CN104249623B - 用于电驱动机器的减速系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电驱动机器的减速系统。该减速系统包括电减速系统和液压制动系统。单个踏板控制电减速系统和液压制动系统两者。该踏板包括向电减速系统提供输入的第一行程范围和附加控制液压制动系统的第二行程范围。该踏板还包括所述两个行程范围中的每一个行程范围内与向电减速系统和液压制动系统提供输入对应的不同行程阻力。

Description

用于电驱动机器的减速系统
技术领域
本发明总体上涉及制动系统，且更具体地涉及结合电减速和摩擦制动以使机器减速的制动系统和方法。
背景技术
制动系统在各种各样的机器和车辆中用于控制、减慢和停止机器。示例性机器包括乘用车、火车、自卸车和矿用车。机器越来越多地使用电驱动系统来为机器提供推进。例如，乘用车可使用混合动力驱动系统，其中使用传统汽油动力发动机和电动机两者来为车辆提供推进。机器如火车头和野外车辆可使用柴油动力发动机来驱动向电机提供电力的发电机。电机然后为机器提供推进。
制动系统可利用电驱动系统中的构件来为机器提供制动。例如，混合动力乘用车可包括再生制动系统，其中在对车辆中的电池充电的同时通过电驱动系统来使车辆减速。火车头使用动态减速装置来使火车减速。尽管已使用采用电驱动系统的制动系统，但这些系统无法停止快速地高速行驶的机器，而且这些系统也无法一致地减慢下坡行驶或在打滑状态下行驶的重负荷机器。
一些现有系统包括使操作者能通过手动选择减速级别来控制地面速度的手动减速杆或基于操作者的机器速度设定而自动控制机器速度的自动减速控制。手动或自动减速装置可控制电减速系统。另外，操作者可控制传统制动踏板以致动液压制动器。这样，操作者能手动控制动态减速装置和液压制动器两者。然而，该构型可能使操作者难以有效地控制。例如，如果速度设定杆被设定得高，则操作者可能必须较多地依赖于行车制动器。在大型、重负荷机器中，这可能引起行车制动器过热。此外，如果行车制动器用于连续减速，则机器上可能发生过度的行车制动器磨损。
2009年7月16日授予Ikeda等人、题为“BRAKE SYSTEM IN ELECTRIC DRIVE DUMPTRUCK”的美国专利No.2009/0179486公开了具有通过制动踏板操作的液压制动器和发电机型减速装置的电驱动自卸车中的制动系统。然而，Ikeda的文献并未公开当制动系统在液压功能与减速装置功能之间过渡时如何向自卸车的操作者提供反馈。Ikeda的文献也未说明当减速装置不可用时制动系统如何管理液压制动与减速装置操作之间的过渡。
发明内容
在本发明的一个方面，公开了一种用于具有电驱动系统的机器的减速系统，电驱动系统用于驱动一组后轮。该减速系统包括与电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩的电减速系统、配置成响应于所请求的制动转矩而向一组车轮提供制动转矩的液压制动系统、具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围的制动踏板以及配置成向减速系统提供与总行程范围成比例的输出的编码器。第一行程范围与第一行程阻力相关并配置成响应于输出而提供所请求的减速转矩，而第二行程范围与第二行程阻力相关并配置成响应于输出而提供所请求的制动转矩和所请求的减速转矩。
在本发明的另一方面，公开了一种用于减速机器的方法，所述机器具有驱动一组后轮的电驱动系统、与电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩的电减速系统、配置成向一组车轮提供制动转矩的液压制动系统。该方法包括接收来自具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围的制动踏板的输出、响应于与第一行程阻力相关的第一行程范围对应的输出而提供减速转矩以及响应于与第二行程阻力相关的第二行程范围对应的输出而提供制动转矩和所请求的减速转矩。
在本发明的另一方面，公开了一种用于向两个不同的机器减速系统提供输入的踏板。该踏板包括基部、枢转地安装至基部并具有总行程范围的踏板部、配置成提供与基部和踏板部之间的角度对应的电信号的编码器、可操作地连接在基部与踏板部之间并具有第一弹簧常数的第一弹簧以及在总行程范围的一部分上可操作地连接在基部与踏板之间并具有第二弹簧常数的第二弹簧。
附图说明
图1是与本发明的电驱动系统的概略图；
图2是与本发明的减速系统的概略图；
图3是与本发明的减速踏板的概略图；
图4是示出根据本发明的减速系统的功能的图示；
图5是示出根据本发明的错误编码器输出的图示；
