CN103147479B - 工业机器的动态控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器的动态控制。一种控制工业机器的挖掘操作的方法。该工业机器包括铲斗，附接到铲斗的提升绳，移动提升绳和铲斗的提升马达，和具有控制器的计算机。该方法包括监测提升马达的转速，确定提升马达的加速度变化率，将提升马达的加速度变化率与阈值反向因子比较，当加速度变化率小于阈值反向因子时确定冲击情况，并且向提升马达发送反向扭矩控制命令信号。

Description

工业机器的动态控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月29日提交的美国临时申请No.61/564,677的优先权，其全部内容通过引用在此并入。

技术领域

本发明涉及控制诸如电绳铲或动力铲的工业机器的挖掘操作。

背景技术

诸如电绳铲或动力铲、索斗铲等的工业机器用于执行从例如矿山的堆积(bank)中去除物料(material)的挖掘操作。这些机器和/或其组件一般由(一个或多个)电动马达驱动。在一些情况下，在具有铲斗的动力铲的操作期间(例如，当铲的铲斗撞击堆积上的硬物体时)，由于机器的(一个或多个)马达中的一个(例如，提升马达)的突然减速而产生冲击载荷。当载荷突然施加以及当载荷作为冲击载荷施加时，在机器元件上引起的合成应力比逐步施加载荷时的高很多。因此，在提升系统、提升附件、和总的机器结构中的应力由于冲击载荷而增加。这样可以导致整个工业机器上的焊缝破裂及其他应变。因此，限制工业机器的冲击载荷可以增加机器的使用寿命。

当动力铲的铲斗撞击硬物体同时提升经过堆积时，物体强迫铲斗立即停止。结果提升马达(例如，电枢、联轴器、和制动器/轮毂)和传动组件(例如，小齿轮和齿轮)突然减速。由于来自物体的施加的载荷，铲的(一个或多个)提升绳开始拉紧，提升马达开始减速。此时，整个机器的大部分惯性集中在移动铲斗的提升马达上。由于该惯性，当提升马达基于施加的载荷而开始具有大的负加速度(即减速度)时，这产生有效地将附加冲击载荷置于提升马达和机器结构上的附加扭矩(例如，在一些情况下冲击载荷为堵转马达扭矩的150％-225％)。同时，提升马达施加它的最大编程扭矩来补偿速度的降低。从提升马达施加的所有这些能量和扭矩都传递给齿轮、提升绳、铲斗、物料、吊杆，以及贯穿整个机器产生增加的应力。

传统的铲一般设计成基于历史上已被测试或使用的已知静态吊环拉力(staticbail pull)和期望的“冲击因子”而静态地限制冲击载荷。用于工业机器的冲击控制的一些现有方法包括使用滑动离合器来限制冲击载荷。本发明设法摒弃这些已知的原理来动态控制冲击载荷。鉴于此，本发明提供一种在突然冲击载荷期间动态补偿工业机器的提升马达的内部载荷的控制系统和方法。在冲击载荷期间，提出的方法使用主动监测提升马达加速度并且主动补偿马达惯性。这样，在正常挖掘周期，系统减少所有机器结构和组件的疲劳载荷，同时还增加额定可允许吊环拉力或提升力。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种控制工业机器的挖掘操作的方法。该工业机器包括铲斗，附接在铲斗上的提升绳，移动提升绳和铲斗的提升马达，和具有控制器的计算机。该方法包括监测提升马达的转速，确定提升马达的加速度变化率，将提升马达的加速度变化率与阈值反向因子比较，当加速度变化率小于阈值反向因子时确定冲击情况，并且向提升马达发送反向扭矩控制命令信号。

在另一实施例中，本发明提供一种工业机器。该工业机器包括铲斗，附接在铲斗上的提升绳，可操作以移动提升绳和铲斗的提升马达，和连接到提升马达的控制器。该控制器执行编程指令来监测提升马达的转速，确定提升马达的加速度变化率，将提升马达的加速度变化率与阈值反向因子比较，当加速度变化率小于阈值反向因子时确定冲击情况，并且向提升马达发送反向扭矩控制命令信号。

在又一实施例中，本发明提供一种控制工业机器的挖掘操作的方法。该工业机器包括铲斗，附接在铲斗上的提升绳，移动提升绳和铲斗的提升马达，和具有控制器的计算机。该方法包括确定提升马达的加速度变化率和扭矩，使用提升马达的加速度变化率和扭矩确定提升马达的吊环拉力，将提升马达吊环拉力与提升马达吊环拉力阈值比较，当提升马达吊环拉力大于提升马达吊环拉力阈值时确定冲击情况，并且向提升马达发送反向扭矩控制命令信号。

