CN103635636A - 用于控制具有电气和/或液压装置的机器中的动力的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制机器（10）中的动力的系统（55）。该系统包括构造成基于请求信号（66）、操作信号（72）和用于为机器控制电力和液压动力中的至少一个的控制策略（60）确定由电气装置和液压装置中的至少一个提供或消耗的动力水平的控制器（58），并提供用于控制所述至少一个装置的操作的控制信号（70）。该控制策略包括子系统控制（62）和监管控制（64）。该子系统控制包括电气子系统控制和液压子系统控制（62b，62c）中的至少一个，以用于控制电气装置和液压装置中的至少一个的操作。该子系统控制构造成提供表征可接受的电力水平范围和可接受的液压动力水平范围中的至少一个的范围信号（68），该监管控制构造成确定控制信号。

Description

用于控制具有电气和/或液压装置的机器中的动力的系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制具有电气和/或液压装置的机器中的动力的系统和方法，更具体地涉及用于控制构造成提供和消耗动力的电气和/或液压装置的系统和方法。
背景技术
某些常规机器具有用于操作液压致动器的液压动力源。例如，这种机器通常可包括用于驱动一个或更多液压泵的内燃发动机，该液压泵则向用于执行作业的一个或更多液压致动器提供动力。这种机器的一个示例是液压挖掘机。液压挖掘机通常可包括一个或多个液压泵，所述液压泵以加压流体流的形式向一个或更多液压马达和液压缸提供液压动力，以用于操作悬臂、杆和挖掘机具。在这种机器中，液压马达可用于使驾驶室相对于该驾驶室安装在其上的底盘转动，并且驱动地面接合轮或履带以使机器移动。提供给液压致动器的液压动力可用于升高和降低悬臂以及操纵杆和挖掘机具，从而执行挖掘和/或装载操作。
为提高效率和/或减少由内燃发动机的运行导致的不期望的排放，已经努力回收通常在这种机器的操作过程中损失的部分能量。例如，能量以储存的电能和液压能量的形式被回收以被电气及液压装置使用。因此，可能希望通过使用电气及液压装置两者以利用储存的液压能量和储存的电能两者来执行机器的某些工作功能。然而，在这种机器中，可能很难以导致有利的性能和/或效率的方式控制对电气及液压装置的电力及液压动力的供给。因此，可能希望提供用于在具有电气和/或液压装置两者的机器中以导致机器具有有利的性能和/或效率的方式控制动力的系统和方法。
授予Komiyama等人的US专利7,669,413 B2（“′413专利”）中公开了一种混合动力建筑机械。具体地，′413专利公开了一种包括液压泵、并联连接至发动机输出轴的发电机马达和由电池驱动的旋转马达的混合动力挖掘机。发电机马达通过执行马达功能来辅助发动机。每个液压泵和旋转马达的电力消耗被检测，并且液压泵和旋转马达的输出被控制使得所检测到的动力消耗的总和不超过设置为能供给至液压泵和旋转马达的动力的总和的最大供给动力。
尽管在′413专利中公开的机器包括电气及液压装置两者，但是在′413专利中公开的机器仍然可能不能以提供有利的机械性能和效率的方式控制机器中的电气及液压装置。因此，有利的是提供用于在具有电气和液压装置两者的机器中以导致机器具有有利的性能和效率的方式控制动力的系统和方法。
发明内容
一方面，本发明包括用于控制机器中的动力的系统。该系统包括控制器，该控制器构造成接收表征电气装置和液压装置中的至少一个装置所请求的操作（运行）的请求信号和来自该至少一个装置的操作信号，该操作信号表征该至少一个装置的状态。该控制器还构造成基于所述请求信号、所述操作信号和用于为机器控制电力及液压动力中的至少一个的控制策略确定由该至少一个装置提供或消耗的动力的水平，并提供用于控制所述至少一个装置的操作的控制信号。该控制策略包括子系统控制（控制器）和监管控制（高级控制）。该子系统控制包括用于控制电气装置的操作的电气子系统控制和用于控制液压装置的操作的液压子系统控制中的至少一个。该子系统控制构造成为电气装置和液压装置中的至少一个装置提供范围信号，该范围信号表征与所述至少一个装置相关联的可接受的电力水平范围和可接受的液压动力水平范围中的至少一个。该监管控制构造成基于所述操作信号、所述范围信号和表征所述至少一个装置所请求的操作的请求信号确定用于控制所述至少一个装置的操作的控制信号。
根据另一方面，本发明包括一种用于控制机器中的动力的方法，该机器包括构造成提供电力和消耗电力的电气装置以及构造成提供液压动力和消耗液压动力的液压装置。该方法包括接收表征电气装置和液压装置所请求的操作的请求信号，并且从所述电气装置及液压装置接收操作信号，该操作信号表征该电气装置及液压装置的状态。该方法还包括基于请求信号、操作信号和用于为机器控制电力及液压动力的控制策略确定由电气装置及液压装置提供或消耗的动力的水平。该方法还包括为控制电气装置及液压装置的操作提供控制信号，其中，该控制策略包括子系统控制和监管控制。该子系统控制器包括用于控制电气装置的操作的电气子系统控制和用于控制液压装置的操作的液压子系统控制。该子系统控制构造成为电气装置和液压装置提供范围信号，该范围信号表征与所述电气装置及液压装置的操作相关联的可接受的电力水平范围和可接受的液压动力水平范围。该监管控制构造成基于操作信号、范围信号和表征所述电气装置及液压装置所请求的操作的请求信号确定控制信息，以用于控制所述电气装置及液压装置的操作。