图6是示出根据本发明的转矩间隙的图示；
图7是示出根据本发明的混合制动转矩的图示；以及
图8是示出根据本发明的用于实施混合制动转矩的流程图。
具体实施方式
参照附图，图1示出包括用于机器的电减速系统的示例性电驱动系统的示意图。该示例性电驱动系统包括发动机100。合适的发动机包括汽油动力和柴油动力的内燃发动机。当处于驱动构型时，发动机100驱动发电机102。发电机102产生三相交流电。该三相交流电经过整流器104，该整流器104将交流电变换为直流电。逆变器106将直流电以变换频率变换为馈送电机108的交流电。通过控制由逆变器106产生的电流的频率，来控制电机108的速度。电机108产生驱动驱动轮110的转矩。
在本发明的一个替换示例中，不需要发动机且电机108由诸如电池的电源直接驱动。在本发明的一些示例中，一个电机驱动所有驱动轮。在本发明的替换示例中，使用各种数量的电机来驱动驱动轮。例如，每个驱动轮都可具有各自的与车轮相关的电机。
当在电制动(也称为电减速)构型下操作时，驱动轮110驱动电机108。驱动电机108对驱动轮110施加转矩并使它们减速，从而使机器制动。电机108产生交流电。逆变器106将交流电变换为直流电并将该电流馈送到用作直流-直流变换器的限制器112和栅极电阻器114。由电机108产生的电力因此由栅极电阻器114通过热消散。然而，在本发明的一个替换示例中，由电机108产生的电力被储存以便今后使用。在本发明的一个示例中，由电机108产生的电力被储存在电池中。电池中的能量随后能在驱动模式下被用于驱动电机108和推进机器。
该制动系统以两种模式操作。在第一模式下，电减速系统130供给减速转矩240。在第二模式下，该电减速系统供给最大减速转矩240，而液压制动系统142提供制动转矩250。
来看图2，示出了框图，该框图示出用于包括液压制动系统142和电减速系统130的机器的制动系统。在本发明的一个示例中，用户界面116允许机器的操作者在显示器118上查看与制动系统有关的状态信息。所显示的信息可包括电减速能力是否已被超过。另外，与前制动器启动选择是否被设定有关的状态信息、自动减速设定和手动减速设定可被显示在显示器118上。
速度传感器122可操作地连接以接收与机器10的地面速度有关的信息。速度传感器122可连接到电机180、前轮138或后轮140。速度传感器122可连接到动力传动系ECM126或制动器ECM132。
用户界面116包括手动和自动减速装置界面120。用户界面116与控制器124交互。控制器124可包括一个或多个控制模块。在所示的本发明的示例中，使用两个电子控制模块(ECM)来实施控制器124。动力传动系统ECM126控制动力传动系统128中的元件。动力传动系统128包括发动机100、发电机102、整流器104、逆变器106、电机108和限制器112。当使机器制动时，电减速系统130包括整流器104、逆变器106、电机108以及限制器112和栅极电阻器114。在电减速模式下，动力传动系统ECM126命令电减速系统130提供所请求的期望机器减速转矩和各组车轮之间的减速转矩分割比率。因此，动力传动系统ECM126可命令机器在例如一组前轮与一组后轮之间施加适合的转矩分割比率。
在本发明的一个示例中，动力传动系统ECM126从制动器ECM132接收指示前制动器减速启动开关122状态、手动减速装置转矩设定和自动减速装置转矩设定的信号。基于这些信号，动力传动系统ECM126计算要向机器施加的期望机器减速转矩。动力传动系统ECM126向制动器ECM132提供指示期望机器减速转矩和所请求的电减速转矩的信号。制动器ECM基于这些信号而判定所请求的电减速转矩是否足以提供全部期望的机器减速转矩。如果需要附加制动来满足期望的机器减速转矩，则制动器ECM从前摩擦制动系统134和后摩擦制动系统136请求一定比例的附加制动转矩。前摩擦制动系统134连接到一组前轮138且后摩擦制动系统136连接到一组后轮140。在本发明的一个示例中，前摩擦制动系统134和后摩擦制动系统136是液压制动系统142的一部分。在本发明的一个示例中，该液压制动系统包括用于控制流向前摩擦制动系统134的液压流体的流量的前制动电磁阀144。同样，后制动电磁阀146控制流向后摩擦制动系统136的液压流体的压力。前摩擦制动系统134和后摩擦制动系统136均可包括施加液压力以致动所述制动器的液压制动活塞148。
在本发明的另一示例中，单个制动电磁阀可控制前、后摩擦制动系统134、136两者。在本发明的又一示例中，可仅存在后制动电磁阀146。