在又一实施例中，本发明提供一种控制工业机器的挖掘操作的方法。该工业机器包括铲斗，附接在铲斗上的牵引绳，移动牵引绳和铲斗的牵引马达，和具有控制器的计算机。该方法包括监测牵引马达的转速，确定牵引马达的加速度，将牵引马达的加速度与阈值反向因子比较，当加速度变化率小于阈值反向因子时确定冲击情况，并且向牵引马达发送反向扭矩控制命令信号。

考虑详细说明和伴随附图，本发明的其他方面将变得很明显。

附图说明

图1说明根据本发明实施例的工业机器。

图2说明根据本发明实施例的用于工业机器的控制器。

图3说明根据本发明实施例的用于工业机器的数据记录系统。

图4-8说明根据本发明实施例的用于控制工业机器的过程。

具体实施方式

在详细解释本发明的任意实施例之前，应该理解本发明的应用并不局限于在以下描述中阐述或者在以下附图中图解的组件的结构和布置的细节。本发明可以是其他实施例，也可以用多种方式实施或执行。此外，应该理解在此使用的措辞和术语是用于描述，而不应该看成是限制。在此使用“包括”、“包含”或者“具有”以及其变型意指包括其后列出的项目和其等同物以及额外的项目。广泛使用术语“安装”、“连接”和“耦合”，其包括两者直接和间接安装、连接和耦合。另外，“连接”和“耦合”并不局限于物理或机械连接或耦合，也可以包括电连接或耦合，不管是直接还是间接。此外，电子通信和通知可以使用包括直接连接、无线连接等的任意已知的方式执行。

还应该注意，可以使用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构组件实施本发明。另外，应该理解本发明的实施例可以包括硬件、软件、和电子组件或模块，为了论述，可以将其说明和描述为好像大部分组件仅仅以硬件方式实施。然而，基于对本说明书的阅读，本领域技术人员将认识到在至少一个实施例中，可以通过一个或多个处理器可执行的软件(例如，存储在非暂时的计算机可读介质上)的方式实施本发明基于电子的方面。就这点而论，应该注意可以使用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构组件实施本发明。此外，如随后段落所述，在附图中说明的具体机械配置旨在例示本发明的实施例，而其他替代的机械配置也是可能的。例如，在说明书中描述的“控制器”可以包括标准处理组件，诸如一个或多个处理器、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口、和连接组件的各种连接(例如，系统总线)。

在此描述的发明涉及与基于工业机器的冲击载荷而动态控制工业机器的提升系统相关联的系统、方法、装置、和计算机可读介质。诸如电绳铲或类似的矿山机械的工业机器可操作地执行从堆积中去除有效载荷(即物料)的挖掘操作。当工业机器正在挖掘堆积时，由于铲斗与堆积中的可移动物体(例如大巨石)的冲击所导致的作用在工业机器上的力可以产生冲击载荷，其增加拉铲斗的提升马达的扭矩。作为冲击载荷的结果，工业机器经受结构疲劳和应力，其可以对工业机器的使用寿命产生不利的影响。

为了减少工业机器的提升系统经受的冲击载荷，工业机器的控制器动态地修改提升马达的驱动输入信号使提升扭矩反向，从而去除提升马达中储存的动能，以便限制机器的实际吊环拉力的动态增大。具体地，控制器基于工业机器的组件(例如，提升马达)的确定加速度而动态增加最大可允许反向或下降扭矩(例如，超过标准操作值)。在挖掘操作期间用如此方式控制工业机器的操作使得限制在工业机器的操作期间经常出现的冲击载荷的破坏效果。特别地，该控制方法减少作用在提升绳、提升齿轮箱、及工业机器的其他结构元件上的直接应力。另外因为可以控制由提升马达惯性产生的冲击载荷的破坏效果，所以可以增加机器上的额定载荷。

虽然在此描述的发明可以应用于各种工业机器(例如，绳索铲、具有提升和牵引动作的索斗铲、液压机器等)、由其执行、或与其一起使用，但是在此描述的发明的实施例是关于电绳铲或动力铲进行描述，诸如图1所示的动力铲10。铲10包括活动底座15、驱动履带20、回转台25、机器甲板30、吊杆35、吊杆下端40、滑轮45、受拉缆索50、后撑杆55(也称为抗拉构件)、台架结构60、铲斗70、一个或多个提升绳75、绞车卷筒80(未示出)、铲斗臂或铲柄85、鞍状块90、枢轴点95、传动单元100(未示出)、吊环销(bail pin)105、一个或多个倾斜计110(未示出)、和滑轮销115。在说明的实施例中，绞车卷筒80和传动单元100由铲10的软管覆盖。

活动底座15由驱动履带20支撑。活动底座15支撑回转台25和机器甲板30。回转台25能够相对于活动底座15绕机器甲板30旋转360度。吊杆35在下端40枢轴连接到机器甲板30上。吊杆35通过锚固到台架结构60的后撑杆55的受拉缆索50保持在相对于甲板向上和向外伸出的位置。台架结构60刚性安装在机器甲板30上，而滑轮45可旋转地安装在吊杆35的上端。

