CN114922247B - 一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法 - Google Patents

一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法,通过四轮独立电驱动装载机动力控制系统实施判定和控制,通过装载机左前轮和右前轮的转速比、左后轮和右后轮的转速比、左前轮和左后轮的转速比、右前轮和右后轮的转速比的变化,判定哪个车轮打滑,再通过整车控制器和电机控制器控制打滑车轮的目标转速,防止车轮打滑,从而减少装载机能量的浪费和车轮的磨损,实现装载机资源利用效率的提升。

Description

一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法
技术领域
本发明涉及铲运工程机械技术领域,具体涉及一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法。
背景技术
装载机主要用于土壤、砂石、煤炭等散装物料的装卸、推运以及施工作业等,其广泛应用于各类施工场所。目前,轮式装载机驱动控制系统普遍采用的是以内燃机为动力的液力传动装置,主要由发动机、变矩器、动力换档变速器、传动轴、驱动桥等组成,该方式的动力传动系统技术成熟,发动机一般以柴油发动机为主。但是大型装载机由于用量少,开发其专属的变速箱和车桥的难度大,所以在大型装载机中均采用四轮独立电驱动装置。
虽然四轮独立电驱动装置可以解决变速箱和车桥开发设计难度大的问题,但由于四轮独立电驱动装载机的车体过大,在地面凹凸不平的工况下工作时,往往四个轮不能处于同一地平面,更无法保证四个轮与所在地面的摩擦系数相同。此外由于大型装载机铲斗设计容量所装载的物料重量与整车重量相比在五分之一以上,因此装载机前后车桥垂向载荷也随装载物料的变化而变化,每个车轮与地面的最大静摩擦力也会随时改变。并且在铲掘工况时,当装载机铲斗插入料堆中,在铲掘的过程中,装载机后桥受杠杆的作用有向上翘的趋势,这时与地面的压力减小,甚至离开地面。以上三种情况都会造成某个或某两个车轮在与地面最大静摩擦减小时车轮打滑的现象发生。
由于大型装载机自重较大,在发生轮胎与地面摩擦时,车轮产生的磨损较大,能量就会白白浪费,因此研究大型装载机的轮胎打滑具有重要意义。现代汽车的驱动防滑技术已经基本成熟,其控制打滑的技术在装载机领域可以借用,但由于车身结构和行驶工况的不同,汽车打滑的判断方法无法直接用于大型装载机。
发明内容
为此,本发明提出一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法,该方法通过四轮独立电驱动装载机动力控制系统完成,所述动力控制系统包括整车控制器、电机控制器和驱动电机,通过整车控制器发送指令给各电机控制器,对驱动电机赋予驱动扭矩,根据判定的打滑车轮,确定目标车速,控制车速防止车轮打滑,从而实现装载机资源利用效率的提升。
本发明第一方案提供一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法,如下:
设定参数:
ωFl:装载机前桥左轮转速;ωFr:装载机前桥右轮转速;
ωRl:装载机后桥左轮转速;ωRr:装载机后桥右轮转速;
A=ωFlFr,B=ωRlRr;C=ωFlRl,D=ωFrRr
当A≠B或C≠D时,车轮打滑。
进一步地,对A≠B的情况:
1)当A=1,B≠1时,
如果B>1,后桥左侧车轮打滑;
如果B<1,后桥右侧车轮打滑;
2)当A≠1,B=1时,
如果A>1,前桥左侧车轮打滑;
如果A<1,前桥右侧车轮打滑;
3)当A≠1,B≠1,且当|C-1|>|D-1|时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
4)当A≠1,B≠1,且当|D-1|>|C-1|时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑。
进一步地,对C≠D的情况:
1)当C=1,D≠1时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑;
2)当C≠1,D=1时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
3)当C≠1,D≠1,且当|C-1|>|D-1|时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