根据另一方面，本发明包括一种机器，该机器包括底盘、用于控制该机器的操作的操作者界面、联接至底盘的电气装置、联接至底盘的液压装置和控制器。该控制器构造成接收表征电气装置及液压装置所请求的操作的请求信号，并接收来自所述电气装置及液压装置的操作信号，该操作信号表征所述电气装置及液压装置的状态。所述控制器还构造成基于请求信号、操作信号和用于为机器控制电力及液压动力的控制策略确定由电气装置及液压装置提供或消耗的动力的水平。所述控制器还构造成提供用于控制电气装置及液压装置的操作的控制信号，其中，该控制策略包括子系统控制和监管控制。该子系统控制器包括用于控制电气装置的操作的电气子系统控制和用于控制液压装置的操作的液压子系统控制。该子系统控制构造成为电气装置和液压装置提供范围信号，该范围信号表征与所述电气装置及液压装置的操作相关联的可接受的电力水平范围和可接受的液压动力水平范围。该监管控制构造成基于操作信号、范围信号和表征所述电气装置及液压装置所请求的操作的请求信号确定控制信号，以用于控制所述电气装置及液压装置的操作。
附图说明
图1是示意性的透视图，示出机器的示例实施例，该机器包括用于控制机器动力的系统的示例实施例。
图2是示意性的图表，示出机器的示例实施例，该机器包括机器的动力系统的示例实施例。
图3是示意性的图表，示出在示例性的机器中操作发动机和电气及液压装置的示例性的控制策略。
图4是流程图，示出用于控制示例性的机器中的动力的示例实施例。
具体实施方式
图1示出用于执行作业的机器10的示例实施例。具体地，图1中示出的示例机器10是用于执行例如挖掘和/或装载材料的操作的挖掘机。虽然本文所公开的示例性的系统和方法针对挖掘机进行描述，但所公开的系统和方法在其他机器如汽车、卡车、农用车、作业车、轮式装载机、推土机、装载机、履带式拖拉机、平地机、非公路用卡车或本领域技术人员已知的任何其他机器中也可适用。
如图1所示，示例机器10包括侧面与用于移动机器10的地面接合构件14（例如，通过接合地面的履带或轮胎）相接的底盘12。机器10包括驾驶室16，该驾驶室以允许驾驶室16相对于底盘12转动的方式安装至底盘12。悬臂18以允许悬臂18相对于驾驶室16枢转的方式联接至驾驶室16。在与驾驶室16对向的端部，杆部20以允许杆部20关于悬臂18枢转的方式联接至悬臂18。在与悬臂18对向的端部，机具22（例如，挖掘机具或铲斗）以允许机具22关于杆部20枢转的方式联接至杆部20。虽然图1所示的示例机器10包括挖掘机具，但是当需要执行其他类型的工作时其他机具可联接至杆部20。
在所示的示例实施例中，一对致动器24联接至驾驶室16和悬臂18，使得致动器24的伸展和收缩分别地相对于驾驶室16升起和降低悬臂18。致动器26联接至悬臂18和杆部20，使得致动器26的伸展和收缩分别导致杆部20关于悬臂18向内和向外枢转。致动器28联接至杆部20和挖掘机具22，使得致动器28的伸展和收缩分别导致挖掘机具22关于杆部20在关闭和打开位置之间枢转。
如参考图2更详细地解释的，示例性致动器24、26和28是液压装置，特别是通过在活塞的任一侧为缸供给流体和从缸提取流体以导致活塞在缸内往复运动从而提供动力的液压缸。一个或更多致动器24、26和28可以是非液压致动器而不偏离本文发明公开的概念。此外，联接至悬臂18、杆部20和/或机具22的各致动器24、26和28的数量可分别改变而不偏离本发明公开的概念。
参考图2，示例性的机器10包括动力系统30，该动力系统包括分别通过电力源及液压动力操作并由控制器控制的电气装置及液压装置。特别地，示例性的动力系统30包括内燃发动机32。发动机32可以是例如压燃式发动机、火花点火式发动机、燃气涡轮发动机、均质充量压燃发动机、二冲程发动机、四冲程发动机或本领域技术人员已知的任何类型的内燃发动机。发动机32可构造成利用任何燃料或燃料组合，例如柴油、生物柴油、汽油、乙醇、甲醇或本领域技术人员已知的任何燃料运行。另外，发动机32可由氢动力发动机、燃料电池、太阳能电池和/或本领域技术人员已知的任何动力源进行补充。
在所示的示例实施例中，动力系统30包括联接至发动机32的电马达/发电机34（例如，AC马达/发电机），使得发动机32驱动马达/发电机34，从而产生电力。马达/发电机34可电联接至逆变器36（例如，AC-DC逆变器），该逆变器则电联接至总线38（例如，DC总线）。示例性动力系统30还包括电联接至总线38的转换器40。转换器40可以是DC-DC双向转换器，该转换器电联接至蓄电装置42。蓄电装置42可包括一个或更多电池和/或超级电容，该电池和/或超级电容构造成储存从马达/发电机34供给的电能和/或通过捕获与机器10的操作相关联的能量产生的任何电能，例如从机器10的移动零件例如地面接合构件14和/或驾驶室16的转动的再生制动捕获的能量。储存在蓄电装置42中的电能可用作电力来源，如下面更详细地解释的。
示例性动力系统30还包括联接至总线38的逆变器44（例如，AC-DC逆变器）。逆变器44电联接至电马达/发电机46（例如，AC马达/发电机）。在所示的示例实施例中，马达/发电机46联接至驾驶室16，以使马达/发电机46的操作导致驾驶室16相对于底盘12转动。另外，马达/发电机46能够以再生方式使驾驶室16的转动减缓和停止，这导致产生的电能可通过逆变器44、总线38和转换器40送至蓄电装置42以用于后面供给至电致动器例如马达/发电机34和46。根据某些实施例，蓄电装置42中的电能可通过转换器40、总线38和逆变器36送至马达/发电机34，该马达/发电机则可使用该电能以补充发动机32和/或驱动一个或更多液压泵/马达48a和48b，从而使电力来源能辅助机器10的发动机32和/或液压装置。根据某些实施例，由马达/发电机34和/或马达/发电机46产生的电能可在两个马达/发电机34和46传送而不必储存在蓄电装置42中，例如，从马达/发电机46通过逆变器44、总线38和逆变器36送至马达/发电机34，或者从马达/发电机34通过逆变器36、总线38和逆变器44送至马达/发电机46。