铲斗70通过(一个或多个)提升绳75从吊杆35悬吊。提升绳75缠挠在滑轮45上，在吊环销105处附接到铲斗70上。提升绳75锚固到机器甲板30的绞车卷筒80上。如上所述，在说明的实施例中，绞车卷筒80由铲10的软管覆盖。绞车卷筒80由结合传动单元(也由铲的外壳覆盖，未示出)的至少一个电动马达82(未示出)驱动。当绞车卷筒80旋转时，提升绳75放松以降低铲斗70或拉紧以提升铲斗70。铲斗铲柄85也刚性附接在铲斗70上。铲斗铲柄85可滑动地支撑在鞍状块90中，鞍状块90在枢轴点95枢轴安装到吊杆35上。铲斗铲柄85包括其上形成的齿条齿，其啮合安装在鞍状块90中的驱动小齿轮。驱动小齿轮由电动马达和传动单元100驱动，以相对于鞍状块90伸出或缩回铲斗臂85。

电源(未示出)安装在机器甲板30上，以向用于驱动绞车卷筒80的提升电动马达82、用于向驱动鞍状块传动单元100的一个或多个推压电动马达、和用于转动回转台25的一个或多个回转电动马达提供动力。每个推压、提升、和回转马达都可以由它自己的马达控制器驱动或响应来自控制器的控制信号驱动，如下所述。当适用于本发明的工业机器是具有提升和牵引动作的索斗铲时，电源可以向用于驱动附接在铲斗上的牵引绳的提升和牵引马达(未示出)提供动力。

图2说明与图1的动力铲10相关联的控制器200。应该理解，除铲10之外，其他各种工业机器(例如，索斗铲、液压机器、施工机器等)都可以使用控制器200。控制器200与铲10的各种模块或组件通信。例如，说明的控制器200连接到一个或多个指示器205、用户接口模块210、一个或多个提升马达和提升马达驱动器215、一个或多个推压马达和推压马达驱动器220、一个或多个回转马达和回转马达驱动器225、数据存储或数据库230、电源模块235、一个或多个传感器240、和网络通信模块245。除了别的之外，控制器200包括可操作地控制动力铲10的操作、控制吊杆35、铲斗臂85、铲斗70等的位置、启动一个或多个指示器205(例如，液晶显示器[“LCD”])、监测铲10的操作等的硬件和软件的组合。除了别的之外，一个或多个传感器240包括位置传感器、速度传感器、转速传感器、加速度传感器、倾斜计110、一个或多个马达励磁模块等。例如，速度和加速度传感器配置为检测提升马达82的速度和加速度并且将该信息提供给控制器200。

在一些实施例中，控制器200包括向控制器200和/或铲10内的组件和模块提供动力、操作控制、和保护的多个电和电子组件。例如，除了别的之外，控制器200包括处理单元250(例如，微处理器、微控制器、或另一合适的可编程装置)、内存255、输入单元260、和输出单元265。除了别的之外，处理单元250包括控制单元270、算术逻辑单元(“ALU”)275、和多个寄存器280(如图2中的寄存器组所示)，以及使用已知的计算机架构实施。处理单元250、内存255、输入单元260、和输出单元265以及连接到控制器200的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线285)连接。为了说明目的，在图2中大体示出控制和/或数据总线。鉴于在此描述的发明，本领域技术人员应该已知使用一个或多个控制和/或数据总线以用于在各种模块和组件之间互连和通信。在一些实施例中，控制器200部分或全部在半导体(例如，现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体)芯片上实施，诸如通过寄存器传输级(“RTL”)设计过程开发的芯片。

内存255包括例如程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括诸如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]等)、电可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪速存储器、硬盘、SD卡、或其他合适的磁、光、物理、或电子内存装置的不同内存形式的组合。处理单元250连接到内存255，以及执行能够被存储在内存255的RAM(例如，在执行期间)、内存255的ROM(例如，基于一般永久)、或诸如另一内存或盘的另一非暂时的计算机可读介质中的软件指令。在铲10的实施方式中包括的软件可以存储在控制器200的内存255中。软件包括例如固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块、以及其他可执行指令。控制器200配置为从内存中检索以及除了别的之外执行与在此描述的控制过程和方法相关的指令。在其他结构中，控制器200包括额外的、更少的、或不同的组件。

