CN104184119B - 从电池至地面有短路的管理转向 - Google Patents

Abstract

本发明公开从电池至地面有短路的管理转向。具体地，提供了一种用于转向系统的冗余系统，该转向系统具有主控制器和主电源。冗余系统可包括联接至次电源并构造为管理转向系统控制的次控制器、以及布置在至少第一节点和第二节点之间的接口电路。第一节点可与主电源电连通，而第二节点可与次电源电连通。接口电路可构造为选择性地接合主电源和次电源的自检测、将第一节点处的短路与次电源隔离、以及将第二节点处的短路与主电源隔离。

Description

从电池至地面有短路的管理转向

技术领域

本发明总体涉及转向系统，并且更具体地，涉及用于提供转向系统冗余控制的系统和方法。

背景技术

转向系统普遍应用于各种不同领域，以向操作者提供对于车辆、机器等的方向控制。随着技术的不断发展，逐渐增多的转向系统被实现为电气装置，诸如电动液压转向系统或线控转向系统，其将操作者的输入转换为车辆或机器内的机械或方向变化。然而，由于这些系统依靠连续供应的电能，诸如电池、发电机等，对电源的任意明显中断可能限制操作者对车辆或机器进行控制或转向的能力，或使操作者完全失去对车辆或机器进行控制或转向的能力。

当主电源中存在短路时，会出现已知的电气故障。例如在依靠电池的系统中，连接至电池正极端子的导线可能短路或与地面或地线接触。主电源的这种短路能够停止向连接至此的所有电器元件的电供给，包括其中负责管理转向系统操作的相关联的电子控制器或电子控制模块(ECM)。在故障被修复之前，在没有操作ECM并且没有完全运行转向系统的情况下，操作者不能将车辆或机器转向至更方便或更安全的位置。

对短路问题的解决方案之一是使用受保护的电池导线，该受保护的电池导线构造为提供对潜在导致短路状况的磨损的早期指示。受保护的电池导线为电池导线提供额外的绝缘保护层、以及响应于导线保护层中任意显著磨损而变化的通过电池导线的导电率。当导线或导线保护层磨损或者如果存在潜在的短路状况时，受保护的电池导线可构造为使得其导电率的相应变化触发设计为向操作者警示该状况的可视和/或可听的指示器。

虽然采用受保护的电池导线的系统提供一定级别的保护和预警，但该系统仍然不能在严重的短路状况和/或导线完全或部分切断的状况之前足够可靠地提供警示。上述的保护装置还缺少当机器启动时自动自检测、或用于确保转向系统正常运行的任何其他比较装置、以及用于该保护装置的任意冗余或保护措施。此外，存在降低实施成本的要求。本发明涉及解决上述需求中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种方法，该方法使用第一控制器和第二控制器中的一个提供转向系统的冗余控制。该方法可在转向系统的至少第一节点和第二节点之间设置有接口电路，其中所述第一节点以电力方式布置在主电源和所述第一控制器之间，而所述第二节点可以电力方式布置在次电源和所述第二控制器之间。该方法进一步包括：当机器启动时，自动接合所述主电源和所述次电源的自检测；响应于所述第一节点处的短路，接合接口电路以将短路与所述次电源隔离，并接合所述第二控制器以操作所述转向系统；以及响应于所述第二节点处的短路，接合接口电路以将短路与所述主电源隔离，并使所述第一控制器能够操作所述转向系统。

根据本发明的另一方面，提供一种用于具有主控制器和主电源的转向系统的冗余系统。所述冗余系统可包括：次控制器，其联接至次电源并构造为管理所述转向系统的控制；以及接口电路，其布置在至少第一节点和第二节点之间。所述第一节点可与所述主电源电连通，并且所述第二节点可与所述次电源电连通。所述接口电路可构造为选择性地接合所述主电源和所述次电源的自检测、将所述第一节点处的短路与所述次电源隔离、以及将所述第二节点处的短路与所述主电源隔离。