4)当C≠1,D≠1,且当|D-1|>|C-1|时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑。
本发明第二方案提供一种四轮独立电驱动装载机打滑的控制方法,如下:
设定参数:
ωFl:装载机前桥左轮转速;ωFr:装载机前桥右轮转速;
ωRl:装载机后桥左轮转速;ωRr:装载机后桥右轮转速;
A=ωFlFr,B=ωRlRr;C=ωFlRl,D=ωFrRr
当A=B或C=D时,无车轮打滑,无需控制各车轮转速;
当A≠B、C≠D,且A=1或B=1时,将打滑车轮同桥不同侧的车轮的转速作为打滑车轮的目标转速;
当A≠B、C≠D,且A≠1、B≠1时,将打滑车轮同侧不同桥的车轮的转速作为打滑车轮的目标转速。
进一步地:
(1)A=1,B≠1时
如果B>1,将后桥右侧车轮的转速作为后桥左侧车轮的目标转速;
如果B<1,将后桥左侧车轮的转速作为后桥右侧车轮的目标转速;
(2)B=1,A≠1时
如果A>1,将前桥右侧车轮的转速作为前桥左侧车轮的目标转速;
如果A<1,将前桥左侧车轮的转速作为前桥右侧车轮的目标转速;
(3)A≠1且B≠1时
1)如果|C-1|>|D-1|:
当C>1时,将后桥左侧车轮的转速作为前桥左侧车轮的目标转速;
当C<1时,将前桥左侧车轮的转速作为后桥左侧车轮的目标转速;
2)如果|D-1|>|C-1|:
当D>1时,将后桥右侧车轮的转速作为前桥右侧车轮的目标转速;
当D<1时,将前桥右侧车轮的转速作为后桥右侧车轮的目标转速。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
(1)本发明提供一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法,只需通过装载机左前轮和右前轮的转速比、左后轮和右后轮的转速比、左前轮和左后轮的转速比、右前轮和右后轮的转速比,这几个转速比的变化,就能判定哪个车轮打滑,设置参数简单,判定方法也简单。
(2)根据哪个转速比发生变化,以及哪个车轮打滑,做出相应控制策略,使打滑车轮的转速得以调整,使打滑现象得以控制。
(3)通过四轮独立电驱动装载机动力控制系统,并且设置四个电机控制器分别对应控制四个驱动电机,每个驱动电机对装载机的车轮输送不同的驱动扭矩,从而控制打滑车轮的目标转速,防止车轮打滑,大大减少装载机能量的浪费和车轮的磨损,提升了装载机资源的利用效率。
(4)本发明提供一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法,特别适用于对四轮独立电驱动、前后桥载荷变化大,转弯工况多的装载机,方法简单易操作。
附图说明
图1为本发明的四轮独立电驱动装载机动力控制系统示意图;
图2为本发明在重载或铲掘工况时前后轮的垂向载荷变化示意图;
图3为本发明在转弯工况时前后轮的转弯状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法和控制方法,该判定和控制方法是通过装载机的动力控制系统实现,通过判断打滑车轮、确定打滑车轮的目标车速,控制目标车速防止车轮打滑,从而减少装载机能量的浪费和车轮的磨损,提高资源利用效率的方法。
如图1所示,四轮独立电驱动装载机动力控制系统中,包括整车控制器1和电机控制器、驱动电机,其中,电机控制器包括四个,分别为前桥左轮电机控制器21、前桥右轮电机控制器22、后桥左轮电机控制器23、后桥右轮电机控制器24,驱动电机也包括四个,分别为前桥左轮驱动电机31、前桥右轮驱动电机32、后桥左轮驱动电机33、后桥右轮驱动电机34,四个电机控制器分别对应控制四个驱动电机。所述整车控制器1与加速踏板连接,整车控制器1发送指令,将命令通过电机控制器输入给各驱动电机,电机控制器设置在每个驱动电机上,驱动电机为车轮提供动力。
通常车辆在匀速行驶时,车辆的驱动力小于附着力,不会产生打滑,但当车辆的驱动力增加或是附着力减小时,驱动力大于附着力时可能会产生车辆打滑现象,如要防止或控制车辆打滑,就需要将车辆的驱动力进行控制,而控制驱动力时,通常需要设定一个目标车速。
当车辆单桥驱动时,可以将从动轮车速当作不打滑的目标车速进行控制。
当车辆双桥驱动时,前后桥之间机械耦合,左右轮之间有差速器,则以全车转速最慢的车轮为不打滑的目标车速进行控制。