网络通信模块245配置为连接到网络290并且通过网络290通信。在一些实施例中，网络是例如广域网(“WAN”)(例如，基于TCP/IP的网络、蜂窝网络，诸如例如全球移动通信系统[“GSM”]网络、通用分组无线电业务[“GPRS”]网络、码分多址[“CDMA”]网络、演进数据优化[“EV-DO”]网络、增强型数据速率GSM演进[“EDGE”]网络、3GSM网络、4GSM网络、数字增强无绳通信[“DECT”]网络、数字AMPS[“IS-136/TDMA”]网络、或集成数字增强网络[“iDEN”]网络等)。

在其他实施例中，网络290是例如采用诸如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等的任意各种通信协议的局域网(“LAN”)、邻域网(“NAN”)、家庭区域网(“HAN”)、或个人区域网(“PAN”)。使用一个或多个加密技术，诸如用于基于端口的网络安全性、预共享密钥、可扩展身份验证协议(“EAP”)、有线等效保密(“WEP”)、临时密钥完整性协议(“TKIP”)、Wi-Fi保护访问(“WPA”)等等的IEEE802.1标准提供的那些技术，可以保护网络通信模块245或控制器200通过网络290进行的通信。网络通信模块245与网络290之间的连接是例如有线连接、无线连接、或无线与有线连接的组合。类似地，控制器200与网络290或网络通信模块245之间的连接是有线连接、无线连接、或无线与有线连接的组合。在一些实施例中，控制器200或网络通信模块245包括用于传递、接收、或存储与铲10或铲10的操作相关联的数据的一个或多个通信端口(例如，以太网、串行高级技术附件[“SATA”]、通用串行总线[“USB”]、电子集成驱动器[“IDE”]等)。

电源模块235向控制器200或铲10的其他组件或模块提供额定AC或DC电压。电源模块235由例如具有100V至240V AC的额定线电压和大约50-60Hz的频率的电源供电。电源模块235也被配置为提供低电压以便操作控制器200或铲10内的电路和组件。在其他结构中，控制器200或铲10内的其他组件和模块由一个或多个电池或电池组或另一独立电网的电源(例如发电机、太阳能板等)供电。

用户接口模块210用于控制或监测动力铲10。例如，用户接口模块210可操作地耦合到控制器200以便控制铲斗70的位置、吊杆35的位置、铲斗铲柄85的位置、马达82等。用户接口模块210包括为了实现期望的铲10的控制和监测水平所需的数字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户接口模块210包括显示器(例如，主显示器、副显示器等)和诸如触摸屏显示器、多个旋钮、拨盘、开关、按钮等的输入装置。显示器是例如液晶显示器(“LCD”)、发光二极管(“LED”)显示器、有机LED(“OLED”)显示器、电致发光显示器(“ELD”)、表面传导电子发射极显示器(“SED”)、场致发射显示器(“FED”)、薄膜晶体管(“TFT”)LCD等。用户接口模块210也可以配置为实时或大体上实时显示与动力铲10相关联的条件或数据。例如，用户接口模块210配置为显示动力铲10的测量电特性、马达82的状态、动力铲10的状态、铲斗70的位置、铲斗铲柄85的位置等。在一些实施方式中，与一个或多个指示器205(例如，LED、扬声器等)相结合地控制用户接口模块210，以便提供动力铲10的状态或条件的视觉或听觉指示。

也可以存储、记录、处理、和分析上述与铲10相关联的信息和数据，来实施在此描述的控制方法和过程，或随着时间监测铲10的操作和性能。例如，图3说明用于铲10的数据记录和监测系统300。系统包括数据获取(“DAQ”)模块305、控制装置310(例如，控制器200)、数据记录器或记录仪315、驱动装置320、第一用户接口325、网络290、数据中心330(例如，关系数据库)、远程计算机或服务器335、第二用户接口340、和报告数据库345。DAQ模块305配置为例如从一个或多个传感器240(例如，速度、转速、或加速度传感器350)接收模拟信号、将模拟信号转换为数字信号、以及将数字信号传送给控制装置310以用于处理。控制装置310还从驱动装置320接收信号。在说明的实施例中的驱动装置320是向控制装置310提供除了别的之外与马达RPM、马达电流、马达电压、马达功率等相关的信息的马达和马达驱动器320(例如，提升马达和/或驱动、推压马达和/或驱动、回转马达和/或驱动等)。在其他实施例中，驱动装置320是铲10的操作室中的一个或多个操作者控制(例如，操纵杆)。控制装置310配置为使用DAQ模块305和驱动装置320以及与铲10的操作相关联的其他传感器和监测装置提供的信息和数据来确定例如铲10的冲击情况(例如，当铲斗撞击堆积中的大物体时)、功率使用(例如，吨/千瓦-小时)、每小时移动的物料的吨数、循环次数、填充因子、有效载荷、铲斗铲柄角度、铲斗位置等。在一些实施例中，传感器和监测装置包括用于收集、处理、分析、和记录与铲10相关联的信息和数据的工业机器监测和控制系统，诸如由威斯康辛密尔瓦基的P&H Mining Equipment生产和出售的系统。

