CN113561794A - 双电机纯电动装载机的驱动控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法及装置，所述方法包括：根据车辆当前状态和操作信号确定车辆的行车模式和电机控制模式；在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速；将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器。本发明通过引入阻力自识别控制方法，依据整机实际加速度与期望加速度的差值动态调节油门踏板的限制系数，使装载机在平路上发出的驱动力最高值受到限制，而在坡道行驶或铲掘时可以输出很大驱动力，这样确保了装载机在平路上行驶不会推背感十足，而在铲掘等需求大转矩工况时有强劲动力，满足司机需求。

Description

双电机纯电动装载机的驱动控制方法及装置
技术领域
本发明涉及工程机械控制技术领域，具体涉及一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法及装置。
背景技术
轮式装载机作为工程机械产品中应用最广泛的土方机械之一，广泛用于土壤、砂石、煤炭等散装物料的装卸、推运及施工等作业。
对于双电机纯电动装载机，液压系统与行走系统完全独立开来，分别由两台电动机独立控制，驱动电机的控制大都引用纯电动汽车的控制方法，其中油门踏板对应电机的目标转矩解析方法，一般采用油门踏板值乘以电机最大外特性曲线得到，该方法虽然使得在铲装和爬坡可以爆发强劲动力，但在平路上动力强劲，推背感十足，这并不适用于装载机行驶工况，装载机在平路上不需要动力十分强劲；此外装载机进行一次典型V型作业需要经历四次前后换向，每次换向都需要先踩刹车进行降速，存在驾驶员操纵负担重，刹车片的使用寿命短等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法及装置，提高车辆的操控性能。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法，包括：根据车辆当前状态和操作信号确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式；在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器。
第二方面，本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制装置，包括：
车辆模式判断模块，用于确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式；目标转矩转速计算模块，用于在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；驱动电机控制模块，用于输出参考转速或参考转矩至驱动电机控制器。
第三方面，本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制系统，包括：
整车控制器、与整车控制器相连的电池管理系统、液压电机控制器和驱动电机控制器，驱动电机控制器与驱动电机相连，液压电机控制器与液压电机相连，电池管理系统与动力电池相连，动力电池与驱动电机控制器、液压电机控制器相连，所述整车控制器用于采集油门踏板、机械制动踏板、电磁制动踏板、换挡手柄的反馈信号，以及驱动电机、油泵电机、电池管理系统的反馈信号。
本发明的优点和有益效果是：
1、使用电动机为整车提供动力，并去掉了液力变矩器，提高了整机传动效率；
2、通过引入阻力自识别控制方法，使装载机在平路上发出的驱动力较小，在坡道行驶或铲掘时可以输出很大驱动力，这样确保了装载机在平路上行驶不会推背感十足，而在铲掘等需求大转矩工况时有强劲动力，满足司机驾驶需求。
3、自主设计开发的同向与不同向驱动新模式的定义，装载机在进行V型作业时，F/R切换期间驾驶员不再需要踩刹车进行减速再换向，而是通过程序控制F/R切换输出转矩，减轻了驾驶员操控负担，提高了刹车片使用寿命，在一定程度上节约了整机能耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双电机纯电动装载机的驱动控制系统的示意性结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种双电机纯电动装载机的驱动控制装置的模块图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制系统，如图1所示，包括：
整车控制器101、与整车控制器相连的电池管理系统130、液压电机控制器110和驱动电机控制器120，驱动电机控制器120与驱动电机相连121，液压电机控制器110与液压电机111相连，电池管理系统130与动力电池131相连，动力电池131与驱动电机控制器120、液压电机控制器110相连，所述整车控制器101用于采集油门踏板、机械制动踏板、电磁制动踏板、换挡手柄的反馈信号，以及驱动电机、油泵电机、电池管理系统的反馈信号。