在图2所示的示例实施例中，发动机32联接两个液压泵/马达48a和48b，所述液压泵/马达可包括固定排量泵或可变排量泵。虽然示出的示例实施例包括两个泵/马达48a和48b，但是也可使用单个的泵/马达或两个以上的泵/马达。在所示的示例性配置中，发动机32供给机械动力以驱动泵/马达48a和48b，该泵/马达48a和48b则通过使加压流体流入和流出液压缸24、26和28来向动力系统30提供液压动力。此外，根据某些实施例，一个或更多泵/马达48a和48b可向发动机32供给动力以协助发动机32的运行，例如驱动马达/发电机34，该马达/发电机34则可向机器10的电气装置供给电力。
在图2所示的示例实施例中，泵/马达48a和48b液压地联接至控制阀50，使得泵/马达48a和48b向控制阀50供应加压流体，该控制阀50则控制流入和流出机器10的液压装置的流体。例如，如图2所示，控制阀50液压联接至液压缸24、26和28以及液压泵/马达52，该液压泵/马达52当被供给加压流体流时驱动地面接合构件14。虽然示出了单个的液压马达52，但动力系统30可包括一个或更多液压马达52，例如，为每个地面接合构件14配置一个。另外，液压泵/马达52能以再生方式减缓和停止地面接合构件14，从而导致所产生的液压能量可重新发送以向动力系统30提供液压动力以储存在液压储存装置中用于随后向液压致动器供给液压动力，和/或用于向泵/马达48a和48b提供液压动力，这可补充发动机32的动力，如在下面更详细地解释的。
示例性动力系统30还包括液压联接至控制阀50的蓄能器54。蓄能器54配置用于储存在动力系统30的运行过程中捕获的液压能量。例如，如上面所解释的，液压马达52可配置用于减缓地面接合构件14的运动，其中该液压马达作为泵运行以使地面接合构件14驱动该泵，从而减缓地面接合构件14。借助于泵送供给到液压流体的能量可通过控制阀50传送以用于在蓄能器54中储存以供以后使用和/或供给至泵/马达48a和48b。
在示例性动力系统30中，液压缸24、26和28的每一个都液压联接至控制阀50。如参考图1所解释的，液压缸24、26和28分别联接至悬臂18、杆部20和机具22以用于操纵悬臂18、杆部20和机具22。类似于液压马达52，液压缸24、26和28能以再生方式操作以导致产生的液压能量可被重新传送以提供液压动力给动力系统30和/或储存在蓄能器54中。例如，当悬臂18从升高的位置降低时，加压流体以受控的方式从液压缸24被迫流出。该加压流体可通过控制阀50传送以储存在蓄能器54中和/或送至一个或更多泵/马达48a、48b和52从而协助这些液压装置的操作。
图2所示的示例性动力系统30包括用于控制动力系统30的系统55。例如，动力系统30包括可容纳于驾驶室16中的操作者界面56。根据某些实施例，操作者界面56可定位成远离机器10以便遥控该机器10。示例性操作者界面56包括用于控制机器10及其功能的多个控件（例如，操纵杆、踏板和/或按钮）。在所示的示例实施例中，操作者界面56电地和/或液压地联接至控制阀50，以使电气控制信号和/或液压控制信号（例如，通过液压控制回路）可从操作者界面56发送到控制阀50。这样的电气及液压控制信号可用于控制控制阀50的运行，以用于动力系统30的液压装置的操作和控制。另外，操作者界面56电联接至控制器58，该控制器58构造成控制示例性动力系统30的一个或更多电气及液压装置的运行，如下面更详细地解释的。
此外，控制器58可以联接至与机器10的装置相关联的多个传感器以接收表征装置的运行的信号。例如，机器10可包括以下传感器：与发动机32相关联的发动机传感器32a，与马达/发电机34相关联的马达/发电机传感器34a，与蓄电装置42相关联的储存装置传感器42a，与马达/发电机46相关联的马达/发电机传感器46a，分别与泵/马达48a和48b相关联的泵/马达传感器48c和48d，分别与液压缸24、26和28相关联的液压传感器24a、26a和28a，与蓄能器54相关联的蓄能器传感器54a和与泵/马达52相关联的泵/马达传感器52a。上述每个传感器都可包括单个传感器或共同运行的数个传感器以提供表征相关联装置的运行的信号。
发动机传感器32a可包括发动机速度传感器、空气流量传感器、排放物传感器、歧管压力传感器、涡轮增压器增压压力传感器和/或其它与发动机相关的传感器。马达/发电机传感器34a和46a可包括速度传感器、电流传感器、电压传感器和/或其它与马达/发电机相关的传感器。储存装置传感器42a可包括电荷传感器、电流传感器、电压传感器和/或其他与蓄电装置相关的传感器。泵/马达传感器48c、48d和52a可包括速度传感器、流量传感器、压力传感器和/或其它与液压相关的传感器。蓄能器传感器54a可包括压力传感器和/或其它与液压相关的传感器。
控制器58可包括一个或更多处理器、微处理器、中央处理单元、车载计算机、电子控制模块和/或本领域技术人员已知的任何其他的计算和控制装置。控制器58可构造成运行储存在储存器位置、从计算机可读介质中读取和/或可从通过合适的通信网络操作性地联接至控制器58的外部装置获取的一个或更多软件程序或应用。
