转控制系统，适用于控制工程机械的回转体的回转动作。本实施例中，电驱回转控制系统包括：主控制器、回转电机控制器、回转电机、电能提供装置、转速传感器、液压制动控制阀以及液压制动器，电能提供装置通过回转电机控制器向回转电机提供动力以驱动回转体进行回转动作，主控制器通过控制回转电机控制器来控制回转电机的运转状态，转速传感器检测回转电机的运转装他并产生运转状态信号反馈至主控制器，由主控制器根据运转状态信号决定是否产生液压制动信号至液压制动控制阀以控制液压制动器对回转体进行回转制动。此外，主控制器还配置成当接收到紧急制动信号后，输出紧急控制信号至回转电机控制器来控制回转电机以特定反向扭矩发电制动，并根据转速传感器反馈的运转状态信号决定产生液压制动信号至液压制动控制阀的时间。

在本发明实施例中，上述主控制器是配置成当接收到紧急制动信号后，从现场总线通讯控制方式切换至开关量控制方式，并以该开关量控制方式输出开关量制动信号作为紧急控制信号。

在本发明实施例中，上述的电驱回转控制系统还可包括回转紧急制动开关，回转紧急制动开关人为触发后产生紧急制动信号至主控制器。

在本发明实施例中，上述的电驱回转控制系统还可包括报警单元例如蜂鸣器，主控制器接收到紧急制动信号后触发报警单元报警。

在本发明实施例中，上述的电驱回转控制系统还可包括接触器，接触器连接至电能提供装置与回转电机控制器之间并接受主控制器的控制；当主控制器接收到紧急制动信号后断开接触器以切断电能提供装置与回转电机控制器之间的连接。进一步地，还可包括断路器以及放电电阻，放电电阻通过断路器连接至回转电机控制器并接受主控制器的控制；当主控制器接收到紧急制动信号后接通断路器以将放电电阻与回转电机控制器接通。

在本发明实施例中，上述的特定反向扭矩发电制动例如以最大反向扭矩发电制动。

在本发明实施例中，上述的电驱回转控制系统中的转速传感器例如为旋转变压器，安装于回转电机的出轴上，并与回转电机同步旋转并将转速以脉冲信号方式输出至主控制器作为运转状态信号。

本发明另一实施例提供的一种工程机械，包括回转体，以及用于控制回转体的回转动作之上述的电驱回转控制系统。此外，电驱回转控制系统中用于触发产生紧急制动信号的回转紧急制动开关优选地安装于工程机械的驾驶室内。

本发明再一实施例提供的一种回转紧急制动控制方法，应用于工程机械；其中工程机械包括回转体、传动机构、主控制器与回转电机，回转电机通过传动机构驱动回转体进行回转动作。本实施例的回转紧急制动控制方法包括步骤：触发产生紧急制动信号至主控制器；由主控制器输出紧急控制信号来控制回转电机以特定反向扭矩发电制动；检测回转电机的运转状态并反馈运转状态信号至主控制器；由主控制器根据转速信号决定输出液压制动信号的时间；以及利用液压制动信号对传动机构进行液压制动以实现对回转体的回转制动。

在本发明实施例中，上述主控制器例如是以开关量控制方式输出开关量制动信号作为紧急控制信号。

在本发明实施例中，上述的回转紧急制动控制方法更可包括步骤：主控制器接收到紧急制动信号后，从现场总线通讯控制方式切换至开关量控制方式。

在本发明实施例中，上述的回转紧急制动控制方法中，特定反向扭矩发电制动例如为最大反向扭矩发电制动。

在本发明实施例中，上述的回转紧急制动控制方法更可包括步骤：在该主控制器触接收到该紧急制动信号后，断开回转电机的电源；并可进一步地利用放电电阻释放回转电机以特定反向扭矩发电制动过程中产生的能量，以避免回转电机过热。

在本发明实施例中，上述的回转紧急制动控制方法更可包括步骤：在主控制器触接收到紧急制动信号后，使能报警单元报警。

在本发明实施例中，上述的回转紧急制动控制方法中，由主控制器根据运转状态信号决定输出液压制动信号的时间之步骤包括：根据运转状态信号计算出传动机构的回转角速度并结合传动机构的转动惯量计算出加载在传动机构上的转动力矩；将计算出的转动力矩与动机构所能承受的转动力矩极限值做比较；以及当计算出的转动力矩小于转动力矩极限值，输出液压制动信号。