根据本发明的另一方面，提供一种控制系统。该控制系统可包括：主电源，其连通与所述控制系统相关联的公共总线；次电源，其与所述公共总线选择性地连通；第一控制器，其与所述公共总线的第一节点连通，构造为管理转向系统的控制；第二控制器，其与所述公共总线的第二节点连通，构造为管理转向系统的控制；以及接口电路，其布置在所述第一节点和所述第二节点之间。所述接口电路可包括构造为将所述第一节点处的短路与所述次电源隔离的闭锁装置、构造为将所述第二节点处的短路与所述主电源隔离的熔线、以及构造为选择性地接合所述主电源和所述次电源的自检测的自检测元件。

附图说明

图1是采用转向系统的一种机器的概略图，该转向系统由根据本发明教导构造的冗余控制系统进行控制；

图2是冗余控制系统的一个示例实施例的示意图；

图3是提供转向系统的冗余控制的一个示例方法的概略图；

图4是在节点1处存在短路的图2的冗余控制系统的示意图；以及

图5是在节点2处存在短路的图2的冗余控制系统的示意图。

具体实施方式

现在将具体参照特定实施例或特征，附图中示出这些实施例或特征的实例。一般而言，在所有附图中，相应的附图标记用于代表相同或相应的部件。

参照图1，示出例如机动平地机形式的机器100的一个示例实施例。可以理解，虽然示出为机动平地机，机器100可替代地包括以下任意机器或车辆，该机器或车辆为可转向的并执行与如下产业相关联的某些类型的操作，诸如采矿、建筑、耕种、运输或该领域中已知的任意其它产业。例如，机器100可以为轮式装载机、拖拉机、诸如卡车等的运输车辆等。可以理解，本文提出的各种机构的代表为广义的，并且意味着包含用于将操作者的命令(包括例如对操纵杆的操作)转达给机器的所有可能的机构或装置。

如所示出的，机器100一般可包括用于与机器100相关联的转向机构或转向系统104的控制系统102。基于并根据机器100的操作者提供的输入，转向系统104可管理机器100的转向功能的操作。例如通过使用一个或多个操纵杆、一个或多个转向轮、或能够使操作者转向和/或操作机器100的任意其他适当装置，可提供转向输入。响应于通过电子界面、控制器等远程或异地提供的转向输入，转向系统104可替代地或额外地可转向并操作机器100。此外，转向系统104可完全地或至少部分地实现为用于对机器100进行转向的电子机构，诸如电子液压转向系统或线控转向系统，其将操作者的机械和/或电子输入转换为机器100中的机械或方向变化。

仍然参照图1，控制系统102还可使用尤其是例如第一控制器106、主电源108、第二控制器110、次电源112、接口电路114向转向系统104提供冗余度。一般而言，第一控制器106和第二控制器110通常可由机器100的交流发电机供电，并且在故障状况期间，第一控制器106和第二控制器110可选择性地由控制系统102的主电源108和次电源112之一供电。第一控制器106和第二控制器110中的每一个可构造为根据一个或多个预定算法单独操作，一个或多个预定算法其中能够使第一控制器106和第二控制器110中的任意一个至少暂时地管理对相关转向系统104的控制。例如，第一控制器106和第二控制器110中的每一个可实施为使用处理器、微处理器、微控制器、电子控制模块(ECM)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、电控单元(ECU)、或用于管理与机器100相关联的转向系统104操作的任意其他适当装置中的一个或多个。此外，图1中主电源108和次电源112中的每一个可采用诸如电池等各种已知电源或能量存储装置中的任意一个或多个，其能够根据需要选择性地向第一控制器106和第二控制器110中相应的一个供应直流(DC)电。

如图1所示，接口电路114一般可电连通地布置在至少第一控制器106和第二控制器110之间，并构造为适当地隔离沿互连电源108、112和控制器106、110的线路可发生的任意短路状况。如图2所示，例如第一控制器106可经第一节点116电联接至示出为串联电池的主电源108，而第二控制器110可经第二节点118电联接至也示出为串联电池的次电源112。更具体地，第一节点116可沿在第一控制器106与主电源108的正极端子122之间延伸的公共总线120的任意位置设置，而第二节点118可沿在第二控制器110与次电源112的正极端子124之间的任意点设置。此外，如所示出的，接口电路114可电联接在第一节点116和第二节点118之间。