示例性控制器58配置用于控制动力系统30的运行，所述动力系统30包括示例机器10的发动机和各种电气及液压装置。例如，控制器58可构造成将每个电气及液压装置当作电力及液压动力的潜在的供给者和消耗者，并且根据收到的操作者请求以协调的方式控制发动机、电气及液压装置的运行以提供有利的机器性能和效率。
例如，电马达/发电机34和46可通过消耗电力或者供给电力来运行。当它们被操作以使由马达/发电机34和46驱动的装置加速时可消耗电力。例如，马达/发电机34可被驱动以通过提供动力至液压泵/马达48a和48b而协助发动机32，马达/发电机46可被驱动以转动驾驶室16。马达/发电机34也可当被操作以使发动机32减速时（例如，当发动机32联接至飞轮蓄能装置（未示出）时）向电源系统30供给电力，当由发动机32驱动时利用马达/发电机34的发电机部分以产生电力。当使驾驶室16的转动减速时，马达/发电机46也能以类似的方式操作以向动力系统30供给电力。另外，当在发电机模式下操作时，马达/发电机34和46可相互供给电力和向蓄能装置42供给电力。
蓄能装置42也可作为电力的供给者或消耗者之一运行。例如，蓄能装置42可通过向马达/发电机34提供电力以辅助发动机32的输出和/或向马达/发电机46提供电力以转动驾驶室16而作为电力的供给者运行。蓄电装置42在储存从马达/发电机34和46接收到的电力时也可作为电力的消耗者运行。
液压装置也可看作既是液压动力的消耗者又是供给者。例如，泵/马达48a、48b和52可通过消耗液压动力或供给液压动力来运行。当被操作以增加液压系统中的流速和/或压力从而例如运行液压缸24、26和28以克服负载时，它们可消耗液压动力。此外，泵/马达48a、48b和52可运行以消耗液压动力来驱动另一个泵/马达和/或来向蓄能器54提供加压流体。例如，为了移动机器10，一个或更多泵/马达48a和48b可作为泵运行以提供流体来驱动泵/马达52从而驱动地面接合构件14。
泵/马达48a、48b和/或52也可向动力系统30供给液压动力。例如，当机器10的运动通过泵/马达52减慢时，泵/马达52可通过泵送液压流体转换机器10的动能，从而向动力系统30供给液压动力，其可被泵/马达48a和48b利用以通过向马达/发电机34供给电力来协助发动机32，协助液压缸24、26和28操作以克服负载和/或向蓄能器54供给加压流体以便储存。
类似地，液压缸24、26和28可操作以消耗或供给液压动力。例如，当悬臂18下降时，液压缸24可操作以通过向液压系统供给加压流体以供给液压动力，该液压系统可被用来向泵/马达48a、48b和52，其它液压缸26和28，和/或蓄能器54供给动力。当通过从一个或更多泵/马达48a、48b和52，蓄能器54和/或其他液压缸26和28提取液压动力来克服负载运行（例如，提高悬臂18）时，液压缸24还可作为动力消耗者运行。
蓄能器54也可作为液压动力的供给者或消耗者运行。例如，蓄能器54可通过向泵/马达48a和48b提供加压流体以协助发动机32的输出、向液压缸24、26和28提供加压流体以克服负载运行和/或向泵/马达52提供加压流体以驱动地面接合构件14来作为液压动力的供给者运行。当蓄能器54将从泵/马达48a、48b和52和/或液压缸24、26和28接收到的液压动力以加压流体的形式储存时，蓄能器54可作为液压动力的消耗者运行。
示例性控制器58构造成接收表征电气及液压装置的操作请求的请求信号、例如来自操作者界面56的信号，并根据控制策略控制机器10的电力和液压动力。例如，控制器58可配置用于接收来自界面56的请求信号和来自电气及液压装置的基于收到的请求信号的操作信号。该操作信号表征各电气及液压装置在接收到请求信号时的状态。例如，操作信号可以是从与各自的电气及液压装置相关联的传感器接收到的信号，并且可包括关于电气及液压装置根据接收到的请求信号提供或消耗动力的信息。操作信号也可表征电气及液压装置根据控制器58收到的请求信号提供动力或消耗动力的能力。根据某些实施例，操作信号还可包括与发动机32的运行相关联的信号。控制器58可基于请求信号、操作信号和控制策略确定由发动机32和电气及液压装置供给或消耗的动力水平，并提供用于控制机器10的发动机32和电气及液压装置的运行的控制信号。
图3是示意性的图表，示出用于运行示例性机器10的发动机32和电气及液压装置的示例性的控制策略60。如图3所示，示例性控制策略60包括子系统控制62和监管控制64。示例性的子系统控制62包括用于控制发动机32的运行的发动机子系统控制62a、用于控制电气子系统的电气装置的运行的电气子系统控制62b和用于控制液压子系统的液压装置的运行的液压子系统控制62c。某些实施例可包括用于控制其他装置的运行的附加子系统控制。
子系统控制62配置用于向监管控制64提供表征电气及液压装置的操作请求的请求信号66。根据某些实施方案，监管控制64可直接从子系统控制器62以外的其它来源，例如界面56和/或发动机32和电气及液压装置自身接收请求信号66。
子系统控制62也配置用于基于各子系统内装置的运行的相互关系提供用于运行与相应的电气子系统和液压子系统相关联的蓄能装置的请求信号和范围信号。例如，在电气子系统中，电气子系统控制62b提供了用于基于电气子系统内的其它设备的运行控制蓄电装置42的运行的请求信号。类似地，在液压子系统内，液压子系统控制62c提供了用于基于液压子系统内的其它设备的运行控制蓄能器54的运行的请求信号。