本发明实施例在现有的以现场总线通讯控制方式控制回转制动的基础上，添加一套回转紧急制动方案，在需做紧急制动时，使回转电机以特定反向扭矩(例如最大反向扭矩)发动制动，实现回转紧急制动控制。此外，当出现回转不可控时往往是现场总线通讯出现问题，现有技术中只能通过系统断电切断回转电机动力并且被动的实行液压制动，这样将导致控制系统和动力系统失效，工作装置无法有效控制以及可能对回转传动机构造成巨大冲击。而回转紧急制动方案还提供了一套独立于现场总线通讯且可不切断系统电源实现回转制动的人为操作的冗余控制，其可通过转速传感器反馈的转速信号得到回转电机转速，并通过开关量控制方式控制回转电机切换至反向发电制动状态；并可进一步切断回转电机的供电电源避免总线通讯故障造成误启动，并利用放电电阻释放其反向发电制动过程中产生的能量；同时能够有效地控制液压制动控制阀在恰当的时机动作。因此，提升了工程机械的电驱回转控制可靠性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一种现有技术中混合动力挖掘机的俯视示意图。

图2是相关于本发明实施例的一种电驱回转控制系统的结构框图。

图3是相关于本发明实施例的一种回转紧急制动控制流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电驱回转控制系统、工程机械以及回转紧急制动控制方法其具体实施方式、方法、步骤及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参照图2，本发明实施例提出的电驱回转控制系统20适用于包含回转体30的混合动力工程机械。本实施例中，混合动力工程机械例如是混合动力挖掘机，例如类似于图1所示的挖掘机10而包括下部行进体、旋转自如地搭载在履带式下部行进体上的上部回转体、以及安装在上部回转体上的作业附属装置例如动臂、斗杆、铲斗以及相应的液压致动器；但本发明并不以此为限，本发明实施例的混合动力工程机械可以是任何采用有电驱动的回转体的工程机械。

如图2所示，电驱回转控制系统20包括主控制器21、回转电机控制器22、回转电机23、储能单元24、接触器KM1、断路器KM2、放电电阻R、转速传感器25、液压制动控制阀26a、液压制动器26b、传动机构27、回转紧急制动开关28以及报警单元29。其中，主控制器21作为整个控制系统的控制中心以控制回转体30的回转动作，其例如是可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)。主控制器21正常情况下通过现场总线与回转电机控制器22进行通讯，储能单元24作为电能提供装置的一种举例，其通过回转电机控制器22向回转电机23提供动力以经由驱动传动机构27来驱动回转体30进行回转动作；简言之，主控制器21正常情况下是利用现场总线通讯控制方式通过回转电机控制器22控制回转电机23的运转状态。接触器KM1连接至储能单元24与回转电机控制器22之间并接受主控制器21的控制，放电电阻R通过断路器KM2连接至回转电机控制器22并接受主控制器21的控制。此外，从图2中还可以得知，主控制器21还配置成可利用开关量控制方式通过回转电机控制器22来控制回转电机23，且在回转紧急制动情况下，主控制器21会选用开关量控制方式输出开关量制动信号作为紧急控制信号来控制回转电机23以特定反向扭矩发动制动。

转速传感器25检测回转电机23的运转状态(例如转速)并产生运转状态信号反馈至主控制器21，由主控制器21根据运转状态信号(例如转速信号)决定是否产生液压制动信号至液压制动控制阀26a以控制液压制动器26b对通过制动传动机构27来实现对回转体30进行回转制动。本实施例中，转速传感器25例如是旋转变压器，其安装于回转电机23的出轴上，与回转电机23同步旋转并将转速以脉冲信号方式输出至主控制器21作为转速信号；液压制动控制阀26a例如是电磁阀，而液压制动器26b例如是液压制动钳，传动机构27例如是集成在减速箱内并与回转体30通过齿轮形成机械耦接。

回转紧急制动开关28例如是安装在混合动力工程机械的驾驶室内，且为方便操作，可设置在驾驶室内的回转操纵手柄的30厘米圆周半径范围内，其常闭式触点连接至主控制器21的开关量输入点。在此，回转操纵手柄与主控制器21电连接，其可人为操纵来产生回转作业指令。当操纵手需要作紧急制动或发现回转不受控时，可人为触发回转紧急制动开关28产生紧急制动信号至主控制器21。主控制器21接收到紧急制动信号后，会产生报警信号触发报警单元29报警并选用开关量控制方式而屏蔽现场总线通讯控制方式。本实施例中，报警单元29例如是声报警单元例如蜂鸣器，但并不以此为限，也可以是光报警单元或者声光结合报警单元等等。