第一用户接口325可以用于实时监测由控制装置310接收的信息和数据或存取存储在数据记录器或记录仪315中的信息。由控制装置310收集、计算、和/或确定的信息然后提供给数据记录器或记录仪315。在说明的实施例中，在铲10内包含数据记录器或记录仪315、控制装置310、驱动装置320、和DAQ模块305。在其他实施例中，一个或多个这些装置可以位于远离铲10的位置。在实施在此描述的控制方法和过程(例如，控制挖掘操作)期间，也可以由控制装置310使用由控制装置310确定的铲10的冲击情况、功率使用(例如，吨/千瓦-小时)、每小时移动的物料的吨数、循环次数、填充因子等。

数据记录器或记录仪315被配置为存储来自控制装置310的信息以及向远程数据中心330提供存储的信息以用于进一步的存储和处理。例如，数据记录器或记录仪315通过网络290向数据中心330提供存储的信息。在上面关于图2描述了网络290。在其他实施例中，来自数据记录器或记录仪315的数据可以使用一个或多个便携式存储器装置(例如，通用串行总线[“USB”]闪速驱动、安全数字[“SD”]卡等)手动传递给数据中心330。数据中心330存储通过网络290从数据记录器或记录仪315中接收的信息和数据。存储在数据中心330中的信息和数据可以由远程计算机或服务器335存取以用于处理和分析。例如，远程计算机或服务器335被配置为通过执行与诸如的数值计算环境相关联的指令来处理和分析存储信息和数据。处理和分析的信息和数据可以被编译以及输出到用于存储的报告数据库345。例如，报告数据库345除了其他标准可以基于小时、当日时间、天、星期、月、年、操作、场所、组件、工作周期、挖掘周期、操作者、矿用物料、堆积条件(例如，硬尖(hard toe))、有效载荷等而存储来自数据中心330的信息和数据的报告。存储在报告数据库345中的报告可以用于确定特定铲操作对铲10的效果、监测使用寿命和对铲10的破坏、确定生产率的趋势等。第二用户接口340可以用于存取存储在数据中心330中的信息和数据、使用数值计算环境操作信息和数据、或存取存储在报告数据库345中的一个或多个报告。

控制器200的处理器250被配置为发送控制信号来控制铲10的提升、推压、和回转操作。控制信号与用于铲10的提升、推压、和回转马达215、220和225的驱动信号相关联。当驱动信号被应用于马达215、220和225时，马达的输出(例如，电和机械输出)被监测并且反馈给控制器200。马达的输出包括例如马达转速、马达扭矩、马达功率、马达电流等。基于与铲10相关联的这些及其他信号(例如，来自传感器240的信号)，控制器200配置为确定或计算铲10或它的组件的一个或多个操作状态或位置。在一些实施例中，控制器200确定提升马达操作状态、提升绳缠绕角、提升马达每分钟转数(“RPM”)、推压马达RPM、提升马达加速度/减速度等。

上述铲10的控制器200和控制系统用于实施用于铲10的动态提升冲击控制(“DHIC”)。DHIC用于动态控制在冲击载荷期间施加的提升马达力以降低铲10的各种组件(例如，提升马达82、提升绳75、活动底座15、回转台25、机器甲板30、下端40等)上的结构疲劳。例如，DHIC被配置为当铲斗70冲击堆积以及铲10经受冲击载荷时，基于提升马达82的确定的加速度而动态修改可允许提升反向扭矩(即，发电扭矩(generating torque))以降低提升马达转速。

关于图4的过程400说明用于铲10的DHIC的实施方式。过程400与挖掘操作以及挖掘操作期间施加的提升和冲击载荷力相关联，并且在此关于其进行描述。过程400说明DHIC的实施例，并且可以由控制器200执行。在此描述的关于过程400的各种步骤能够同时、并行、或以不同于说明的执行顺序方式执行。过程400也能够使用另外的或比说明的实施例所示的更少的步骤执行。另外，在一些实施例中，诸如阈值反向因子(“TRF”)的值(见步骤415)具有固定或存储的值。使用一个或多个传感器240完成过程400的涉及例如确定提升马达扭矩、确定提升马达转速、确定提升加速度等的步骤，该传感器240可以使用控制器200执行的指令而被处理和分析，以确定用于铲10的特征的值。

如图4所示，用于DHIC的过程400从确定对于一个或多个提升马达215(例如，马达82)的提升马达扭矩、转速(例如，以RPM为单位)、和加速度开始(在步骤405)。例如，基于一个或多个提升马达215的一个或多个特征确定提升马达扭矩和转速的水平。一个或多个提升马达215的特征可以包括马达电压、马达电流、马达功率、马达功率因数等。接下来，在步骤405A，过程400继续确定是否存在冲击情况(即，出现动态提升事件)。存在可以由控制器200使用多个不同的技术(即，步骤A-D)来确定是否存在冲击情况。控制器可以单独地或组合地使用任意的描述的技术。这些技术在图5-8中说明。