本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤201：根据车辆当前状态和操作信号确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式。
行车模式是根据驻车信号、加速踏板信号、机械制动踏板信号、电磁制动踏板信号、电机实际转速信号、电机故障等级信号，进而判断整车当前处于空挡模式还是滑行模式、同向驱动模式、不同向驱动模式、制动模式。
电机控制模式是行车模式判断信号、电机实际转速信号、电磁制动踏板信号，判断电机控制模式为转矩控制或是转速控制。
所述模式还包括空挡模式和滑行模式，空挡模式下参考转矩与参考转速的输出都为零；滑行模式下，依据车辆最终需要达到的滑行距离，调节参考转矩指令为某一固定数值。
步骤202：在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；
目标转矩计算方法如下：
Tref1＝α*M(n)*β
上式中：Tref1为电机的目标转矩，α为油门踏板开度，M(n)为电机最大外特性曲线表，β为油门踏板的限制系数，计算方法如下：
Figure BDA0003197667270000041
上式中：β属于[0,1]，Map(Δα)为加速度差值与油门踏板的限制系数β的一维查表，ades为整机期望加速度，ature为实际加速度，Δα为加速度差值，Δα越小，则β值选取应该越小，表明装载机遇到的阻力越小，可能处于平路上，相反地，Δα越大，则β值选取应该越大，表明所遇到的阻力越大，所述期望加速度计算方法如下：
Figure BDA0003197667270000042
其中，MotTqCmd为电机目标转矩平均值，考虑整机是大惯量系统，选取当前时刻前十个周期的平均值，“十个周期”是可标定量，ig为变速箱速比，i0为终传动速比，ηT为传动部件效率，r为轮胎半径，μmg滚动阻力，m为整机质量，δ为整车旋转质量系数。
所述实际加速度计算方法如下：
Figure BDA0003197667270000051
其中，Δn为驱动电机转速在t时间段内速度的变化。
所述ades、ature经过低通滤波处理，将高频信号滤除。
步骤203：将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器。
在本发明实施例中，计算得到目标转矩后，若目标转矩持续大于额定转矩，电机会持续过载，为防止电机持续过载造成过温，优化了控制策略主动限制电机超额定转矩时间：根据驱动电机转矩信号，判断当电机超额定转矩运行时间大于t1，将所述目标转矩强制降至额定转矩，将额定转矩作为参考转矩，并保持t2时间之后允许再次超额；当超额定转矩时间小于t1，所述目标转矩小于额定转矩时间大于t2，允许再次超额，将所述目标转矩作为参考转矩；如果超额定转矩时间小于t1，所述目标转矩小于额定转矩的时间小于t2，记录超额时间累计t1之后将目标转矩强制降至额定转矩并保持t2之后允许再次超额，将额定转矩作为参考转矩。
在本发明实施例中，所述确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，当车速大于第一阈值且当前为后退方向，或是车速小于第二阈值且当前为前进方向，则判断为不同向驱动模式，在不同向驱动模式下，根据电机当前转速与高速换向最大制动功率计算第一参考换向转矩，当车速小于第三阈值时，第一参考换向转矩以预设斜率随着车速降低逐渐衰减至零，输出第二参考换向转矩；当车速降低为零时，持续踩油门，则进入了同向驱动模式。通过程序控制F/R切换输出转矩，减轻了驾驶员操控负担，提高了刹车片使用寿命，在一定程度上节约了整机能耗。
在本发明实施例中，在制动模式下，根据电磁制动踏板信号以及当前电机转速信号、电机控制模式信号，利用电磁制动踏板值乘以电机最大外特性曲线得到参考制动转矩，为保证整机可以停留在坡道上，在电磁制动后半段行程，电机由原来的转矩控制模式切换成转速控制模式，输出参考制动转速nref1至驱动电机控制器，参考制动转速nref1计算方法如下：
nref1＝MotSpd-γ*d
其中，MotSpd为当前电机转速，γ为电磁制动踏板值，d为减速系数。
在本发明实施例中，在所述将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器之后还包括：根据故障等级计算需要限制功率值P_limit，再根据当前电机转速、转矩计算当前功率P_des，如果整机当前存在故障，并且P_des大于P_limit，则根据P_limit及当前电机转速，计算限制输出参考转矩Tref；如果有机械制动踏板信号，则参考转矩Tref为零，其他情况正常输出，做为最终输出转矩。
本发明通过引入阻力自识别控制方法，依据整机实际加速度与期望加速度的差值动态调节油门踏板的限制系数，使装载机在平路上发出的驱动力较小，在坡道行驶或铲掘时可以输出很大驱动力，这样确保了装载机在平路上行驶不会推背感十足，而在铲掘等需求大转矩工况时有强劲动力，满足司机需求。
本发明实施例提供一种双电机纯电动装载机的驱动控制装置，如图3所示，包括：
车辆模式判断模块301，用于确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式；
目标转矩转速计算模块302，用于在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；