下面将结合图3详细说明执行于电驱回转控制系统20的回转紧急制动控制过程。

正常情况下，主控制器21以现场总线通讯控制方式通过回转电机控制器22来控制回转电机23以控制回转体30的回转作业(步骤S10)；主控制器21会侦测回转作业是否完成(步骤S12)，例如通过侦测来自回转操纵手柄下达的回转动作指令来实现。当侦测到当前回转作业完成时，主控制器21利用现场总线通讯控制方式告知回转电机控制器22控制回转电机23停转，此时回转电机23会因为转动惯性处于发电制动状态，而转速传感器25会检测回转电机23的运转状态例如转速并反馈运转状态信号至主控制器21，由主控制器21根据接收到的运转状态信号判断回转电机23是否为零速(步骤S14)，也即回转电机23的转速是否为零或接近零速。当判定回转电机23为零速，则产生液压制动信号至液压制动控制阀26a以使能液压制动器26b对传动机构27进行液压制动(步骤S20)进而实现对回转体30的回转制动，也即实现零速抱闸停车。

当回转紧急制动情形下，例如操纵手需做紧急制动或发现回转不受控，可由操纵手人为触发回转紧急制动开关28产生紧急制动信号至主控制器21，主控制器21接收到紧急制动信号后判定需要进行紧急制动(步骤S11)，则会产生报警信号使能(Enable)报警单元29报警(步骤S13)、断开接触器KM1以切断储能单元24与回转电机控制器22的连接避免回转制动过程中和停机后未排除故障前由现场总线的错误指令导致误启动同时接通断路器KM2将放电电阻R与回转电机控制器22连接以使得回转电机23反向发电制动时产生的能量得以释放进而避免回转电机22过热造成损坏(步骤S15)、并且屏蔽现场总线通讯控制方式而选用开关量控制方式以输出开关量制动信号作为紧急控制信号至回转电机控制器22控制回转电机23以特定反向扭矩发动制动(步骤S17)，此时回转电机23会被施加特定反向扭矩例如最大反向扭矩并处于发动制动状态，也即处于反向发动制动。而转速传感器25则会检测回转电机23的运转状态例如转速并反馈运转状态信号例如转速信号至主控制器21，由主控制器21根据接收到的转速信号判断回转电机23的转速是否超限(步骤S19) 以避免在高速回转过程中液压制动器26b突然抱闸制动导致传动机构27严重损坏而无法控制回转体30的事故，也即主控制器21会实时地根据转速传感器25反馈的回转电机的转速信号计算当前传动机构27的回转角速度，并结合其转动惯量（与自身结构及质量分布有关）计算出加载在传动机构27上的转动力矩；将计算出的转动力矩与传动机构27所能承受的转动力矩极限值做比较来判定转速是否超限。当通过比较计算出转动力矩小于转动力矩极限值时，表明无严重损毁危险，主控制器21则会控制液压制动控制阀26a使能液压制动器26b实行抱闸停车。若计算出的转动力矩仍大于转动力矩极限值，表明有严重损毁危险，则保持当前回转电机23仍以最大扭矩反向发电制动直至无严重损毁危险才实行抱闸停车。

需要说明的是，上述实施例是以在紧急制动情形下主控制器21从现场总线通讯控制方式切换至开关量控制方式来输出开关量制动信号作为紧急控制信号，但本发明并不以此为限；由于主控制器21可通过逻辑编程来设定其控制过程，因此也可设定为在紧急制动情形下，不从现场总线通讯控制方式切换至开关量控制方式而仍采用现场总线通讯控制方式来输出紧急控制信号，或者设定为从现场总线通讯控制方式切换至不同于开关量控制方式的其他控制方式来输出紧急控制信号，这些适当地变更均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明实施例在现有的以现场总线通讯控制方式控制回转制动的基础上，添加一套回转紧急制动方案，在需做紧急制动时，使回转电机以特定反向扭矩(例如最大反向扭矩)发动制动，从而实现回转紧急制动控制。此外，当出现回转不可控时往往是现场总线通讯出现问题，现有技术中只能通过系统断电切断回转电机动力并且被动的实行液压制动，这样将导致控制系统和动力系统失效，工作装置无法有效控制以及可能对回转传动机构造成巨大冲击。而回转紧急制动方案还提供了一套独立于现场总线通讯且可不切断系统电源实现回转制动的人为操作的冗余控制，其可通过转速传感器反馈的转速信号得到回转电机转速，并通过开关量控制方式控制回转电机切换至反向发电制动状态；并可进一步切断回转电机的供电电源避免总线通讯故障造成误启动，并利用放电电阻释放其反向发电制动过程中产生的能量；同时能够有效地控制液压制动控制阀在恰当的时机动作。因此，提升了工程机械的电驱回转控制可靠性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (19)

