CN113561795B

CN113561795B - 单电机驱动装载机的驱动系统及控制方法

Info

Publication number: CN113561795B
Application number: CN202110895876.7A
Authority: CN
Inventors: 李莺莺; 张卫东; 马晓哲; 贾启康; 段嘉慧; 刘美艳
Original assignee: Tianjin Research Institute Of Construction Machinery Co ltd
Current assignee: Tianjin Research Institute Of Construction Machinery Co ltd
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2041-08-05
Also published as: CN113561795A

Abstract

本发明公开了一种单电机驱动装载机的驱动系统及控制方法，所述控制系统包括动力驱动系统和通讯控制系统，动力驱动系统包含主驱电机、液力变矩器、动力分配装置PTO、变速箱、传动轴、驱动桥、定量转向液压泵、定量工作液压泵、动力电池；通信控制系统包含整车控制器VCU、电机控制器MCU、电池管理电系统BMS、压力传感器和操作装置。本发明的优点和有益效果是：单电机驱动，保留了液力变矩器，可以提高系统对冲击载荷的适应能力；整车控制系统可根据传感器判定驾驶员的驾驶意图和装载机当前的工作模式，分别对电机进行转速控制和转矩控制，有效适应各种工况；能够有效估算液压工作装置的需求功率，使电机功率得到充分利用。

Description

单电机驱动装载机的驱动系统及控制方法

技术领域

本发明属于工程机械车辆技术领域，具体涉及一种单电机驱动装载机的驱动系统及控制方法。

背景技术

轮式装载机是工程机械产品中应用最广泛的土方机械之一。目前，在整个社会提倡环保和节能的大环境下和细分市场下用户具体需求的要求下，电驱动技术成为装载机领域研究的热点之一。单电机驱动因改装成本较低，动力系统更加简洁，被率先应用到装载机上，但是简单的将发动机变为电机需要面对和解决一些问题，如电机外特性曲线没有类似于发动机外特性曲线的限制，容易造成超速引起传动和液压部件的损坏，液压系统和液力传动系统的能量都来自于电机，动力分配不受控。需要根据装载机的工作特定设计驱动控制系统，来满足装载机的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种单电机驱动装载机的驱动控制系统及控制方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种单电机驱动装载机的驱动控制方法，响应于车辆启动信号，整车控制器VCU进入启车模式，发出转速控制指令，使主驱电机转速以预设梯度上升至怠速转速；

响应于主驱电机达到怠速转速，且无油门踏板信号则整车控制器VCU进入怠速模式，持续监控油门踏板信号、制动踏板信号和档位信号，根据油门踏板信号及制动踏板信号、档位信号的不同情况进入液压模式或驱动模式；

响应于油门踏板信号及空挡信号，整车控制器VCU进入液压模式，根据油门踏板开度与电机期望转速的预设关系函数确定期望转速并发出转速控制指令使电机转速以预设梯度趋向期望转速；油门踏板信号消失后则进入空挡怠速模式；

响应于挡位信号、油门踏板信号且无制动踏板信号则整车控制器VCU进入驱动模式，根据油门踏板开度、当前液力变矩器的速比和能容参数确定行走部分所需的驱动扭矩，再根据转向泵压力、工作泵压力确定液压工作装置部分所需的工作扭矩，结合驱动扭矩和工作扭矩确定电机的期望转矩，发出转矩控制指令使电机转矩以预设梯度趋向期望转矩；油门踏板信号消失后则进入行车怠速模式。

第二方面，本发明实施例还提供一种单电机驱动装载机的驱动控制系统，包括动力驱动系统和通讯控制系统，动力驱动系统包含主驱电机、液力变矩器、动力分配装置PTO、变速箱、传动轴、驱动桥、定量转向液压泵、定量工作液压泵、动力电池；通信控制系统包含整车控制器VCU、电机控制器MCU、电池管理电系统BMS、压力传感器和操作装置；

所述主驱电机与液力变矩器泵轮相连；动力分配装置PTO安装于液力变矩器的取力口上；变速箱输入轴与液力变矩器涡轮相连；传动轴与变速箱输出轴相连；驱动桥与传动轴相连，驱动装载机行走；定量转向液压泵和定量工作液压泵与动力分配装置PTO相连，用于给液压系统提供动力；动力电池通过高压线束，经电机控制器MCU与主驱电机相连，用于为其提供能量来源；