虽然其他替代实施例也是可能的，图2的接口电路114的实施可采用相对于彼此串联并布置在第一节点116和第二节点118之间的至少一个熔线126和至少一个闭锁装置128。熔线126可采用保险丝、断路器、或适合于在过电流通过的状态下切断或打开第一节点116和第二节点118之间的电连接的任何其他已知电气装置或构件。闭锁装置128可采用保险丝、二极管、晶体管、开关、断路器、或适合于限制通过的电流从第二节点118流向第一节点116的任何其他已知电气装置或构件。如所示出的，控制系统102还可采用布置在例如第一节点116与第一控制器106之间以及在第二节点118与第二控制器110之间的一个或多个保护元件130、132。保护元件130、132可实施为例如断路器、开关、保险丝、或适合于从短路状况、过流状况、或其他电气故障状况自动建立开路并保护控制系统102元件的任何其他适当装置。在进一步的变型中，保护元件130、132中的每一个可构造为具有电流极限，其接近熔线126的电流极限。

其中，图2的控制系统102可联接至与机器100相关联的交流发电机134和启动器机构136。如在该领域中普遍使用的，交流发电机134可用于将来自机器100的原动机(诸如发电机等)的机械或旋转输入转换为直流电压，其可供至与公共总线120相连接的任意种类的负载。在正常操作条件下，例如来自交流发电机134并经过公共总线120的能源可供至第一控制器106和第二控制器110中的任意控制器，从而能够实现对至少转向系统104的正确控制。在特殊故障状况下，或者当交流发电机134不能向第一控制器106和第二控制器110中的任意一个或多个供应直流电时，可依靠主电源108和次电源112经过公共总线120向适当的控制器106、110供应所需直流电压。启动器机构136可包括启动器电机、或用于最初向其中的机器100、控制系统102、和转向系统104供电的任何其他合适装置。

此外，如所示出的，图2的接口电路114还可包括例如以电力方式布置于第一节点116和第二节点118之间的自检测元件138。自检测元件138可用于确保冗余控制系统102的正常功能，并预先检测或诊断其中的任何故障状况。更具体地，自检测元件138可使控制器106、110能够评估主电源108和次电源112中每一个的状态，并确定在发生短路或相关故障状况时电源108、112正常运行和支持控制系统102的能力。自检测元件138可采用继电器、开关、或者在至少断路状态和通路状态之间选择性接合的任何其他电控元件中的一个或多个。自检测元件138可例如响应于用户输入手动接合、和/或例如在每次启动时或按周期循环的方式自动接合。自检测元件138的接合方式可在第一和第二控制器106、110、或与机器100相关联的任何其他控制单元中的一个或多个中预编程。特别地，控制器106、110可构造为当机器启动时或发动机启动之后接合自检测元件138使其电气断路，以隔离电源108、112，并确定其电压是否满足例如在故障状况下适当维持例如控制器106、110所需的最小量。图中未讨论或披露的其他特征对该领域技术人员是明显的，并且不偏离所附权利要求的范围。

现在参照图3，提供一种示例性方法200，通过该示例性方法200可操作图2的控制系统102。在步骤200-1中，方法200可设置例如如图2所示的接口电路114，其以电力方式布置于控制系统102的至少第一节点116和第二节点118之间，其中，第一节点16布置在第一控制器106和主电源108之间，而第二节点118布置在第二控制器110和次电源112之间。首先，如果确定机器100处于启动状态或在发动机启动之后，控制系统102可构造为在步骤200-2中接合自检测。更具体地，一旦机器100启动，控制器106、110或任何其他相关联的控制单元中的一个或多个可构造为例如自动接合图2的自检测元件138，以产生跨越此处的断路。通过这样操作，控制系统102能够在步骤200-3中充分地隔离和诊断主电源108和次电源112中的每一个。如果经过电源108、112中任意一个供应的直流电压被检测为小于在故障状况中维持控制器106、108所需的最小总线电压，在步骤200-4中触发错误或适当警告指示该缺陷。然而，如果经过两个电源108、112所供应的直流电压都满足或超过最小总线电压，控制系统102可前进至步骤200-5中的保持正常操作状况。在其他替代实例中，自检测可基于其他标准、诸如基于预定时间限制的终止或基于内部计数器等而自动接合。在其他一些变型中，自检测也可响应于用户输入而手动接合。