对于四轮独立电驱动装载机,任意两个车轮之间没有机械耦合,相互间找不到对应关系,因此按常规汽车理论中的打滑判定方法无法应用于装载机上。四轮独立电驱动装载机在一定工况下,可能出现左右车轮转速不同,也可能出现前后车轮转速不同的情况。车辆的附着力是与垂向载荷、摩擦系数相关,由于四个车轮的垂向载荷和地面的摩擦系数不完全相同,所以在同一个时间点时,可能会出现一个车轮打滑,之后其他车轮跟随着打滑的情况,但不会出现在同一个时间点上,四个车轮或两个车轮同时打滑的情况。
因此四轮独立电驱动装载机打滑的判定和控制方法主要是:首先判定在什么情况下车轮出现打滑,其次判定哪个车轮出现打滑,最后确定打滑车轮的目标车速,通过控制该车轮的驱动力矩,使其速度回归至目标车速来防止车轮打滑。
对于装载机,车轮可能会出现打滑的情况一般会发生在车辆前后垂向载荷变化、路面不平及附着系数变化时。
如图2所示,当装载机在重载或铲掘工况时,装载机前后轮的垂向载荷不同,因前轮的垂向载荷变大,后轮因杠杆的作用有向上的趋势,后轮的垂向载荷变小,导致前后轮的动力半径发生变化,从而使装载机前后轮的车速因轮胎半径的不同而不同。但此时同一个车桥上左、右轮的转速相同,即前桥上左右轮的转速相同,后桥上左右轮的转速相同。
如图3所示,当装载机在转弯工况时,因转弯引起的车辆左右轮的转弯半径不同,所以左右轮的转速发生变化,但是由于铰接点基本处于前后桥中点,所以同一侧前后轮的转速相同。
基于以上分析,设定以下相关参数:
Fl:装载机前桥左轮;Fr:装载机前桥右轮;
Rl:装载机后桥左轮;Rr:装载机后桥右轮;
ωFl:装载机前桥左轮转速;ωFr:装载机前桥右轮转速;
ωRl:装载机后桥左轮转速;ωRr:装载机后桥右轮转速;
ωv:装载机转弯时的转速;
a:左轮到回转中心的距离;b:左右两车轮之间的轮距;
RF:前轮的动力半径;RR:后轮的动力半径;
A:前桥左右两轮的转速比;B:后桥左右两轮的转速比;
C:左侧前后两轮的转速比;D:右侧前后两轮的转速比;
VFl:装载机前桥左轮的线速度;VFr:装载机前桥右轮的线速度;
VRl:装载机后桥左轮的线速度;VRr:装载机后桥右轮的线速度。
装载机相关的转速比公式如下:
A=ωFlFr,B=ωRlRr
C=ωFlRl,D=ωFrRr
当车辆是空载直线行驶时,在理论上ωFl=ωFr=ωRl=ωRr,即A=B=C=D=1;
当车辆是空载转弯行驶时,理论上也是ωFl=ωRl,ωFr=ωRr,即C=D=1,A=B≠1;
当车辆是重载直线行驶时,在理论上ωFl=ωFr,ωRl=ωRr即A=B=1,C=D≠1;
当车辆是重载转弯行驶时,在理论上ωFl≠ωFr≠ωRl≠ωRr但A=B≠1,C=D≠1;
当车辆在转弯时,如图3所示,理论上,计算A、B的值是:
当车辆是重载时,理论上,计算C、D的值是:
根据上述计算得出的(当车辆直线行驶时a趋近无限大,当车辆轻载时RR=RF),则说明当装载机在正常行驶工况时,四个轮遵循A=B,C=D的原则,前桥左右两轮的转速比等于后桥左右两轮的转速比;左侧前后两轮的转速比等于右侧前后两轮的转速比。符合上述两等式时车轮都不打滑。
如果其中任何一个车轮打滑,则不遵循A=B或C=D原则,也就是A≠B或C≠D,即前桥左右两轮的转速比不等于后桥左右两轮的转速比,或左侧前后两轮的转速比不等于右侧前后两轮的转速比,则车轮打滑。
根据A、、B、C D的值判定装载机的工况:
当A=B=1时,ωFl=ωFr,ωRl=ωRr,此时前桥的左右轮转速相等,且后桥的左右轮转速相等,如果是转弯工况,则左右轮转速不相等,所以说明装载机是直线行驶工况。
当A=B≠1时,即ωFlFr=ωRlRr≠1时,此时前桥左右两轮转速比等于后桥左右两轮转速比,但转速比的值不等于1,则说明装载机不是直线行驶,是在转弯工况。
同理,当C=D=1时,即ωFl=ωRl,ωFr=ωRr,也就是左侧前后两轮的转速相等,且右侧前后两轮的转速相等,则说明前后轮的垂向载荷相同、车轮半径相同,因此装载机在空载工况。
当C=D≠1时,即ωFlRl=ωFrRr≠1,此时左侧前后两轮的转速比等于右侧前后两轮的转速比,但转速比不等于1,则说明前后轮的垂向载荷不相同、车轮半径不相同,因此装载机在重载工况。
因此,根据装载机的工况判定打滑车轮以及控制打滑车轮转速的方法,具体如下:
1、当A=B时,即前桥左右两轮的转速比等于后桥左右两轮的转速比的情况:
当A=B=1时,则遵循不打滑原则A=B,装载机在直线行驶工况,所有车轮均不打滑,无需调整各轮转速。
当A=B≠1时,也遵循不打滑原则A=B,装载机在转弯工况,所有车轮均不打滑,也无需调整各轮转速。