所述整车控制器VCU与电机控制器MCU、电池管理系统BMS采用CAN总线通讯；所述压力传感器分别安装于所述定量工作液压泵和所述定量转向液压泵的出口，分别用于测量工作油路内、转向油路内的压力，所述压力传感器通过线束与所述整车控制器VCU相连；所述转速传感器安装于变速箱，并通过线束与所述整车控制器VCU相连；所述操作装置通过线束与整车控制器VCU相连；电机控制器MCU可对主驱电机实现转速控制和转矩控制。

本发明的优点和有益效果是：

1、单电机驱动，保留了液力变矩器，可以提高系统对冲击载荷的适应能力；

2、整车控制系统可根据传感器判定驾驶员的驾驶意图和装载机当前的工作模式，分别对电机进行转速控制和转矩控制，有效适应各种工况；

3、能够有效估算液压工作装置的需求功率，有利于电机进行控制，更好的分配液压系统和传动系统的动力，使电机功率得到充分利用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用单电机驱动装载机的驱动控制系统的工程机械车辆的示意图结构图；

图2为本发明实施例提供的一种单电机驱动装载机的驱动控制系统的示意图结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种单电机驱动装载机的驱动控制方法的流程图。

其中：1、电池管理系统BMS；2、整车控制器VCU；3、油门踏板、制动踏板等操作装置；4、定量工作液压泵；5、定量转向液压泵；6、压力传感器；7、动力分配装置PTO；8、传动轴；9、车轮；10、驱动桥；11、变速箱；12、转速传感器；13、液力变矩器；14、主驱电机；15、电机控制器MCU；16、动力电池。

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。

第一方面，本发明实施例提供一种单电机驱动装载机的驱动控制系统，如图1、2所示，包含动力驱动系统和通讯控制系统，动力驱动系统为整车行驶和液压装置工作提供动力来源，包含主驱电机14、液力变矩器13、动力分配装置PTO 7、变速箱11、传动轴8、驱动桥10、定量转向液压泵5、定量工作液压泵4、动力电池16；通信控制系统主要采集并处理整车状态信号、实现各控制器之间的通讯、发出控制指令等，包含整车控制器VCU 2、电机控制器MCU 15、电池管理电系统BMS 1、压力传感器6和操作装置3，操作装置是指油门踏板、制动踏板、档位手柄等。

进一步的，本发明实例中液力变矩器13可以选择双涡轮液力变矩器，变速箱11可以选择前进二挡后退一挡的行星式变速箱，装载机在常用的铲装工况时为前进一挡工作，变速箱11在工作过程中不需要进行换挡操作，可以降低司机的劳动强度，装载机在行走工况时可以选择前进二挡工作，满足对于整机车速的要求。

所述主驱电机14与液力变矩器13泵轮直接相连；动力分配装置PTO7安装于液力变矩器13的取力口上；变速箱11输入轴与液力变矩器13涡轮直接相连；传动轴8与变速箱11输出轴直接相连；驱动桥10与传动轴8相连，驱动装载机行走；定量转向液压泵5和定量工作液压泵4与动力分配装置PTO7相连，给液压系统提供动力；动力电池16通过高压线束，经电机控制器MCU 15与主驱电机14相连，为其提供能量来源。

所述整车控制器VCU 2与电机控制器MCU 15、电池管理系统BMS 1采用整车CAN总线通讯；压力传感器6分别安装于定量工作液压泵4和定量转向液压泵5的出口，分别用于测量工作油路内、转向油路内的压力，压力传感器6通过线束与整车控制器VCU 2相连；转速传感器12安装于变速箱11，并通过线束与整车控制器VCU 2相连；操作装置3通过线束与整车控制器VCU 2相连；电机控制器MCU 15可对主驱电机14实现转速控制和转矩控制，并监控电机状态、实现反馈、故障报警；电池管理系统BMS 1可监控电池状态、实现反馈、故障报警。

整车控制器VCU会根据各操作装置传回的驾驶员行为和传感器、电机控制器MCU、电池管理系统BMS反馈的整车状态自动判断工作模式，根据工作模式选择电机控制模式，并根据驾驶员行为和整车状态发出相对应的控制指令。若此时整车无故障报警，则控制指令由整车控制器VCU直接输出，其他控制器或元件进行执行；若此时整车有故障报警，则控制指令由整车控制器VCU根据故障处理修正后输出，其他控制器或元件进行执行。

