CN102505718B - 推土机及其扭矩平滑动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扭矩平滑控制系统，通过第一扭矩平滑控制器读取第一电动机输出转速值，计算第一加速度，判断第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度超过第一阈值时，计算第一加速附加载荷或第一减速附加载荷，并将其转换成第一加速控制信号或第一减速控制信号，第一信号整合器采集第一运转控制信号并与第一加速控制信号或第一减速控制信号进行整合，从而控制第一电动机的运转，从而保持第一车轮运转的稳定性，第二扭矩平滑控制器与第一扭矩平滑控制器的控制逻辑相同，二者共同完成对系统运转稳定性的控制。本发明还提供了一种推土机，包括驾驶室、车身、悬挂机构、推铲和动力系统，所述动力系统为如上所述的扭矩平滑动力系统。

Description

推土机及其扭矩平滑动力系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，更具体地说，涉及一种推土机及其扭矩平滑动力系统。

背景技术

工程机械是用于工程建设的施工机械的总称，广泛应用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域，种类繁多。推土机是工程机械的一种，其由拖拉机驱动，有一宽而钝的水平推铲用以清除土地、道路构筑物或进行类似的工作。

传统的工程机械用推土机的动力总成采用纯机械系统，其组成通常为发动机与液力变矩器或者离合器相连，液力变矩器或者离合器再与变速箱进行机械连接，由变速箱控制推土机后桥及车轮等部分进行工作。机械系统作为工程机械作业系统(驾驶员-机械-周边环境)的一部分，受工作情况和路面状况的影响，推土机所受阻力会呈现不规则的波动，进而使推土机的机械系统产生振动。这种振动分为竖直和水平两个方向，两方向的振动均会对驾驶员的工作效率产生影响。现有技术中的推土机作业系统中，竖直方向的振动可由推土机的悬架系统来减震，而水平方向的振动目前还没有专门的机构来抑制。

推土机在行进过程中，受工况变化引起的振动，由于机械特性较硬，负载转矩变化突然时，不能及时对电机的转速进行调节，不能利用电机扭矩的变化平衡由于振动引起的扭矩变化，导致水平方向的振动加强，使驾驶员的操作不适，同时影响了工作效率。

因此，如何提供一种扭矩平滑动力系统，以实现降低震动对作业系统的影响，从而保持驾驶员的工作效率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种推土机及其扭矩平滑动力系统，以实现降低振动对作业系统的影响，从而保持驾驶员的工作效率。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种扭矩平滑动力系统，包括整车控制器、发动机和发电机，所述发动机与所述发电机连接，还包括：

整流器、第一逆变器、第一电动机、第二逆变器、第二电动机、第一车轮和第二车轮；

所述整流器与所述发电机相连；

所述整流器与所述第一逆变器、所述第一电动机和所述第一车轮依次相连；

所述整流器与第二逆变器、所述第二电动机和所述第二车轮依次相连；

第一扭矩平滑控制器，用于读取所述第一电动机输出转速值并计算第一加速度，判断所述第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度大于所述第一阈值的最大值时，计算第一减速附加载荷，并将其转换为第一减速控制信号；当加速度小于所述第一阈值的最小值时，计算第一加速附加载荷，并将其转换为第一加速控制信号；

第一电机控制器，用于输出所述第一电动机的第一运转控制信号；

第一信号整合器，用于采集所述第一运转控制信号和，第一加速控制信号或第一减速控制信号，将二者整合，并通过整合后的第一整合控制信号控制所述第一电动机的运转；

第二扭矩平滑控制器，用于读取所述第二电动机输出转速值并计算第二加速度，判断所述第二加速度是否超过第二阈值，当第二加速度大于所述第二阈值的最大值时，计算第二减速附加载荷，并将其转换为第二减速控制信号；当加速度小于所述第二阈值的最小值时，计算第二加速附加载荷，并将其转换为第二加速控制信号；