子系统控制62还配置用于提供表征可接受的电力和液压动力水平范围的范围信号68，该信号与电气及液压装置在收到请求信号66时的运行相关联。范围信号68也可基于装置在相应的子系统内如何实现功能。例如，对于电气子系统，用于各电气装置的范围信号68可基于电气子系统内的电气装置的运行之间的相互关系，例如，如下面参照蓄电装置42更详细地解释的。类似地，对于液压子系统，用于各液压装置的范围信号68可基于液压子系统内的液压装置的运行之间的相互关系，如下面参照蓄能器54更详细地解释的。
监管控制64配置用于确定基于运行信号72（本文在前面描述的）、范围信号68和表征电气及液压装置的操作请求的请求信号66来控制发动机32和电气及液压装置的运行的控制信号70。在本示例方式中，控制器58评估发动机32和电气及液压装置的运行和装置的操作请求，并以协调的方式控制发动机32和所述装置的运行以便提供期望的机器性能并且提高效率。
根据某些实施例，可接受的电力和液压动力的水平范围表征了电气及液压装置被允许在通过控制器58接收到请求信号66时进行操作的最大和最小动力水平。例如，最大和最小动力水平可基于相应的装置供给动力或消耗动力的能力、或基于预定的机器设计极限供给或消耗动力的能力。例如，泵/马达48a可具有最大泵送动力输出，因此，最大动力输出水平可被限制在该最大泵送动力输出。从发动机32的角度来看，这将代表最大动力消耗限制。然而，从液压缸24、26和28，蓄能器54和泵/马达52的角度来看，这将代表最大动力供给限制。或者，泵/马达48a的最大泵送动力输出可基于预定的设计极限被限制，例如以便避免该泵/马达48a和/或机器10的其它零件的过度磨损。
范围信号68的最小动力水平可能与可接受的动力输出的预定的下限有关。例如，对于泵/马达48a和48b，下限可与向液压缸24、26和28提供足以将机具22中的负载保持于当前高度的液压动力的最小动力输出相关联。
发动机32也可通过其关联的传感器32a提供表征发动机32的状态（例如，当前的动力输出和速度）的操作信号72。发动机子系统控制62a可提供表征发动机32被允许根据由控制器58收到的请求信号66运行的最大和最小动力水平的范围信号68。
根据某些实施例，可接受的电力、液压动力和发动机动力的输出水平范围为监管控制64提供了局限，因此监管控制64不为电气装置、液压装置和发动机32提供落入该局限以外的控制信号70。其结果是，虽然监管控制64可确定用于操作发动机32和电气及液压装置的动力输出水平的最有效的方案（例如，基于只考虑动力消耗），该范围可防止最有效方案的无意和不利的后果。
例如，在控制器58收到驾驶室16的转动的减速请求时，马达/发电机46可作为发电机运行，从而向机器10供给电力。如果马达/发电机46增加驾驶室16的减速的水平，它将供给更大量的电力。然而，这可能会导致驾驶室16的转动比请求所需的更快地停止，从而导致不希望的控制特性。如果马达/发电机46降低驾驶室16的减速的水平，它将供给更小量的电力。然而，这可能会导致驾驶室16的转动比请求的更慢地停止，从而也造成不期望的控制特性。
当控制器58收到用于使驾驶室16减速的请求信号66时，电气子系统控制62b可确定在减速过程中用于马达/发电机46的可接受的动力供给水平的范围。如上面提到的，因为可能不希望运行机器10以减少或增加驾驶室16的减速的水平，电气子系统控制62b可确定在这些情况下可接受的动力供给水平的一个窄的范围。因此，电气子系统控制62b将向监管控制64提供表征马达/发电机46操作的请求信号66和表征用于马达/发电机46的可接受的动力供给水平的一个窄范围的范围信号68。监管控制64将随后通过基于机器10的发动机32和各种装置的请求信号66、操作信号72和从电气子系统控制62b接收的范围信号68确定由马达/发电机46提供的动力供给的水平来控制马达/发电机46的操作。随后，控制信号70被提供至马达/发电机46以控制其运行。控制信号70可从监管控制64被发送到电气子系统控制62b，该电气子系统控制可随后控制马达/发电机46的运行。根据某些实施例，控制信号70可被直接发送至马达/发电机46，而不一定通过电气子系统控制62b被中继。
作为另一示例，在驾驶室16的加速过程中，控制器58接收用于加速的请求信号66，马达/发电机46作为马达运行，从而消耗来自机器10的电力。如果马达/发电机46增加了驾驶室16的加速的水平，它将消耗更大量的电力。如果马达/发电机46降低驾驶室16的加速的水平，它将消耗更小量的电力。
电气子系统控制62b可确定在驾驶室16的加速过程中用于马达/发电机46的可接受的动力消耗水平的范围。例如，可能不希望运行机器10以使驾驶室16的加速增大至超出请求的水平。然而，由于机器10的动力极限或其他考虑，可能希望使加速水平降低至低于请求的水平。因此，电气子系统控制器62b可提供一个可接受的动力消耗水平的范围，该范围从最大等于所请求的水平到最小充分低于所请求的水平。电气子系统控制62b将向监管控制64提供表征马达/发电机46的操作请求的请求信号66和表征可接受的动力供给水平范围的范围信号68。此后，监管控制64利用控制信号72控制马达/发电机46的操作，例如，以前述的方式，通过基于从电气子系统控制62a收到的请求信号66和范围信号68以及机器10的发动机32和各种设备的操作信号72确定马达/发电机46动力消耗水平。