图5说明用于确定是否存在冲击情况的第一技术。如果提升马达扭矩和马达转速小于相对应的预定提升马达扭矩和马达转速值(在步骤407和408)，则过程400确定当前铲10没有挖掘堆积，然后返回到它的开始点。相反，如果提升马达扭矩和马达转速大于提升马达扭矩和提升马达转速预定值，则过程前进到步骤410。

在步骤410，过程400监测提升马达82的速度和/或转速。例如，控制器200接收来自传感器240(例如，速度传感器、转速传感器、加速度传感器等)的信息，然后处理信息以监测提升马达82的速度和/或转速。在一个实施例中，处理器250不断地确定提升马达82的加速度/减速度变化率。如果控制器200确定提升马达扭矩大于阈值提升马达扭矩并且存在最小提升马达转速，则控制器200确定操作机器在正常操作极限内提升。当检测到小于阈值加速度值或反向因子(以下描述)的加速度(例如，负加速度或减速度)时，用于一个或多个提升马达215的最大可允许反向扭矩增加。施加到一个或多个提升马达215上的反向扭矩可以消耗和/或吸收由冲击载荷产生的、并且给予一个或多个提升马达215、提升传动、和绞车卷筒80的动能。通过消耗提升马达、提升传动、和绞车卷筒的动能，可以最小化冲击载荷的破坏效果，以及可以增加机器上的额定载荷。

在步骤415，控制器200将检测的提升马达的加速度变化率与阈值反向因子(“TRF”)比较。TRF可以是从内存(例如，内存255)中检索的预定值，可以由处理器250基于从铲10的其他元件接收的信息而动态确定，或可以由操作者手动设置。TRF可以用于确定铲斗70是否已经冲击了堆积中的大物体以及系统是否应当消耗一个或多个提升马达215和提升传动的动能。在一些实施例中，TRF是与提升马达的加速度相关联的阈值加速度值。如果提升马达82的加速度变化率小于TRF，则控制器200确定存在冲击情况(在步骤420)。在此时，由于来自物体的施加载荷，提升马达具有大的负加速度。另外，由于提升马达中的惯性，在提升马达中产生附加扭矩，附加扭矩在提升马达和机器的结构上添加冲击载荷。另外，此时，控制器200也可以确定铲10的提升发电扭矩极限(例如，百分比)。

图6说明用于确定是否存在冲击情况的第二方法。在步骤416，控制器200主动(即，一致地)确定提升吊环拉力。在一个实施例中，使用与检测的提升马达82的加速度和扭矩有关的信息的计算确定提升吊环拉力。接下来，控制器200确定提升马达吊环拉力是否大于预定提升马达吊环拉力阈值(在步骤417)。提升马达吊环拉力阈值可以是从内存(例如，内存255)中检索的预定值，可以由处理器250基于从铲10的元件接收的信息而动态确定，或可以由操作者手动设置。如果提升马达吊环拉力大于预定提升马达吊环拉力阈值，则控制器200确定存在冲击情况(在步骤420)。

图7说明用于确定是否存在冲击情况的第三方法。在步骤418A，控制器200分析从位于铲10的机身上(例如，在机器甲板30上)或吊杆35上的一个或多个倾斜计接收的信息(即，数据)。倾斜计提供与铲10和它的元件的位置有关的信息。基于来自倾斜计的信息，控制器200确定铲的主体或吊杆的位置是否存在改变(在步骤418B)。在一个实施例中，控制器200可以确定铲10的主体是否向前倾斜到一定水平(即，一定程度)。例如，如果当提升经过堆积时，铲大概以两度的倾斜进行挖掘并且撞击硬物体，则在冲击之后铲的位置可以改变为零或减少一度。与铲10和它的元件(例如，吊杆)的位置相关联的参数可以预先确定并且可以从内存(例如，内存255)中检索，或可以由操作者手动设置。如果控制器200确定铲或它的元件的位置存在改变，并且该改变与限定的位置参量相对应，则控制器确定存在冲击情况(在步骤420)。

图8说明用于确定是否存在冲击情况的第四方法。在步骤419A，控制器200分析从位于铲10上的吊杆载荷销或台架载荷销(未示出)中接收的信息(即数据)。例如，位于吊杆载荷销和台架载荷销的一个或多个载荷传感器(未示出)传递关于吊杆和台架的载荷的信息。基于来自这些载荷传感器的信息，控制器200确定在铲的吊杆和台架处的载荷是否增加(在步骤419B)。在一个实施例中，控制器200将检测的吊杆和台架的载荷与载荷值比较。该载荷值可以基于之前检测的数据而预先确定，可以从内存(例如，内存255)中检索，或可以由操作者手动设置。如果控制器200确定在吊杆和台架处的载荷存在增加，则控制器确定存在冲击情况(在步骤420)。