第二电机控制器，用于输出所述第二电动机的第二运转控制信号；

第二信号整合器，用于采集所述第二运转控制信号和，第二加速控制信号或第二减速控制信号，将二者进行整合，并通过整合后的第二整合控制信号控制所述第二电动机的运转。

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，所述整流器的输出端设置有电容器；

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，所述电容器为超级电容器。

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，还包括电容管理系统，用于控制所述电容放电。

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，还包括发电机控制器，用于控制所述发电机的运转，和对所述电容进行充电。

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，还包括发动机控制器，用于控制所述发动机的运转。

优选的，在上述扭矩平滑动力系统中，还包括整车控制器，用于协调各控制器之间的动作。

一种推土机，包括驾驶室、车身、悬挂机构、推铲和动力系统，所述动力系统为上述任意一项所述的扭矩平滑动力系统。

本发明提供扭矩平滑动力系统中，系统在运行过程中，当受到的水平方向的阻力发生变化时，第一车轮的运行转速发生变化，第一扭矩平滑控制器读取第一电动机输出转速值并计算第一加速度，判断第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度大于第一阈值的最大值时，第一扭矩平滑控制器计算第一减速附加载荷，并将其转换为第一减速控制信号；当加速度小于所述第一阈值的最小值时，第一扭矩平滑控制器计算第一加速附加载荷，并将其转换为第一加速控制信号；第一信号整合器采集第一运转控制信号和，第一加速控制信号或第一减速控制信号，将第一电机控制器和第一扭矩平滑控制器二者输出的信号进行整合，并通过整合后的第一整合控制信号控制第一电动机的运转，当第一信号整合器采集到的为第一运转控制信号和第一加速控制信号时，其控制第一电动机进行加速，第一电动机输出的扭矩变大，补偿推土机受到的阻力，使推土机速度不会突然变大而发生震动；当第一信号整合器采集到的为第一运转控制信号和第一减速控制信号时，其控制第一电动机进行加速，第一电动机输出的扭矩变小，第一车轮转速降低，使推土机速度不会突然变大而发生震动。第二车轮的控制逻辑与第一车轮的控制逻辑相同，由第一车轮的控制过程即可推导出第二车轮的控制过程。由第一扭矩平滑控制器和第二扭矩平滑控制器共同完成第一车轮和第二车轮的扭矩控制过程。本发明通过扭矩平滑动力系统通过第一扭矩平滑控制器或第二扭矩平滑控制器对阻力的补偿作用，降低了振动对作业系统的影响，减少了因为振动对驾驶员的影响，从而保持驾驶员的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的扭矩平滑动力系统的结构示意图；

图2为本发明提供的扭矩平滑动力系统的控制逻辑图。

上图中：

1为发动机、2为发电机、3为整流器、4为电容、51为第一逆变器、61为第二逆变器、52为第一电动机、62为第二电动机、53为第一车轮、63为第二车轮、71为第一扭矩平滑控制器、81为第二扭矩平滑控制器、72为第一信号整合器、82为第二信号整合器、73为第一电机控制器、83为第二电机控制器、9为整车控制器、10为电容控制系统、11为发电机控制器、12为发动机控制器。

具体实施方式

本发明公开了一种推土机及其扭矩平滑动力系统，以实现降低震动对作业系统的影响，从而保持驾驶员的工作效率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的事实例仅仅是本发明一部分事实例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明提供的扭矩平滑动力系统的结构示意图。

一种扭矩平滑动力系统，包括整车控制器9、发动机1和发电机2，发动机1与发电机2连接，发动机1启动后，带动发电机2发电，发电机2输出三相交变电流并输送到其后的动力系统，还包括：

整流器3、第一逆变器51、第一电动机52、第二逆变器61、第二电动机62、第一车轮53和第二车轮63；整流器3与发电机2相连，发电机2输出三相交变电流至整流器3，经整流器3的整流作用后，输出直流电压，由直流电压带动负载；整流器3分别输出直流电压到第一逆变器51和第二逆变器61，第一逆变器51对直流电压转换成220V交流电压，并输送到第一电动机52，由第一电动机52带动第一车轮53运转；第二逆变器61与第一逆变器51作用相同，接收到直流电压后，将直流电转换为220V交流电压，并输送到第二电动机62，由第二电动机62带动第二车轮63运转。