2、当A≠B时,车轮出现打滑,以A、B的值是否是1,分为以下三种情况分析:
(1)A=1,B≠1时,A=ωFlFr=1,即ωFl=ωFr,则装载机处于直线行驶工况
如果B>1,即B=ωRlRr>1,则ωRlRr,说明后桥左侧车轮的转速大于后桥右侧车轮的转速,后桥左侧车轮打滑。此时后桥左侧打滑车轮的目标转速就是后桥上的右侧车轮的转速。
如果B<1,即B=ωRlRr<1,则ωRlRr,说明后桥右侧车轮的角速度大于后桥左侧车轮的角速度,后桥右侧车轮打滑。此时后桥右侧打滑车轮的目标转速就是后桥上的左侧车轮的转速。
(2)B=1,A≠1时,B=ωRlRr=1,即ωRl=ωRr,则装载机处于直线行驶工况
如果A>1,即A=ωFlFr>1,则ωFlFr,说明前桥左侧车轮的角速度大于前桥右侧车轮的角速度,前桥左侧车轮打滑。此时前桥左侧打滑车轮的目标转速就是前桥上的右侧车轮的转速。
如果A<1,即A=ωFlFr<1,则ωFlFr,说明前桥右侧车轮的角速度大于前桥左侧车轮的角速度,前桥右侧车轮打滑。此时前桥右侧打滑车轮的目标转速就是前桥上的左侧车轮的转速。
(3)A≠1且B≠1时,则装载机处于转弯工况
此时判断|C-1|和|D-1|的值的大小,|C-1|和|D-1|哪个值大,则哪一侧的车轮打滑,其他车轮可能随着打滑,因此对绝对值大的那一侧的车轮控制打滑。
1)如果|C-1|>|D-1|,因C是左侧前后桥两车轮的转速比,则左侧车轮打滑。
进一步地:
当C>1时,前桥左侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是后桥上的左侧车轮的转速。
当C<1时,后桥左侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是前桥上的左侧车轮的转速。
2)如果|D-1|>|C-1|,因D是右侧前后桥两车轮的转速比,则右侧车轮打滑。
进一步地:
当D>1时,前桥右侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是后桥上的右侧车轮的转速。
当D<1时,后桥右侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是前桥上的右侧车轮的转速。
3、当C=D时,则左侧前后两轮胎的转速比等于右侧前后两轮胎的转速比,装载机所有车轮均不打滑。
当C=D=1时,则遵循不打滑原则C=D,装载机在轻载工况,所有车轮均不打滑,无需调整各轮转速。
当C=D≠1时,也遵循不打滑原则C=D,装载机在重载工况,所有车轮均不打滑,也无需调整各轮转速。
4、当C≠D时,则左侧前后两轮的转速比不等于右侧前后两轮的转速比,车轮打滑。以C、D的值是否是1,分为以下三种情况分析:
(1)C=1,D≠1时,则C=ωFlRl=1,即ωFl=ωRl,装载机处于空载工况进一步地:
如果D>1,即D=ωFrRr>1,则ωFrRr,说明前桥右侧车轮的转速大于后桥右侧车轮的转速,前桥右侧车轮打滑。此时打滑车轮的目标转速就是后桥上的右侧车轮的转速。
如果D<1,即D=ωFrRr<1,则ωFrRr,说明前桥右侧车轮的转速小于后桥右侧车轮的转速,后桥右侧车轮打滑。此时打滑车轮的目标转速就是前桥上的右侧车轮的转速。
(2)D=1,C≠1时,则D=ωFrRr=1,即ωFr=ωRr,装载机处于空载工况进一步地:
如果C>1,即C=ωFlRl>1,则ωFlRl,说明前桥左侧车轮的转速大于后桥左侧车轮的转速,前桥左侧车轮打滑。此时打滑车轮的目标转速就是后桥上的左侧车轮的转速。
如果C<1,即C=ωFlRl<1,则ωFlRl,说明前桥左侧车轮的转速小于后桥左侧车轮的转速,后桥左侧车轮打滑。此时打滑车轮的目标转速就是前桥上的左侧车轮的转速。
(3)C≠1且D≠1时,说明装载机处于重载工况
此时判断|C-1|和|D-1|的值的大小,|C-1|和|D-1|哪个值大,则哪一侧的车轮打滑,其他车轮可能随着打滑,因此对|C-1|和|D-1|值大的那一侧的车轮控制打滑。
1)如果|C-1|>|D-1|,因C是左侧前后桥两车轮的转速比,则左侧车轮打滑。
当C>1时,前桥左侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是后桥上的左侧车轮的转速。
当C<1时,后桥左侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是前桥上的左侧车轮的转速。
2)如果|D-1|>|C-1|,因D是右侧前后桥两车轮的转速比,则右侧车轮打滑。