仍然参照图3，在确定故障状态之前，控制系统102和接口电路114可继续保持步骤200-5中的正常操作状况。如果检测到诸如主电源108或次电源112中任意电源短路等故障状况，控制系统102可前进至步骤200-6和步骤200-7中任意一个，以相应地响应。具体而言，如果短路状况出现为与第一节点116相关联，在步骤200-6中，接口电路114可构造为将短路与第二节点118、第二控制器110以及次电源112隔离。例如如图4所示，如果在主电源108的正极端子122和地面之间于第一节点116处存在短路202，第一节点116处的电压及供至第一控制器106的电压可降为零。虽然这会与冗余装置或次电源112的较高电压输出产生电势差，但可通过二极管或闭锁装置128防止电流从次电源112流向第一节点116，从而将短路202与第二控制器110和次电源112相隔离。此外，由于独立于第一控制器106操作的第二控制器110与短路202相隔离，并且由于由次电源112向其供给的电力大致保持不受干扰，在步骤200-7中可接合第二控制器110，以保持转向系统102的正常操作。

相比较，如果短路状况出现为与第二节点118相关联，在步骤200-8中，接口电路114可构造为将短路与第一节点116、第一控制器106和第一电源108相隔离。例如如图5所示，如果在次电源112的正极端子124和地面之间于第二节点118处存在短路202，第二节点118处的电压及供至第二控制器110的电压可降为零。该短路202不仅不能使第二控制器110进行任何操作，而且可与第一节点116和公共总线120产生电势差。然而，通过熔线126可防止电流从公共总线120流向第二节点118。例如，如果经过此处的电流超过预定电流极限，熔线126可用作保险丝，其构造为切断或建立第一节点116和第二节点118之间的断路。此外，可基于预期的第二节点118处的短路状况的电流等级来选择预定电流极限。一旦由熔线126产生断路，短路202可与公共总线120隔离，或者更特别地，与第一控制器106、主电源108、交流发电机134隔离。此外，由在正常操作状况下的交流发电机134或者在故障状况下的主电源108中的任意一个供至第一控制器106的电力可保持基本不受第二节点118处的短路202干扰。因此，在步骤200-9中可接合第一控制器106以保持转向系统102的正常操作。

工业实用性

一般而言，上述发明可应用于涉及车辆、机器等的控制系统的各种应用中。具体而言，本发明的系统和方法可用于对控制车辆和机器的转向系统提供成本更低、更高效且更可靠的冗余装置和保护机构，这些车辆和机器诸如机动平地机、轮式装载机、拖拉机、运输车辆、以及在采矿、建筑、耕种、运输等产业中普遍使用的其他机器。

具体地，本发明使得转向系统具有冗余装置，其不受电池接线端处短路状况的干扰，而是至少能够暂时地继续操作者对采用电力液压转向系统或线控转向系统的车辆或机器的控制。此外，结合关于短路状况的警告或其他通知，本发明能够使操作者能够将车辆或机器操控或进一步转向至更方便的位置或定位，直到能够进行适当修理。

根据上文，可以理解，虽然为了图示的目的仅提出某些实施例，但根据上述描述的替换和变型对该领域技术人员是明显的。这些和其他替换被认为是等同的并包含在本发明和所附权利要求的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种使用第一控制器和第二控制器中的一个来提供转向系统的冗余控制的方法，所述方法包括如下步骤：

在所述转向系统的至少第一节点和第二节点之间设置接口电路，所述第一节点以电力方式布置在主电源和所述第一控制器之间，所述第二节点以电力方式布置在次电源和所述第二控制器之间；