1.一种电驱回转控制系统，适用于控制工程机械的回转体的回转动作；该电驱回转控制系统包括：主控制器、回转电机控制器、回转电机、电能提供装置、转速传感器、液压制动控制阀以及液压制动器，该电能提供装置通过该回转电机控制器向该回转电机提供动力以驱动该回转体进行回转动作，该主控制器通过控制该回转电机控制器来控制该回转电机的运转状态，该转速传感器检测该回转电机的运转状态并产生运转状态信号反馈至该主控制器，由该主控制器根据该运转状态信号决定是否产生液压制动信号至该液压制动控制阀以控制该液压制动器对该回转体进行回转制动；其特征在于：

该主控制器还配置成当接收到紧急制动信号后，输出紧急控制信号至该回转电机控制器来控制该回转电机以特定反向扭矩发电制动，并根据该转速传感器反馈的运转状态信号决定产生液压制动信号至该液压制动控制阀的时间。

2.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于，该主控制器配置成当接收到该紧急制动信号后，从现场总线通讯控制方式切换至开关量控制方式，并以该开关量控制方式输出开关量制动信号作为该紧急控制信号。

3.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于：还包括回转紧急制动开关，该回转紧急制动开关人为触发后产生该紧急制动信号至该主控制器。

4.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于：还包括报警单元，该主控制器接收到该紧急制动信号后触发该报警单元报警。

5.如权利要求4所述的电驱回转控制系统，其特征在于：所述报警单元为蜂鸣器。

6.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于：还包括接触器，该接触器连接至该电能提供装置与该回转电机控制器之间并接受该主控制器的控制；当该主控制器接收到该紧急制动信号后断开该接触器以切断该电能提供装置与该回转电机控制器之间的连接。

7.如权利要求6所述的电驱回转控制系统，其特征在于，还包括断路器与放电电阻，该放电电阻通过该断路器连接至该回转电机控制器并接受该主控制器的控制；当该主控制器接收到该紧急制动信号后接通该断路器以将该放电电阻与该回转电机控制器接通。

8.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于：该特定反向扭矩发电制动为最大反向扭矩发电制动。

9.如权利要求1所述的电驱回转控制系统，其特征在于：该转速传感器为旋转变压器，安装于该回转电机的出轴上，并与该回转电机同步旋转并将转速以脉冲信号方式输出至该主控制器作为该运转状态信号。

10.一种工程机械，包括：

回转体；以及

如权利要求1至9任一项所述的电驱回转控制系统，用于控制该回转体的回转动作。

11.如权利要求10所述的工程机械，其特征在于：该电驱回转控制系统中用于触发产生该紧急制动信号的回转紧急制动开关安装于该工程机械的驾驶室内。

12.一种回转紧急制动控制方法，应用于工程机械，该工程机械包括回转体、传动机构、主控制器与回转电机，该回转电机通过该传动机构驱动该回转体进行回转动作；其特征在于：包括步骤：

触发产生紧急制动信号至该主控制器；

由该主控制器输出紧急控制信号来控制该回转电机以特定反向扭矩发电制动；

检测该回转电机的运转状态并反馈运转状态信号至该主控制器；

由该主控制器根据该运转状态信号决定输出液压制动信号的时间；以及

利用该液压制动信号对该传动机构进行液压制动以实现对该回转体的回转制动。

13.如权利要求12所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：该主控制器是以开关量控制方式输出开关量制动信号作为该紧急控制信号。

14.如权利要求13所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：更包括步骤：

该主控制器接收到该紧急制动信号后，从现场总线通讯控制方式切换至该开关量控制方式。 

15.如权利要求12所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：该特定反向扭矩发电制动为最大反向扭矩发电制动。

16.如权利要求12所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：更包括步骤：

在该主控制器触接收到该紧急制动信号后，断开该回转电机的电源。

17.如权利要求16所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：还包括步骤：利用放电电阻释放该回转电机以特定反向扭矩发电制动过程中产生的能量，以避免该回转电机过热。

18.如权利要求12所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：更包括步骤：

在该主控制器触接收到该紧急制动信号后，使能报警单元报警。

19.如权利要求12所述的回转紧急制动控制方法，其特征在于：由该主控制器根据该运转状态信号决定输出液压制动信号的时间之步骤包括：

根据该运转状态信号计算出该传动机构的回转角速度并结合该传动机构的转动惯量计算出加载在该传动机构上的转动力矩；

将计算出的转动力矩与该传动机构所能承受的转动力矩极限值做比较；以及

当计算出的转动力矩小于该转动力矩极限值，输出该液压制动信号。 

Images