来看图3，制动踏板150包括枢转地安装在基部160上的踏板部170。踏板部170被设计成在被操作者的脚踏下时枢转。踏下程度由编码器180测量。编码器180构造成通过向ECM如制动器ECM132发送电信号来指示角位置。制动器ECM132测量该电信号，并将它与某些参数比较以确定其有效性，然后与其它参数比较以计算所测量出的角位置。编码器180可属于光学型。各种这样的编码器180在本领域中是公知的。编码器180的输出可以是如本领域中公知的脉宽调制(PWM)信号。该输出可以表达为输出信号的工作周期的从0至100％的百分比。在本发明的一个替换方案中，可包括第二编码182以用于冗余。第二编码器182可与第一编码器180相同。第二编码器182也与ECM如制动器ECM132电连接。
踏板部170由于其在基部160上枢转而具有总行程范围210。总行程范围210被分为第一行程范围220和第二行程范围230。踏板部170与基部160之间的枢转在于第一行程范围220内枢转时由来自第一弹簧190的力抵抗，而在于第二行程范围230内枢转时由来自附加的第二弹簧200的力抵抗。第一弹簧190可操作地位于踏板部170与基部160之间。由第一弹簧190提供的力的变化的特征在于其弹簧常数k1并遵守胡克定律ΔF1＝k1*Δx，其中Δx是基部160与踏板部170之间的距离在踏板部170枢转时的变化。由第二弹簧200提供的力的变化的特征同样在于ΔF2＝k2*Δx。因此，当踏板部170在第二行程范围230内枢转时阻力的变化由ΔF1+ΔF2决定。
来看图4，可见可向第一弹簧190或第二弹簧200施加预置载荷。该预置载荷可利用在弹簧190、200通过枢转而被压缩之前提供弹簧190、200的一定程度的压缩的装置来实现。例如，第一弹簧190的长度可大于踏板部170与基部160之间的距离。可限制踏板部170与基部160之间的枢转角度以实现预置载荷。第二弹簧200上的预置载荷可通过在第二弹簧200上采用机械止挡部202来实现。止挡部202构造成停止柱塞204的移动，由此在第二弹簧200上提供预置载荷。
工业适用性
制动踏板150被设计成向机器10的操作者20指示减速系统50何时在提供减速转矩240的模式与提供制动转矩250的模式之间过渡。制动踏板150在第二行程范围230上提供比在第一行程范围内大的行程阻力。该较高的行程阻力足够大以被操作者20注意到。该较高的行程阻力通过增加第二弹簧200的弹簧刚度来提供。图4示出踏板部170与基部160之间在水平轴线上的角位移或枢转。上部图示上的竖直轴线示出由操作者20提供以使踏板部170枢转的力。下部图示上的竖直轴线以百分比示出编码器180输出。当踏板部170正在第一行程范围220内枢转时，行程阻力遵循斜率k1。在第一行程范围220内，减速系统50被命令提供减速转矩240。当踏板部170正在第二行程范围230内枢转时，行程阻力遵循斜率k1+k2。在第二行程范围230内，减速系统50被命令提供制动转矩250。在第一行程范围220与第二行程范围230之间的过渡期间两个弹簧刚度之差足以被使用制动踏板150的操作者20注意到。
在本发明的一个示例中，第一行程范围220与第二行程范围230之间的过渡还可包括在踏板部170将在第二行程范围230内枢转之前必须被克服的预置载荷。参照图4。克服该预置载荷所需的力可介于使踏板部170枢转通过第二行程范围230所需的全部力的10％到50％之间。克服该预置载荷所需的力可向操作者20提供踏板部170正在过渡到第二行程范围230且减速系统50正在进入提供制动转矩250的模式的附加指示。可使用50到100N之间的预置载荷。
在本发明的另一示例中，第一行程范围220可包括在踏板部170将在第一行程范围220内枢转之前必须被克服的预置载荷。参照图4。克服该预置载荷所需的力可介于使踏板部170枢转通过第一行程范围220所需的全部力的10％到50％之间。
在本发明的另一示例中，可在第二行程范围230的起点设置死区范围300，在该死区范围内不命令制动转矩250。死区(dead band)范围300防止操作者20在踏板部170正在第一行程范围220与第二行程范围230之间过渡时非故意地命令制动转矩250。
在本发明的一个示例中，编码器180和第二编码器182两者都连接到ECM，例如制动器ECM132。第二编码器182提供信号冗余，以使得制动器ECM132始终接收指示踏板部170与基部160之间所感测出的角位置的至少一个有效信号。制动器ECM132可使用两个信号来指示所感测到的角位置。替换地，在通常状态下可使用来自编码器180的信号。如果判断来自编码器180的信号错误，则制动器ECM132随后可切换为来自第二编码器182的信号。该错误可如本领域中公知的那样来判断。如图5所示，如果判断信号错误，则制动器ECM132将使用其它有效信号来指示所感测出的角位置。如果检测出错误编码器输出，则制动器ECM132可向动力传动系统ECM126发送错误信号。动力传动系统ECM126可发出声音警报和/或在显示器118上显示错误消息或图标。类似地，如果未判断来自编码器180和182的信号错误，但却不一致，则可采取多种措施。例如，制动器ECM132可根据情况切换为最小信号或最大信号。