驱动电机控制模块303，用于输出参考转速或参考转矩至驱动电机控制器。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.双电机纯电动装载机的驱动控制方法，包括：
根据车辆当前状态和操作信号确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式；
在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；
将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据车辆当前状态和操作信号确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，当车速大于第一阈值且当前为后退方向，或是车速小于第二阈值且当前为前进方向，则判断为不同向驱动模式，在不同向驱动模式下，根据电机当前转速与高速换向最大制动功率计算第一参考换向转矩，当车速小于第三阈值时，第一参考换向转矩以预设斜率随着车速降低逐渐衰减至零，输出第二参考换向转矩；当车速降低为零时，持续踩油门，则进入所述同向驱动模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制动模式下，根据电磁制动踏板信号以及当前电机转速信号、电机控制模式信号，利用电磁制动踏板值乘以电机最大外特性曲线得到参考制动转矩，为保证整机可以停留在坡道上，在电磁制动后半段行程，电机由原来的转矩控制模式切换成转速控制模式，输出参考制动转速nref1至驱动电机控制器，参考制动转速nref1计算方法如下：
nref1＝MotSpd-γ*d
其中，MotSpd为当前电机转速，γ为电磁制动踏板值，d为减速系数。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在所述将目标转矩或目标转速作为参考转速或参考转矩输出至驱动电机控制器之前还包括：
根据所述目标转矩和超载控制策略确定参考转矩，其中，当电机超额定转矩运行时间大于第一时长，将所述目标转矩强制降至额定转矩，将额定转矩作为参考转矩，并保持第二时长时间之后允许再次超额；当超额定转矩时间小于第一时长，所述目标转矩小于额定转矩时间大于第二时长，允许再次超额，将所述目标转矩作为参考转矩；如果超额定转矩时间小于第一时长，所述目标转矩小于额定转矩的时间小于第二时长，记录超额时间累计第一时长之后将目标转矩强制降至额定转矩并保持第二时长之后允许再次超额，将额定转矩作为参考转矩。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述目标转矩和超载控制策略确定参考转矩之后还包括：根据故障等级计算需要限制功率值P_limit，再根据当前电机转速、转矩计算当前功率P_des，如果整机当前存在故障，并且P_des大于P_limit，则根据P_limit及当前电机转速，计算限制输出参考转矩；如果有机械制动踏板信号，则参考转矩为零，其他情况正常输出，作为最终输出转矩。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述期望加速度计算方法如下：
Figure FDA0003197667260000021
其中，MotTqCmd为预设周期内电机目标转矩平均值，ig为变速箱速比，i0为终传动速比，ηT为传动部件效率，r为轮胎半径，μmg滚动阻力，m为整机质量，δ为整车旋转质量系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际加速度计算方法如下：
Figure FDA0003197667260000022
其中，Δn为驱动电机转速在t时间段内速度的变化。
8.根据权利要求6和7所述的方法，其特征在于，所述ades、ature经过低通滤波处理，将高频信号滤除。
9.双电机纯电动装载机的驱动控制装置，包括：
车辆模式判断模块，用于确定车辆的行车模式和电机控制模式，其中，行车模式包括同向驱动模式、不同向驱动模式和制动模式，电机控制模式为转矩控制模式或转速控制模式；
目标转矩转速计算模块，用于在不同行车模式下根据油门踏板开度计算目标转矩或目标转速，其中，在同向驱动模式下，根据油门踏板开度、电机最大外特性曲线表以及动态调节的油门踏板限制系数三者的乘积确定电机的目标转矩，所述动态调节是根据车辆的期望加速度与实际加速度的加速度差值与油门踏板限制系数的预设关系表确定加速度差值对应的油门踏板限制系数；
驱动电机控制模块，用于输出参考转速或参考转矩至驱动电机控制器。
10.一种运行权利要求1-7任一项所述方法的双电机纯电动装载机的驱动控制系统，包括：整车控制器、与整车控制器相连的电池管理系统、液压电机控制器和驱动电机控制器，驱动电机控制器与驱动电机相连，液压电机控制器与液压电机相连，电池管理系统与动力电池相连，动力电池与驱动电机控制器、液压电机控制器相连，所述整车控制器用于采集油门踏板、机械制动踏板、电磁制动踏板、换挡手柄的反馈信号，以及驱动电机、油泵电机、电池管理系统的反馈信号。
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