第二方面，本发明实施例提供一种单电机驱动装载机的驱动控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

整车控制器VCU进行自检并与其他控制器通讯确认有无故障后，执行上电过程；其中，若上电正常判断整车状态良好可以启动则进入启车模式，若不可以启动则进入初始模式，在初始模式下整车控制器VCU不会对电机发出指令，整车处于停机状态；

若可以启动则进入启车模式，整车控制器VCU发出转速控制指令，主驱电机转速以预设梯度上升至怠速转速；

主驱电机达到怠速转速后，整车控制器VCU判断是否有故障信号，若无故障信号则监控油门踏板信号、制动踏板信号和档位信号，若有故障信号则进入跛行模式；其中，在跛行模式下，整车控制器VCU根据油门踏板开度确定一个受到限制的转速控制指令，电机转速以预设梯度趋向期望转速；

整车控制器VCU若没有接收到油门踏板的信号则进入怠速模式，根据进入怠速时的车况，又可以分为空挡怠速模式、行车怠速模式、制动怠速模式、低怠速模式等模式，整车控制器VCU发出转速控制指令，电机转速以预设梯度下降至怠速转速并稳定，空挡怠速模式是车辆启动或静止时所处的的工作模式，其功能是控制电机转速从低于怠速的转速升至怠速转速或维持在怠速转速；行车怠速模式是车辆进行滑行时所处的工作模式，此时电机转速将会小幅度降低至怠速转速，以便司机中途需要加速时转速能快速回升；制动怠速模式是车辆进行刹车时所处的工作模式，此时电机转速将会大幅度降低至怠速转速，以便车辆快速刹停，以上三者最终的怠速转速是一样的。若长时间处于空挡怠速模式则进入低怠速模式，VCU发出转速控制指令，电机转速以预设梯度下降至低于正常怠速的数值，仅供维持转向泵等液压设备运作。

响应于空挡信号和油门踏板信号，进入液压模式，油门踏板开度与电机期望转速成一定的关系，整车控制器VCU根据油门踏板开度确定转速控制指令，电机转速以预设梯度趋向期望转速；

响应于无制动信号、挡位信号、油门踏板信号则进入驱动模式，油门踏板开度表示司机期望的驱动动力，整车控制器VCU根据当前液力变矩器的速比和能容参数确定行走部分所需的驱动扭矩，再根据转向泵压力、工作泵压力确定液压工作装置部分所需的工作扭矩，结合驱动扭矩和工作扭矩确定电机的转矩控制指令，电机转矩以预设梯度趋向期望转矩。

所述期望转矩计算公式如下：

式中：T_HyEqu为液压工作扭矩；T_Drive为驱动扭矩；T_Desired为期望转矩；K₁、K₂为转化系数；Mbg为液力变矩器能容；P_w-Drive为需求功率；P_Turn为转向泵出口压力；P_Work为工作泵泵出口压力；Q_Turn为转向泵排量；Q_Work为工作泵排量。

进一步的，在不同的工作模式下，当电机进行发出转速指令时，油门踏板开度与电机期望转速之间的关系是能够修改的，可根据现场作业环境要求和驾驶人员的操作习惯进行现场标定。

Spd_Desired＝ax_open ³+bx_open ²+cx_open+d

式中：Spd_Drive为期望转速；x_open为油门踏板开度；a、b、c、d为标定参数。

跛行模式下：a＝-0.0003、b＝0.072、c＝1.74、d＝600

液压模式下：a＝-0.003、b＝0.495、c＝-1.22、d＝700

进一步的。整车控制器VCU会根据电机控制器MCU反馈的转速和转矩信号、故障处理的限制、电池管理系统BMS反馈的电流对控制指令进行修正；当电机转速控制时，若反馈的转速、转矩、电流等超出限值，通过PI修正转速控制指令使电机转速降至限值以下；当电机转矩控制时，若反馈的转速、电机功率、电流等超出限值，通过PI修正转矩控制指令使电机转矩降至限值以下。

式中：T_Cmd为输出转矩指令；T_Est为当前反馈转矩；K_p1、K_i1为转矩控制系数，分别为0.8、0.5；Spd_Cmd为输出转速指令；Spd_Est为当前反馈转速；K_p2、K_i2为转速控制系数；分别为0.9、0.125。K_p1、K_i1、K_p2、K_i2可根据驾驶员的使用反馈进行调整。