在本发明的另一方面中，制动器ECM132构造成，如果在电减速系统130检测出故障，则在总行程范围210内始终使用液压制动系统142来提供制动转矩250。例如，如果在栅极电阻器114、电机108或动力传动系统128中检测到接地故障或开路，则动力传动系统ECM126可向制动器ECM132发送故障信号。制动器ECM132然后可使用液压制动系统142来为总行程范围210内的任何踏板位置提供制动转矩250。在检测到电减速系统130中的故障时，动力传动系统ECM126可发出声音警报和/或在显示器118上显示错误消息或图标。
在低速下，电减速系统130难以提供充分的减速转矩240以减慢或停止机器10。图6示出减速转矩240如何在减速阈值的下方下降到零。在以前的系统中，减速系统50然后可与将提供制动转矩250以使机器10减速或停止的液压制动系统142接合。图6示出水平轴线上的车速(从左至右降低)和竖直轴线上的转矩的图示。如图6所示，现有技术系统将产生减速转矩240与制动转矩250之间的转矩间隙。该间隙部分由于液压制动系统142启动前制动电磁阀144和后制动电磁阀146时到液压制动活塞148中建立足够的压力以提供制动转矩250时之间的减速而存在。现有技术系统因此产生两个负面结果。首先，该转矩间隙允许机器10即使制动踏板150已命令减速也滑行一段时间。其次，当制动转矩250可用时，其大小可能比低速下的减速转矩240高。较高的制动转矩250引起机器10的突然减速。
本发明的一个方面提供了低速下减速转矩240与制动转矩250之间的平滑过渡的方案。该系统规定减速阈值270、预加压阈值280和预加压停用阈值290。图7中的图示示出水平轴线上的车速(从左至右降低)和竖直轴线上的转矩的图示。当机器10的速度下降到加压前阈值280以下时，制动器ECM132启动前制动电磁阀144和后制动电磁阀146，以预加压前、后摩擦制动系统134、136中的液压制动活塞148。当机器10的速度下降到减速阈值270以下时，减速转矩240快速下降到零，而制动转矩250升高。这种情形中转矩间隙小或不存在转矩间隙，因为已通过预加压前、后摩擦制动系统134、136而使与液压制动系统142接合的减速最小化。如果机器10的速度升高到加压前停用阈值290之上，则液压制动系统142中的压力回到正常。预加压停用阈值290可包括如本领域中公知的相对于机器10的速度的滞后。
当机器10的速度下降到减速阈值270之下时，制动器ECM132使制动转矩250与前面由减速转矩240提供的水平匹配。因此，减速系统50在制动踏板150处于第一行程范围220内时可提供制动转矩250，以代替损失的减速转矩240能力。制动器ECM132利用来自电机108的命令转矩乘以与后轮140有关的最终传动比来确定期望的机器减速转矩。制动器ECM132然后计算液压制动系统142需要供给以与减速转矩240匹配的压力。通过式N*m/kPa*终传动比来将液压压力与制动转矩250关联。例如，前摩擦制动系统134可能需要约35/200N*m/kPa，而后摩擦制动系统136可能需要35/200N*m/kPa。制动转矩250在制动转矩250的命令被设定为等于由制动踏板150所请求的期望的机器减速转矩前的预定时间与减速转矩240匹配。
图8中的流程图示出可如何执行当机器10处于低速时将减速转矩240结合到制动转矩250中的方法。首先，该方法开始于框400并进行到决定框410。该方法然后检查期望的机器减速转矩是否大于零，即，制动踏板150已被踏下一定程度。该方法然后检查机器10的速度是否低于预加压阈值280。如果两者的结果都是YES，则该方法进行到动作框420。否则该方法返回开始框400。在动作框420，液压制动系统142预加压前摩擦制动系统134和/或后摩擦制动系统136。该方法然后进行到决定框430，在此该方法检查机器10的速度是否小于减速阈值270。如果结果是YES，则该方法进行到动作框440。如果结果是NO，则该方法返回动作框420。在动作框440，该方法将制动转矩250设定为等于减速转矩240。从动作框440，该方法进行到动作框450，在此减速转矩下降到零。该方法然后进行到动作框460，在此制动转矩250被设定为等于期望的机器制动转矩。

Claims (5)

1.一种用于具有电驱动系统的机器的减速系统，所述电驱动系统用于驱动一组后轮，所述减速系统包括：