电气子系统控制62b可基于电气子系统内的电气装置的操作的相互关系确定用于蓄电装置42的操作范围。例如，如果电气子系统内没有电气装置正在运行，电气子系统控制62b可向监管控制64提供表征对电气装置无请求的请求信号和用于每个电气装置包括蓄电装置42的表征电气装置的能力的范围信号68，以便为了运行一个或更多泵/马达48a和48b而通过向发动机32补充电力来为发动机32和/或液压子系统供给电力。
然而，如果，例如，接收到用于驾驶室16的转动（通过马达/发电机46）的请求信号66，电气子系统控制62b向监管控制64供给用于每个电气装置、包括蓄电装置42的请求信号66。此外，电气子系统控制62b为每个电气装置提供范围信号68。例如，用于为使驾驶室16转动而运行马达/发电机46的请求信号66可请求50个单位的电力。电气子系统控制62b确定被发动机32驱动的马达/发电机34具有向马达/发电机46提供40个单位的电力以转动驾驶室16的能力，以及蓄电装置42具有向马达/发电机46提供40个单位的电力以转动驾驶室16的能力。因此，马达/发电机34和蓄电装置42有用以满足驾驶室16请求的转动的总共30个单位的多余能力。电气子系统控制62b为马达/发电机34和蓄电装置42确定各自的范围信号66，该信号表征了每个马达/发电机34和蓄电装置42的0-40个单位的动力输出范围，和表征了马达/发电机46使驾驶室16转动的50个单位的请求信号66。电气子系统控制62b也确定用于马达/发电机46的范围信号，如本文前面所述。此外，电气子系统控制62b为每个马达/发电机34和蓄电装置42确定请求信号66以提供50个单位的动力给马达/发电机46。例如，电气子系统控制62b确定用于马达/发电机34的请求信号66将是40个单位的动力，用于蓄电装置42的请求信号将是10个单位的动力，从而对应于为运行马达/发电机46以使驾驶室16转动所请求的50个单位的电力。该请求信号66和范围信号68被供给至监管控制64。
在该示例中，监管控制64使用来自电气子系统控制62b的请求信号66和范围信号68，以及来自发动机子系统控制62a和液压子系统控制62c的类似的信号，以确定用于控制机器10的发动机32和电气及液压装置的运行的控制信号70。例如，如果不需要为发动机32或液压系统补充电力，监管控制64可向电气子系统控制62b提供控制信号70，以使马达/发电机34向马达/发电机46供给例如40个单位的动力，并使蓄电装置42向马达/发电机46供给10个单位的动力，从而满足所请求的50个单位以使驾驶室16转动。
然而，如果监管控制64确定液压子系统将受益于由电气子系统供给的动力，例如当液压子系统不能供给足够的液压动力以满足液压子系统需要的操作需求时—这例如因为发动机32的能力有限和/或蓄能器54缺乏能量而抵消发动机32的极限能力，监管控制64可确定电气子系统可供给例如20个单位的动力以补充发动机32的运行，由此提高液压子系统的能力。由于泵/马达48a和48b的输出可由于瞬态发动机能力受到限制，用电气子系统补充发动机32的运行可以增加液压动力泵/马达48a和48b可提供的动力。因此，为了满足用于补充发动机32的20个单位的动力需求和为了转动驾驶室16需要的50个单位的动力需求，70个单位的动力可由来自马达/发电机34和蓄电装置42的总共80个单位的可用动力供给，以使50个单位被供给以转动驾驶室16，并且20个单位通过向发动机32供给动力来供给至液压子系统。
以类似的方式，液压子系统控制器62c可基于液压子系统内的液压装置的操作的相互关系确定用于操作蓄能器54的范围。例如，当液压子系统内没有液压装置正在运行时，液压子系统控制62c可向监管控制64提供表征了不请求液压装置的请求信号和表征每个液压装置、包括蓄能器54的能力的范围信号68，以通过向发动机补充动力而向发动机32和/或电气子系统供给动力以操作电气子系统的马达/发电机34。
然而，如果，例如，收到用于机器10的移动（通过泵/马达52和地面接合构件14）的请求信号66，液压子系统控制62c向监管控制64供给用于每个液压装置、包括蓄能器54的请求信号66。此外，液压子系统控制62c为每个液压装置提供范围信号68。例如，用于操作泵/马达52以使机器10运动的请求信号66可请求60个单位的电力。液压子系统控制62c确定由发动机32驱动的泵/马达48a和48b有能力提供50个单位的液压动力给马达/发电机46来移动机器10，并且蓄能器54有能力提供30个单位的液压动力给泵/马达52以移动机器10。（根据某些实施例，液压缸24、26和/或28可用于向泵/马达52供给液压动力，如本文前面所述。）因此，泵/马达48a和48b和蓄能器54具有总共20单位的多余的能力以满足所请求的机器10的移动。液压子系统控制62c为泵/马达48a和48b和蓄能器54确定各自的范围信号66—该信号表征了用于泵/马达48a和48b的0-50个单位的动力输出范围和用于蓄能器54的0-30个单位的动力，并确定用于泵/马达52使机器10移动的60个单位的请求信号66。液压子系统控制62c也确定用于泵/马达52的范围信号，如本文前面所述。此外，液压子系统控制62c为每个泵/马达48a和48b和蓄能器54确定请求信号66以提供60个单位的动力给泵/马达52。例如，液压子系统控制62c确定用于泵/马达48a和48b的请求信号66将是总共50个单位的动力，和用于蓄能器54（和/或液压致动器24、26和/或28）的请求信号66将是10个单位的动力，从而对应于所请求的用于运行泵/马达52以移动机器10的60个单位的液压动力。该请求信号66和范围信号68被供给至监管控制64。