采用本发明实施例提供的方案，相较于电机进行单一的转速控制或转矩控制，本发明中不同的工作模式对应不同的电机控制模式，当电机处于转速模式下时电机转速由驾驶员控制，例如液压模式中驾驶员的需求为液压泵高速转动向工作装置泵油，电机进行转速控制能方便驾驶员准确确认液压泵的转速，进行泵油量的估计；此外，电机转矩随负载而定可使电机转矩尽可能的小，减小输出功率；当电机处于转矩模式下时电机转矩由驾驶员控制，例如驱动模式中驾驶员的需求为大转矩驱动车辆行驶，电机进行转矩控制能方便驾驶员通过调节油门来改变车速或进行掘取；此外，在路面阻力发生变化时，电机进行转矩控制更能保证车辆安全，而且电机转速随负载而定，保证性能的前提下可以减少功率消耗。

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

1.一种单电机驱动装载机的驱动控制方法，其特征在于，包括：

响应于车辆启动信号，整车控制器VCU进入启车模式，发出转速控制指令，使主驱电机转速以预设梯度上升至怠速转速；

响应于油门踏板信号及空挡信号，整车控制器VCU进入液压模式，其中，液压模式下整车控制器VCU根据油门踏板开度与电机期望转速的预设关系函数确定期望转速并发出转速控制指令使电机转速以预设梯度趋向期望转速；油门踏板信号消失后则进入空挡怠速模式；

响应于挡位信号、油门踏板信号且无制动踏板信号则整车控制器VCU进入驱动模式，其中，驱动模式下整车控制器VCU根据当前液力变矩器的速比和能容参数确定行走部分所需的驱动扭矩，再根据转向泵压力、工作泵压力确定液压工作装置部分所需的工作扭矩，结合驱动扭矩和工作扭矩确定电机的期望转矩，发出转矩控制指令使电机转矩以预设梯度趋向期望转矩；油门踏板信号消失后则进入行车怠速模式；

所述期望转矩计算公式如下：

，

式中：T _HyEqu为液压工作扭矩; T _Drive为驱动扭矩；T _Desired为期望转矩；K ₁、K ₂为转化系数；为液力变矩器能容；P _w-Drive为油门对应功率；P _Turn为转向泵出口压力；P _Work为工作泵泵出口压力；Q _Turn为转向泵排量；Q _Work为工作泵排量；

所述油门踏板开度与电机期望转速的预设关系函数为：

，

式中：Spd _Drive为期望转速；x _open为油门踏板开度； a、b、c、d为标定参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述整车控制器VCU进入启车模式之前，还包括：所述整车控制器VCU进行自检并与其他控制器通讯确认有无故障后，执行上电过程；其中，若上电正常判断整车状态良好可以启动，若不可以启动则进入初始模式，在初始模式下整车控制器VCU不会对电机发出指令，整车处于停机状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述主驱电机达到怠速转速后，还包括：所述整车控制器VCU判断是否有故障信号，若有故障信号则进入跛行模式，在所述跛行模式下，整车控制器VCU根据油门踏板开度确定一个受到限制的第二期望转速，并发出转速控制指令使电机转速以预设梯度趋向第二期望转速。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述怠速模式根据进入怠速时的车况，分为空挡怠速模式、行车怠速模式、制动怠速模式、低怠速模式，整车控制器VCU发出转速控制指令，电机转速以预设梯度下降至怠速转速并稳定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若在怠速模式下的时间大于预设阈值，则进入低怠速模式，整车控制器VCU发出转速控制指令，使电机转速以预设梯度下降至低怠速转速并稳定。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，整车控制器VCU会根据电机控制器MCU反馈的转速和转矩信号、故障处理的限制、电池管理系统BMS反馈的电流对控制指令进行修正；当电机转速控制时，若反馈的转速、转矩、电流超出限值，通过PI修正转速控制指令使电机转速降至限值以下；当电机转矩控制时，若反馈的转速、电机功率、电流超出限值，通过PI修正转矩控制指令使电机功率降至限值以下，PI修正的公式为：

，

式中：T _Cmd为输出转矩指令；T _Est为当前反馈转矩；K _p1、K _i1为转矩控制系数；Spd _Cmd为输出转速指令；Spd _Est为当前反馈转速；K _p2、K _i2为转速控制系数。