继续参考图4，为了限制机器上的冲击载荷，控制器200基于提升马达的加速度变化率与TRF的比较而动态计算提升缓变率(在步骤425)。提升缓变率是例如提升控制器200或马达驱动器215将一个或多个提升马达82的转速从当前或现在的转速值改变为新的转速值的设置时间。就这点而论，提升缓变率可以影响铲10限制铲上的冲击载荷的能力。如果提升缓变率不适合于使控制器200实现期望的转速改变，则铲10不能适当地去除提升马达82上的动能。在一些实施例中，提升缓变率越高，转速响应以限制铲上的冲击载荷越慢。就这点而论，在步骤425，提升缓变率被设置为足以保证铲10能够限制冲击载荷。例如，提升缓变率基于提升马达转速、提升马达扭矩、提升马达加速度/减速度等而设置。在一些实施例中，提升缓变率是常数(例如，线性)。在其他实施例中，提升缓变率可以随例如时间、马达转速等而动态改变。在另外的实施例中，提升缓变率可以是从内存(例如，内存255)中检索的预定值。

在步骤428，控制器200设置计数器或另一合适的定时器。例如，计数器设置为监测或控制设置或施加新的提升反向扭矩的时间量(以下描述)。在一些实施例中，计数器在处理单元250的每个时钟周期增加直到它达到预定或建立值(例如，时间值或时段T)时为止。在其他实施例中，基于冲击事件的严重性而确定时间值T。换句话说，冲击越强，监测时间段越长。

在步骤430，控制器200向提升马达82发送反向扭矩控制命令信号，其中反向命令信号包括之前计算的提升缓变率。通过该命令信号，控制器动态增加最大可允许提升反向扭矩(例如，超过标准操作值)。通过这样做，控制器200限制机器上实际吊环拉力的增大并且减少提升马达转速。例如，提升反向扭矩被设置为超过对于一个或多个提升马达215反向扭矩的标准值或正常操作极限。在一些实施例中，反向扭矩被设置为反向扭矩的标准操作极限的大约150％。在其他实施例中，反向扭矩被设置为反向扭矩的标准操作极限的大约150％至大约100％之间的值。在其他实施例中，反向扭矩设置为大约大于反向扭矩的标准操作极限的150％。在一些实施例中，在步骤430，控制器200还设置期望的转速基准(例如，期望的马达82的转速)。

替代地，在步骤430，控制器200可以向提升马达82发送去除扭矩控制命令信号而不是反向扭矩控制命令信号。去除扭矩控制命令信号去除提升马达82的扭矩。因此，铲10将停止通过物料的堆积中的阻碍的操作(即，驱动)。最终，这将减少铲10上的应力。

在其他实施例中，当确定提升缓变率时，设置转速基准。转速基准是一个或多个提升马达215的期望的未来转速，其被选择或确定为消耗一个或多个提升马达215和提升传动的动能。当设置转速基准时，提升马达82的提升反向扭矩增加以消耗一个或多个提升马达215和提升传动的动能。在一些实施例中，对于时间值T设置转速基准。在其他实施例中，转速基准可以是动态的，可以贯穿时间值T改变(例如，线性改变、非线性改变、指数地改变等)。

在步骤435，将计数器与时间值T比较。如果计数器不等于时间值T，则计数器增加(步骤440)，然后过程400返回到步骤435。如果在步骤435计数器等于时间值T，则提升反向扭矩被重新设置回到标准值或在马达的正常操作极限内，并且转速基准被设置为等于操作者的转速基准(例如，基于诸如操纵杆的控制装置)(在步骤445)。此后，过程400返回到开始，其中控制器200监测另一冲击载荷情况。

除监测计数器确定DHIC过程的结束之外，控制器200也可以监测提升马达转速和提升马达扭矩。如果提升马达转速比阈值低(在步骤431)以及提升马达扭矩比另一阈值低(在步骤432)，则控制器200停止DHIC过程并且重新设置操作参数(在445)。

因此，除了别的之外，本发明提供用于基于提升马达的加速度变化率而控制工业机器的挖掘操作的系统、方法、装置、和计算机可读介质。本发明的各种特征和优点在以下权利要求书中阐述。

Claims (23)