第一车轮53与第一电动机52之间设置有第一扭矩平滑控制器71，当推土机受到水平方向的阻力变化时，第一扭矩平滑控制器71读取第一电动机52输出转速值并计算第一加速度，判断第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度大于第一阈值的最大值时，说明此时第一电动机52输出的转速值变大，推土机此时受阻力变小，需要降低转速，降低推土机的推力，则第一扭矩平滑控制器71计算第一减速附加载荷，并将其转换为第一减速控制信号；当加速度小于所述第一阈值的最小值时，说明此时第一电动机52输出的转速值变小，推土机此时受阻力变大，需要提高转速，增大推土机的推力，则第一扭矩平滑控制器71计算第一加速附加载荷，并将其转换为第一加速控制信号。

第一电动机52控制端设置有第一电机控制器73，输出第一电动机52的第一运转控制信号，用于控制第一电动机52的运转；第一电机控制器73与第一扭矩平滑控制器71通过第一信号整合器72连接，第一信号整合器72采集第一运转控制信号和，第一加速控制信号或第一减速控制信号，将第一电机控制器73和第一扭矩平滑控制器71二者输出的信号进行整合，并通过整合后的第一整合控制信号控制第一电动机52的运转，当第一信号整合器72采集到的为第一运转控制信号和第一加速控制信号时，其控制第一电动机52进行加速，第一电动机52输出的扭矩变大，补偿推土机受到的阻力，使推土机速度不会突然变大而发生震动；当第一信号整合器72采集到的为第一运转控制信号和第一减速控制信号时，其控制第一电动机52进行加速，第一电动机52输出的扭矩变小，第一车轮53转速降低，使推土机速度不会突然变大而发生震动。

第二车轮63与第二电动机62之间设置有第二扭矩平滑控制器81，当推土机受到水平方向的阻力变化时，第二扭矩平滑控制器81读取第二电动机62输出转速值并计算第二加速度，判断第二加速度是否超过第二阈值，当第二加速度大于第二阈值的最大值时，说明此时第二电动机输出的转速值变大，推土机此时受阻力变小，需要降低转速，降低推土机的推力，则第二扭矩平滑控制器81计算第二减速附加载荷，并将其转换为第二减速控制信号；当加速度小于所述第二阈值的最小值时，说明此时第二电动机62输出的转速值变小，推土机此时受阻力变大，需要提高转速，增大推土机的推力，则第二扭矩平滑控制器81计算第二加速附加载荷，并将其转换为第二加速控制信号。

第二电动机62控制端设置有第二电机控制器83，输出第二电动机62的第二运转控制信号，用于控制第二电动机62的运转；第二电机控制器83与第二扭矩平滑控制器81通过第二信号整合器82连接，第二信号整合器82采集第二运转控制信号和，第二加速控制信号或第二减速控制信号，将第二电机控制器83和第二扭矩平滑控制器81二者输出的信号进行整合，并通过整合后的第二整合控制信号控制第二电动机62的运转，当第二信号整合器82采集到的为第二运转控制信号和第二加速控制信号时，其控制第二电动机62进行加速，第二电动机62输出的扭矩变大，补偿推土机受到的阻力，使推土机速度不会突然变大而发生震动；当第二信号整合器82采集到的为第二运转控制信号和第二减速控制信号时，其控制第二电动机62进行加速，第二电动机62输出的扭矩变小，第二车轮63转速降低，使推土机速度不会突然变大而发生震动。