在该示例中，监管控制64使用来自液压子系统控制62c的请求信号和范围信号66和68，以及来自发动机子系统控制62a和电气子系统控制62b的类似的信号，以确定用于控制机器10的发动机32和电气及液压装置的运行的控制信号。例如，如果不需要用于补充发动机32或电气子系统的液压动力，监管控制64可向液压子系统控制62c提供控制信号70，使得泵/马达48a和48b向泵/马达52供给例如50个单位的动力，并且蓄能器54向泵/马达52供给10个单位的动力，从而满足移动机器10所请求的60个单位。
然而，如果监管控制64确定电气子系统将受益于由液压子系统提供的动力，例如当该电气子系统不能通过本身提供足够的电力以满足电气子系统所请求的运行需求时，监管控制64可确定液压子系统可提供例如20个单位的动力以补充发动机32的运行。因此，为了满足用于补充发动机32的20个单位的动力需求和为了移动机器10请求的60个单位的动力需求，80个单位的动力可从来自泵/马达48a和48b和蓄能器54的总共80个单位的可用动力供给，使得供给60个单位用于移动机器10，并通过向发动机32供给动力来向电气子系统供给20个单位。
图4示出了用于在示例性的机器10中控制动力的方法的示例实施例的流程图。如图4所示，示例性的方法开始于步骤100，该步骤通过控制器58从例如操作者界面56接收表征电气及液压装置请求运行的请求信号66。在收到请求信号66后，在步骤110中，控制器58接收来自与发动机32和电气及液压装置的操作相关联的各种传感器的操作信号72。操作信号72表征例如发动机32和电气及液压装置的状态，并且可提供关于发动机32和各种装置的现有能力的信息，例如现有动力输出、能量储存的现有水平、现有动力消耗和供给或消耗动力的现有能力。
在收到请求信号66和操作信号72之后，在步骤120中，控制器58确定由机器10的发动机32和各种电气及液压装置供给或消耗的动力的水平。在该示例性方法中，所述确定是基于请求信号66、操作信号72和控制策略60做出的，所述控制策略60用于例如通过控制发动机32和电气及液压装置的运行而控制用于机器10的电力和液压动力。
根据前文所述的示例实施例，控制策略60包括用于控制发动机32的发动机子系统控制62a、用于控制机器10的电气装置的电气子系统控制62b和用于控制机器10的液压装置的液压子系统控制62c。示例性控制策略60还包括监管控制64，该监管控制在步骤130中提供用于基于请求信号66、操作信号72和从发动机子系统控制62a、电气子系统控制62b和液压子系统控制62c接收的信号控制发动机32和电气及液压装置的运行的控制信号70。子系统控制62提供表征与发动机32和电气及液压装置的运行相关联的可接受的动力水平范围（动力消耗或供给水平）的范围信号68。
根据该示例性方法，机器10中的动力可以以导致机器10具有期望的操作特性和提高的效率的方式来控制。特别地，发动机32和电气及液压装置可协调地运行，因此，它们有效地消耗机器10的动力以及向机器10供给动力，同时仍保持期望的操作特性。
上述示例性系统和方法包括电气及液压装置的组合以及电气及液压储存装置的组合。可以设想，本文所描述的系统和方法可以不包括电气装置及液压装置两者，或可不包括电气装置及液压储存装置两者。例如，该系统和方法可用于具有电气装置和蓄电装置的机器，或具有电气装置、蓄电装置和非液压装置（例如，非液压储存装置，例如非液压的机械储存装置如飞轮）的组合的机器。或者，所述系统和方法可用于具有液压装置和液压储存装置的机器，或具有液压装置、液压储存装置和非电气装置（例如，非蓄电装置、例如非电的机械储存装置如飞轮）的组合的机器。
工业实用性
示例性的机器10可用于执行作业。特别是，图1所示的示例性机器10是用于执行例如挖掘和/或装载物料的操作的挖掘机。虽然本文公开的示例性系统和方法是关于挖掘机进行描述的，但是所公开的系统和方法在其他机器如汽车、卡车、农用车、作业车、轮式装载机、推土机、装载机、履带式拖拉机、平地机、非公路用卡车或本领域技术人员已知的任何其他机器上也可适用。
用于控制机器10中的动力的示例性系统55可用于控制具有可作为动力供给者或消耗者中的任一者的电气及液压装置两者的机器中的动力。特别是，示例性系统55可以以提高机器效率的方式控制电气及液压装置的动力供给和消耗，同时保持机器的期望控制特性。电气及液压装置可包括电气及液压储存装置以及电气及液压致动器，例如，电马达、电动发电机、电马达/发电机、液压泵、液压马达、液压泵/马达和液压缸。
对本领域技术人员显而易见的是，能对所公开的示例性的系统、方法和机器进行各种修改和变型。通过考虑本公开的示例实施例的说明书和实践，其它实施例将对本领域技术人员显而易见。说明书和示例旨在仅被视为示例性的，而真正的范围由所附权利要求及其等效方案限定。

Claims (10)

1.一种用于控制机器（10）中的动力的系统（55），该系统包括：
控制器（58），该控制器构造成：
接收表征电气装置和液压装置中的至少一个装置所请求的操作的请求信号（66）；
从所述至少一个装置接收操作信号（72），所述操作信号表征该至少一个装置的状态；
基于所述请求信号、所述操作信号和一控制策略（60）确定由该至少一个装置提供或消耗的动力的水平，该控制策略用于为机器控制电力和液压动力中的至少一个；和
提供用于控制所述至少一个装置的操作的控制信号（70），