1.一种控制工业机器的挖掘操作的方法，所述工业机器包括铲斗，附接到所述铲斗的提升绳，移动所述提升绳和所述铲斗的提升马达，和具有控制器的计算机，所述方法包括：

监测所述提升马达的转速；

确定所述提升马达的加速度变化率；

将所述提升马达的所述加速度变化率与阈值反向因子比较；

当所述加速度变化率小于所述阈值反向因子时确定冲击情况；并且

基于小于所述阈值反向因子的所述加速度变化率，向所述提升马达发送反向扭矩控制命令信号；

其中所述反向扭矩控制命令信号包括提升缓变率，所述提升缓变率包括预定时间周期，在所述预定时间周期内，所述提升马达的所述转速从第一转速变化到第二转速，所述预定时间周期基于所述提升马达的加速度变化率与所述阈值反向因子的比较。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括动态地确定所述提升缓变率。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述提升马达的扭矩和转速。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括将所述扭矩和所述转速与预定提升扭矩和提升转速值比较。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值反向因子是与所述提升马达的加速度相关联的阈值加速度值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值反向因子是从内存中检索的预定值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值反向因子由所述控制器动态地确定。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括设置计数器以监测施加所述反向扭矩控制命令信号的时间量。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述反向扭矩控制命令信号增加所述提升马达的最大可允许提升反向扭矩。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述最大可允许提升反向扭矩被设置为对于提升反向扭矩的标准操作极限的大约150％的值。

11.一种工业机器，包括：

铲斗；

提升绳，所述提升绳附接到所述铲斗；

提升马达，所述提升马达可操作以移动所述提升绳和所述铲斗；和

控制器，所述控制器连接到所述提升马达，所述控制器执行编程指令，以便：

监测所述提升马达的转速，

确定所述提升马达的加速度变化率，

将所述提升马达的所述加速度变化率与阈值反向因子比较，

当所述加速度变化率小于所述阈值反向因子时确定冲击情况，并且

基于小于所述阈值反向因子的所述加速度变化率，向所述提升马达发送反向扭矩控制命令信号

其中所述反向扭矩控制命令信号包括提升缓变率，所述提升缓变率包括预定时间周期，在所述预定时间周期内，所述提升马达的所述转速从第一转速变化到第二转速，所述预定时间周期基于所述提升马达的加速度变化率与所述阈值反向因子的比较。

12.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述控制器进一步配置为动态地确定所述提升缓变率。

13.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述控制器进一步配置为确定所述提升马达的扭矩和转速。

14.根据权利要求13所述的工业机器，其中所述控制器进一步配置为将所述提升扭矩和所述提升转速与预定提升扭矩和提升转速值比较。

15.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述阈值反向因子是与所述提升马达的加速度相关联的阈值加速度值。

16.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述阈值反向因子是从内存中检索的预定值。

17.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述阈值反向因子由所述控制器动态地确定。

18.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述控制器进一步配置为设置计数器以监测施加所述反向扭矩控制命令信号的时间量。

19.根据权利要求11所述的工业机器，其中所述反向扭矩控制命令信号增加所述提升马达的最大可允许提升反向扭矩。

20.根据权利要求19所述的工业机器，其中所述最大可允许提升反向扭矩设置为对于提升反向扭矩的标准操作极限的大约150％的值。

21.一种控制工业机器的挖掘操作的方法，所述工业机器包括铲斗，附接到所述铲斗的提升绳，移动所述提升绳和所述铲斗的提升马达，和具有控制器的计算机，所述方法包括：

确定所述提升马达的加速度变化率和扭矩；

使用所述提升马达的所述加速度变化率和扭矩确定所述提升马达的吊环拉力；

将所述提升马达吊环拉力与提升马达吊环拉力阈值比较；

当所述提升马达吊环拉力大于所述提升马达吊环拉力阈值时确定冲击情况；并且

基于小于所述提升马达吊环拉力阈值的所述提升马达吊环拉力，向所述提升马达发送反向扭矩控制命令信号；

其中所述反向扭矩控制命令信号包括提升缓变率，所述提升缓变率包括预定时间周期，在所述预定时间周期内，所述提升马达的转速从第一转速变化到第二转速，所述预定时间周期基于所述提升马达的加速度变化率与所述阈值反向因子的比较。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括向所述提升马达发送去除扭矩控制命令信号。

23.一种控制工业机器的挖掘操作的方法，所述工业机器包括铲斗，附接在所述铲斗上的牵引绳，移动所述牵引绳和所述铲斗的牵引马达，和具有控制器的计算机，所述方法包括：

监测所述牵引马达的转速；

确定所述牵引马达的加速度变化率；

将所述牵引马达的所述加速度变化率与阈值反向因子比较；

当所述加速度变化率小于所述阈值反向因子时确定冲击情况；并且

基于小于所述阈值反向因子的所述加速度变化率，向所述牵引马达发送反向扭矩控制命令信号；

其中所述反向扭矩控制命令信号包括牵引缓变率，所述牵引缓变率包括预定时间周期，在所述预定时间周期内，所述牵引马达的所述转速从第一转速变化到第二转速，所述预定时间周期基于所述牵引马达的加速度变化率与所述阈值反向因子的比较。