本发明提供的扭矩平滑动力系统工作过程如下：

系统在运行过程中，当受到的水平方向的阻力发生变化时，第一车轮53的运行转速发生变化，第一扭矩平滑控制器71读取第一电动机52输出转速值并计算第一加速度，判断第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度大于第一阈值的最大值时，第一扭矩平滑控制器计算第一减速附加载荷，并将其转换为第一减速控制信号；当加速度小于所述第一阈值的最小值时，第一扭矩平滑控制器71计算第一加速附加载荷，并将其转换为第一加速控制信号；第一信号整合器72采集第一运转控制信号和，第一加速控制信号或第一减速控制信号，将第一电机控制器73和第一扭矩平滑控制器71二者输出的信号进行整合，并通过整合后的第一整合控制信号控制第一电动机52的运转，当第一信号整合器72采集到的为第一运转控制信号和第一加速控制信号时，其控制第一电动机52进行加速，第一电动机52输出的扭矩变大，补偿推土机受到的阻力，使推土机速度不会突然变大而发生震动；当第一信号整合器72采集到的为第一运转控制信号和第一减速控制信号时，其控制第一电动机52进行加速，第一电动机52输出的扭矩变小，第一车轮53转速降低，使推土机速度不会突然变大而发生震动。第二车轮63的控制逻辑与第一车轮53的控制逻辑相同，由第一车轮53的控制过程即可推导出第二车轮63的控制过程。由第一扭矩平滑控制器71和第二扭矩平滑控制器81共同完成第一车轮53和第二车轮63的扭矩控制过程。

通过以上工作过程可以得出，本发明提供的扭矩平滑动力系统，实现了降低震动对作业系统的影响，从而保持了驾驶员的工作效率。

如图2所示，图2为本发明提供的扭矩平滑动力系统的控制逻辑图。第一电动机与第二电动机的控制逻辑相同，此处对第一电动机进行说明，第二电动机的控制逻辑请参考一下推导过程。

上述扭矩平滑控制系统中，第一电动机的输出扭矩可通过控制系统进行调节。当扭矩平滑控制系统受到阻力的波动使其承受附加载荷引起第一电动机输出转速发生变化时，附加载荷为ΔT_L，在附加载荷ΔT_L的作用下，扭矩平滑控制系统在极短的时间内产生的附加加速度为dv/dt，设第一阈值的限值为a(正数)，当时，可通过控制第一电动机的输出扭矩来补偿这一波动。当不满足条件时，系统继续对第一电机的输出扭矩进行监测。

具体过程如下： $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{w}d{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{dt}}=\frac{R_w\mathrm{d\ω}}{i_0\mathrm{dt}}$

其中，v-扭矩平滑控制系统的运行速度

Rw-第一车轮的有效滚动半径

ω₀-第一车轮转动角速度

W-与第一电动机相连的传动轴的角速度，亦即第一电动机输出轴的转动角速度

i₀-主减速器传动比

由上式可以看出，水平方向阻力波动产生的车速波动可由传动轴转动角速度的波动来体现。

设t₁时刻扭矩平滑控制系统所受负载转矩为T_L，第一电动机输出扭矩T_M为定值(可控制)，传动轴转动角速度为w_t1，则：

$T_M-T_L=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_{t1}}{\mathrm{dt}}$

J-传动轴之后动力总成部分的转动惯量合成值

在Δt时间内，波动产生的附件载荷扭矩为ΔT_L，此时，传动轴转动角速度为ω_t1+Δt，则：

$T_M-(T_L+\mathrm{\Δ}{T}_L)=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_{t1+\mathrm{\Δt}}}{\mathrm{dt}}$

由以上两式可以得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_L=J(\frac{d{\mathrm{\ω}}_{t1}}{\mathrm{dt}}-\frac{d{\mathrm{\ω}}_{t1+\mathrm{\Δt}}}{\mathrm{dt}})$

采集t₁和t_t1+Δt时刻的传动轴转动角速度，便可计算出波动产生的附加载荷ΔT_L通过控制电动机的输出扭矩()，使其产生增量ΔT_M＝ΔT_L，这样就可以补偿波动，使系统趋于稳定。

为了进一步优化上述技术方案，上述扭矩平滑动力系统中，整流器的输出端设置有电容器，电容器设置于发电机输出端的旁路上，作为储存能量的储能器件，它能使电压的输出均匀化，降低负载的需求。同时，电容能够被充电，并向第一电动机机和第二电动机进行放电，当第一电动机或第二电动机的需求量导致发电机的输出电能不足时，能够给第一电动机或第二电动机补充电能。具体的，电容器为超级电容器。超级电容器是一种新型储能装置，其具有充电时间短，使用寿命长，温度特性好等特点。超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量。