当D>1时,前桥右侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是后桥上的右侧车轮的转速。
当D<1时,后桥右侧车轮打滑。打滑车轮的目标转速就是前桥上的右侧车轮的转速。
总结以上描述,打滑车轮的转速控制方法是:
当A=B或C=D时,无车轮打滑,无需控制各轮转速;
当A≠B、C≠D,且A=1或B=1时,则使用打滑车轮同桥不同侧的车轮的转速作为目标转速进行防滑控制;
当A≠B,C≠D,且A≠1、B≠1时,则使用打滑车轮同侧不同桥的车轮的转速作为目标转速进行防滑控制。
在控制过程中,当找到打滑的车轮并知道控制目标转速时,可以采用PID控制器控制,在原控制扭矩上加PID算出来的扭矩控制打滑车轮的转速,至A/B=1或C/D=1为止,从而防止车轮打滑。

Claims (5)

1.一种四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法,其特征在于:根据四轮独立电驱动装载机在一定工况下出现的左右车轮转速不同,或前后车轮转速不同的情况,
设定参数:
ωFl:装载机前桥左轮转速;ωFr:装载机前桥右轮转速;
ωRl:装载机后桥左轮转速;ωRr:装载机后桥右轮转速;
A=ωFlFr,B=ωRlRr;C=ωFlRl,D=ωFrRr
当A≠B或C≠D时,车轮打滑。
2.根据权利要求1所述的四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法,其特征在于:
对A≠B的情况,
1)当A=1,B≠1时,
如果B>1,后桥左侧车轮打滑;
如果B<1,后桥右侧车轮打滑;
2)当A≠1,B=1时,
如果A>1,前桥左侧车轮打滑;
如果A<1,前桥右侧车轮打滑;
3)当A≠1,B≠1,且当|C-1|>|D-1|时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
4)当A≠1,B≠1,且当|D-1|>|C-1|时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑。
3.根据权利要求1所述的四轮独立电驱动装载机打滑的判定方法,其特征在于:
对C≠D的情况,
1)当C=1,D≠1时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑;
2)当C≠1,D=1时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
3)当C≠1,D≠1,且当|C-1|>|D-1|时,
如果C>1,前桥左侧车轮打滑;
如果C<1,后桥左侧车轮打滑;
4)当C≠1,D≠1,且当|D-1|>|C-1|时,
如果D>1,前桥右侧车轮打滑;
如果D<1,后桥右侧车轮打滑。
4.一种四轮独立电驱动装载机打滑的控制方法,其特征在于:根据四轮独立电驱动装载机在一定工况下出现的左右车轮转速不同,或前后车轮转速不同的情况,
设定参数:
ωFl:装载机前桥左轮转速;ωFr:装载机前桥右轮转速;
ωRl:装载机后桥左轮转速;ωRr:装载机后桥右轮转速;
A=ωFlFr,B=ωRlRr;C=ωFlRl,D=ωFrRr
当A=B或C=D时,无车轮打滑,无需控制各车轮转速;
当A≠B、C≠D,且A=1或B=1时,将打滑车轮同桥不同侧的车轮的转速作为打滑车轮的目标转速;
当A≠B、C≠D,且A≠1、B≠1时,将打滑车轮同侧不同桥的车轮的转速作为打滑车轮的目标转速。
5.根据权利要求4所述的四轮独立电驱动装载机打滑的控制方法,其特征在于:
(1)A=1,B≠1时,
如果B>1,将后桥右侧车轮的转速作为后桥左侧车轮的目标转速;
如果B<1,将后桥左侧车轮的转速作为后桥右侧车轮的目标转速;
(2)B=1,A≠1时,
如果A>1,将前桥右侧车轮的转速作为前桥左侧车轮的目标转速;
如果A<1,将前桥左侧车轮的转速作为前桥右侧车轮的目标转速;
(3)A≠1且B≠1时,
1)如果|C-1|>|D-1|:
当C>1时,将后桥左侧车轮的转速作为前桥左侧车轮的目标转速;
当C<1时,将前桥左侧车轮的转速作为后桥左侧车轮的目标转速;
2)如果|D-1|>|C-1|:
当D>1时,将后桥右侧车轮的转速作为前桥右侧车轮的目标转速;
当D<1时,将前桥右侧车轮的转速作为后桥右侧车轮的目标转速。
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