电减速系统，所述电减速系统与所述电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩；
液压制动系统，所述液压制动系统配置成响应于所请求的制动转矩而向一组车轮提供制动转矩；
制动踏板，所述制动踏板具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围；
编码器，所述编码器配置成向所述减速系统提供与所述总行程范围成比例的输出；并且
其中，所述第一行程范围与第一行程阻力相关并配置成响应于所述输出而提供所请求的减速转矩，且所述第二行程范围与第二行程阻力相关并构造成响应于所述输出而提供所请求的制动转矩和所请求的减速转矩；
其中，所述减速系统包括构造成检测机器速度的传感器；并且
如果机器速度下降到减速阈值之下，则将制动转矩设定为等于减速转矩。
2.一种用于具有电驱动系统的机器的减速系统，所述电驱动系统用于驱动一组后轮，所述减速系统包括：
电减速系统，所述电减速系统与所述电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩；
液压制动系统，所述液压制动系统配置成响应于所请求的制动转矩而向一组车轮提供制动转矩；
制动踏板，所述制动踏板具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围；
编码器，所述编码器配置成向所述减速系统提供与所述总行程范围成比例的输出；并且
其中，所述第一行程范围与第一行程阻力相关并配置成响应于所述输出而提供所请求的减速转矩，且所述第二行程范围与第二行程阻力相关并构造成响应于所述输出而提供所请求的制动转矩和所请求的减速转矩；
其中，所述液压制动系统包括液压制动活塞；并且
如果机器速度下降到预加压阈值之下，所述预加压阈值高于所述减速阈值，则所述液压制动系统用制动液对所述液压制动活塞进行预加压。
3.一种用于具有电驱动系统的机器的减速系统，所述电驱动系统用于驱动一组后轮，所述减速系统包括：
电减速系统，所述电减速系统与所述电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩；
液压制动系统，所述液压制动系统配置成响应于所请求的制动转矩而向一组车轮提供制动转矩；
制动踏板，所述制动踏板具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围；
第一编码器，所述第一编码器配置成向所述减速系统提供与所述总行程范围成比例的输出；并且
其中，所述第一行程范围与第一行程阻力相关并配置成响应于所述输出而提供所请求的减速转矩，且所述第二行程范围与第二行程阻力相关并构造成响应于所述输出而提供所请求的制动转矩和所请求的减速转矩；
其中，所述制动踏板包括第二编码器，所述第二编码器构造成向所述减速系统提供与所述总行程范围成比例的输出，其中所述减速系统在接收任意编码器的错误输出时利用所述第一编码器或第二编码器中的另一者的输出来提供所请求的制动转矩或所请求的减速转矩。
4.一种用于减速机器的方法，所述机器具有驱动一组后轮的电驱动系统、与所述电驱动系统相关并配置成响应于所请求的减速转矩而向后轮提供减速转矩的电减速系统、配置成向一组车轮提供制动转矩的液压制动系统，所述方法包括：
接收来自制动踏板的输出，所述制动踏板具有包括第一行程范围和第二行程范围的总行程范围；
响应于与第一行程阻力相关的所述第一行程范围对应的输出而提供减速转矩；以及
响应于与第二行程阻力相关的所述第二行程范围对应的输出而提供制动转矩和所请求的减速转矩；
其中，所述减速系统包括配置成检测机器速度的传感器；并且
如果机器速度下降到减速阈值之下，则将制动转矩设定为等于减速转矩；
其中，所述液压制动系统包括液压制动活塞；并且
如果机器速度下降到预加压阈值之下，所述预加压阈值高于所述减速阈值，则使用来自所述液压制动系统的制动流体对所述液压制动活塞进行预加压。
5.一种用于向两个不同的机器减速系统提供输出的踏板，包括：
基部；
踏板部，所述踏板部枢转地安装至所述基部并具有总行程范围；
编码器，所述编码器配置成提供与所述基部和所述踏板部之间的角度对应的电信号；
第一弹簧，所述第一弹簧可操作地连接在所述基部与所述踏板部之间并具有第一弹簧常数；和
第二弹簧，所述第二弹簧在所述总行程范围的一部分上可操作地连接在所述基部与所述踏板之间并具有第二弹簧常数；
第二编码器，所述第二编码器构造成提供与所述基部和所述踏板部之间的角度对应的电信号。
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