其中，所述控制策略包括子系统控制（62）和监管控制（64），
其中，所述子系统控制包括用于控制电气装置的操作的电气子系统控制（62b）和用于控制液压装置的操作的液压子系统控制（62c）中的至少一个，
其中，所述子系统控制构造成为电气装置和液压装置中的至少一个装置提供范围信号（68），该范围信号表征与该至少一个装置的操作相关联的可接受的电力水平的范围和可接受的液压动力水平的范围中的至少一个范围，以及
其中，所述监管控制构造成基于所述操作信号、所述范围信号和表征该至少一个装置所请求的操作的所述请求信号确定用于控制该至少一个装置的操作的控制信号。
2.根据权利要求1所述的系统（55），其中，所述机器包括构造成提供电力和消耗电力的电气装置以及构造成提供液压动力和消耗液压动力的液压装置，其中，所述控制器构造成：
接收表征电气装置和液压装置所请求的操作的请求信号；
从所述电气装置和液压装置接收操作信号，该操作信号表征所述电气装置和液压装置的状态；
基于所述请求信号、所述操作信号和用于为所述机器控制电力和液压动力的控制策略确定由电气装置和液压装置提供或消耗的动力的水平；和
提供用于控制所述电气装置和液压装置的操作的控制信号，
其中，所述控制策略包括子系统控制和监管控制，
其中，所述子系统控制包括用于控制电气装置的操作的电气子系统控制和用于控制液压装置的操作的液压子系统控制，
其中，所述子系统控制构造成为电气装置和液压装置提供范围信号，该范围信号表征与所述电气装置和液压装置的操作相关联的可接受的电力水平范围和可接受的液压动力水平范围，和
其中，所述监管控制构造成基于操作信号、范围信号和表征所述电气装置和液压装置所请求的操作的请求信号确定用于控制所述电气装置和液压装置的操作的控制信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述机器还包括内燃发动机（32），所述子系统控制包括发动机子系统控制（62a），其中，所述监管控制构造成基于操作信号、范围信号和表征所述电气装置和液压装置所请求的操作的请求信号确定用于控制内燃机的运行的控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电气装置包括马达/发电机（34），所述液压装置包括液压泵/马达（48a）。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器构造成控制从所述马达/发电机和所述液压泵/马达中的至少一个向内燃发动机的动力供给，其中，所述控制器构造成控制从内燃发动机向所述马达/发电机和所述液压泵/马达中的至少一个的机械动力供给。
6.根据权利要求2所述的系统，还包括电气子系统和液压子系统，其中，所述电气子系统包括多个电气装置，所述液压子系统包括多个液压装置，其中，与电气装置相关联的范围信号是基于电气装置本身或基于电气装置在电气子系统内的操作的，其中，与液压装置相关联的范围信号是基于液压装置本身或基于液压装置在液压子系统内的操作的。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电气装置包括蓄电装置（42），其中，所述电气子系统控制构造成提供与蓄电装置相关联的请求信号，其中，所述液压装置包括蓄能器（54），其中，所述液压子系统控制构造成提供与所述蓄能器相关联的请求信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电气装置包括构造成在加速期间消耗从机器接收的电力并在减速期间向机器提供电力的马达/发电机，其中，控制器构造成控制由马达/发电机消耗的从电池、超级电容和第二马达/发电机中的至少一个接收的电力供给，其中，控制器构造成控制由马达/发电机提供给电池、超级电容和第二马达/发电机中的至少一个的电力以用于储存或辅助第二马达/发电机的操作。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述液压装置包括蓄能器、液压缸和液压泵/马达中的至少一个，其中，所述控制器构造成控制由液压泵/马达消耗的从蓄能器、液压缸和第二液压泵/马达中的至少一个接收的液压动力的供给，其中，所述控制器构造成控制由泵/马达提供给蓄能器、液压缸和第二泵/马达中的至少一个的液压动力，以用于储存、用于辅助液压缸的操作或用于辅助第二泵/马达的操作。
10.一种机器，包括：
底盘（12）;
操作者界面（56），用于控制所述机器的操作；
联接至所述底盘的电气装置；
联接至所述底盘的液压装置；以及
根据权利要求1至9中任一项所述的用于控制机器中的动力的系统，其中，所述机器还包括：
可转动地安装在底盘上的驾驶室（16）；
可枢转地联接至所述驾驶室的悬臂（18）；
可枢转地联接至所述悬臂的杆部（20）；和
可枢转地联接至所述杆部的机具（22），
其中，所述电气装置包括联接至所述驾驶室和底盘以用于使驾驶室相对于底盘转动的马达/发电机，
其中，所述液压装置包括多个液压装置，这些液压装置包括：
第一液压缸（24），它联接至所述驾驶室和悬臂，以用于相对于驾驶室枢转地移动悬臂，
第二液压缸（26），它联接至所述悬臂和杆部，以用于相对于悬臂枢转地移动杆部，和
第三液压缸（28），它联接至所述杆部和机具，以用于相对于所述杆部枢转地移动所述机具。
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