为了进一步优化上述技术方案，上述扭矩平滑动力系统中，还包括电容管理系统，其能够控制电容的放电。增加电容管理系统后，操作人员可以根据推土机工作的具体情况对电容进行电能进行管理，当发电机输出的电能不足，不能提供足够的电能来维持第一电动机或第二电动机的正常运转时，操作人员可通过电容管理系统控制电容放电，以补充第一电动机或第二电动机工作所需的电能，从而保证系统的正常运转。

为了进一步优化上述技术方案，上述扭矩平滑动力系统中，还包括发电机控制器，其用来控制发电机的运转，同时，对电容进行充电。上述扭矩平滑动力系统中，还包括发动机控制器，用于控制发动机的运转，从而完成对系统的软启动。上述扭矩平滑动力系统中，还包括整车控制器，用来协调各控制器之间的动作。整车控制器为整个扭矩平滑动力系统核心控制部件，它采集各控制器的信号，并控制下城各部件控制器的动作，以保证系统的正常运行。

基于上述实施例中提供的扭矩平滑动力系统，本发明还提供了一种推土机，包括驾驶室、车身、悬挂机构、推铲和动力系统，所述动力系统为上述实施例中所述的扭矩平滑动力系统。

由于该推土机采用了上述实施例的扭矩平滑动力系统，所以该推土机由扭矩平滑动力系统带来的有益效果请参考上述实施例。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种扭矩平滑动力系统，包括整车控制器(9)、发动机(1)和发电机(2)，所述发动机(1)与所述发电机(2)连接，其特征在于，还包括：

整流器(3)、第一逆变器(51)、第一电动机(52)、第二逆变器(61)、第二电动机(62)、第一车轮(53)和第二车轮(63)；

所述整流器(3)与所述发电机(2)相连；

所述整流器(3)与所述第一逆变器(51)、所述第一电动机(52)和所述第一车轮(53)依次相连；

所述整流器(3)与第二逆变器(61)、所述第二电动机(62)和所述第二车轮(63)依次相连；

第一扭矩平滑控制器(71)，用于读取所述第一电动机(52)输出转速值并计算第一加速度，判断所述第一加速度是否超过第一阈值，当第一加速度大于所述第一阈值的最大值时，计算第一减速附加载荷，并将其转换为第一减速控制信号；当第一加速度小于所述第一阈值的最小值时，计算第一加速附加载荷，并将其转换为第一加速控制信号；

第一电机控制器(73)，用于输出所述第一电动机(52)的第一运转控制信号；

第一信号整合器(72)，用于采集所述第一运转控制信号和，第一加速控制信号或第一减速控制信号，将二者整合，并通过整合后的第一整合控制信号控制所述第一电动机(52)的运转；

第二扭矩平滑控制器(81)，用于读取所述第二电动机(62)输出转速值并计算第二加速度，判断所述第二加速度是否超过第二阈值，当第二加速度大于所述第二阈值的最大值时，计算第二减速附加载荷，并将其转换为第二减速控制信号；当第二加速度小于所述第二阈值的最小值时，计算第二加速附加载荷，并将其转换为第二加速控制信号；

第二电机控制器(83)，用于输出所述第二电动机(62)的第二运转控制信号；

第二信号整合器(82)，用于采集所述第二运转控制信号和，第二加速控制信号或第二减速控制信号，将二者进行整合，并通过整合后的第二整合控制信号控制所述第二电动机(62)的运转。

2.根据权利要求1所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，所述整流器(3)的输出端设置有电容器(4)。

3.根据权利要求2所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，所述电容器(4)为超级电容器。

4.根据权利要求2所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，还包括电容管理系统(10)，用于控制所述电容器(4)放电。

5.根据权利要求2所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，还包括发电机控制器(11)，用于控制所述发电机(2)的运转，和对所述电容器(4)进行充电。

6.根据权利要求1所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，还包括发动机控制器(12)，用于控制所述发动机(1)的运转。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的扭矩平滑动力系统，其特征在于，还包括整车控制器(9)，用于协调各控制器之间的动作。

8.一种推土机，包括驾驶室、车身、悬挂机构、推铲和动力系统，其特征在于，所述动力系统为如权利要求1-7中任意一项所述的扭矩平滑动力系统。