当机器启动时，自动接合所述主电源和所述次电源的自检测；

响应于所述第一节点处的短路，接合接口电路以将短路与所述次电源隔离，并接合所述第二控制器以操作所述转向系统；以及

响应于所述第二节点处的短路，接合接口电路以将短路与所述主电源隔离，并使所述第一控制器能够操作所述转向系统。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接口电路包括一个或多个自检测元件，其为可电子激励的，用于接合所述自检测。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述自检测元件包括继电器和开关中的一个或多个，其能够在断路状态和通路状态之间电子接合，当所述机器启动时所述自检测元件自动接合为断路状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接口电路至少包括熔线，该熔线能够防止来自所述主电源的电流通过所述第二节点处的短路耗散，并且能够使所述第一控制器保持所述转向系统的操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接口电路至少包括闭锁装置，该闭锁装置能够防止来自所述次电源的电流通过所述第一节点处的短路耗散，并能够使所述第二控制器操作所述转向系统。

6.一种用于具有主控制器和主电源的转向系统的冗余系统，所述冗余系统包括:

次控制器，其联接至次电源并能够管理所述转向系统的控制；以及

接口电路，其布置在至少第一节点和第二节点之间，所述第一节点与所述主电源电连通，所述第二节点与所述次电源电连通，所述接口电路能够选择性地接合所述主电源和所述次电源的自检测、将所述第一节点处的短路与所述次电源隔离、并将所述第二节点处的短路与所述主电源隔离。

7.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，所述自检测元件采用继电器和开关中的一个或多个，并能够在断路状态和通路状态之间电子接合。

8.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，当机器启动时，所述自检测元件被自动接合为断路状态，以诊断所述主电源和所述次电源中的任何缺陷。

9.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，所述主电源和所述次电源中的每一个包括一个或多个电池，其能够向在所述第一节点和所述第二节点之间延伸的公共总线供应直流电(DC)。

10.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，所述接口电路至少包括采用保险丝和断路器中的一个或多个的熔线，其能够防止来自所述主电源的电流通过所述第二节点处的短路耗散。

11.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，所述接口电路至少包括采用保险丝、二极管、晶体管、开关和断路器中的一个或多个的闭锁装置，其能够防止来自所述次电源的电流通过所述第一节点处的短路耗散。

12.根据权利要求6所述的冗余系统，其中，第一保护元件布置在所述主电源和所述主控制器之间，第二保护元件布置在所述次电源和所述次控制器之间，所述第一保护元件和所述第二保护元件中的每一个具有的电流极限接近布置在所述第一节点和所述第二节点之间的所述接口电路的熔线的电流极限。

13.一种控制系统，包括:

主电源，其连通与所述控制系统相联的公共总线；

次电源，其与所述公共总线选择性地连通；

第一控制器，其与所述公共总线的第一节点连通，能够管理转向系统的控制；

第二控制器，其与所述公共总线的第二节点连通，能够管理转向系统的控制；以及

接口电路，其布置在所述第一节点和所述第二节点之间，所述接口电路具有能够将所述第一节点处的短路与所述次电源隔离的闭锁装置、能够将所述第二节点处的短路与所述主电源隔离的熔线、以及能够选择性地接合所述主电源和所述次电源的自检测的自检测元件。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述自检测元件采用继电器和开关中的一个或多个，并且能够在断路状态和通路状态之间电子接合。

15.根据权利要求13所述的控制系统，其中，当机器启动时所述自检测元件自动接合为断路状态，以诊断所述主电源和所述次电源中的任何缺陷。

16.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述主电源和所述次电源中的每一个包括向所述公共总线供应直流电(DC)的一个或多个电池，所述第一节点与所述主电源的电池正极端子连通，并且所述第二节点与所述次电源的电池正极端子连通。

17.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述熔线采用保险丝和断路器中的一个或多个，并且能够防止来自所述主电源的电流通过所述第二节点处的短路耗散。

18.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述闭锁装置采用保险丝、二极管、晶体管、开关和断路器中的一个或多个，并能够防止来自所述次电源的电流通过所述第一节点处的短路耗散。

19.根据权利要求13所述的控制系统，其中，第一保护元件布置在所述主电源和所述第一控制器之间，第二保护元件布置在所述次电源和所述第二控制器之间，所述第一保护元件和所述第二保护元件中的每一个具有的电流极限接近所述熔线的电流极限。

20.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述公共总线与能够在正常操作状况下向总线供应电压的交流发电机电连通。