CN117628177A - 一种工程机械挡位控制系统及方法 - Google Patents

一种工程机械挡位控制系统及方法 Download PDF

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王诠惠
丁亚委
戴文浩
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Abstract

本发明公开了一种工程机械挡位控制系统及方法，包括挡位控制单元GCU、电机控制单元MCU和变速箱；所述挡位控制单元GCU通过电机控制单元MCU与驱动电机电性连接；所述驱动电机与所述变速箱的输入轴连接；所述变速箱的输出轴通过传动轴与所述车轮连接；所述挡位控制单元GCU分别电性连接油门踏板位置传感器、挡位选择器和驾驶模式切换开关；所述挡位控制单元GCU配置有nx个电子档位Gn_mmax；所述变速箱配置有mx个机械档位Gm；各电子档位Gn_mmax设置有最高车速Vn_mmax以及对应的机械档位Gm,max；本发明提高驾驶员对电驱工程机械整机作业车速控制的合理性和简易性，保证作业安全，减少驾驶员疲劳，提升电机经济效率，提高整机续航能力。

Description

一种工程机械挡位控制系统及方法
技术领域
本发明属于挡位控制技术领域，具体涉及工程机械挡位控制系统及方法。
背景技术
随着技术的发展和环境保护要求的提高，越来越多的工程机械车辆也开始使用电机驱动。电机驱动是使用电机代替传统燃油发动机作为驱动力来源的一种技术。和传统的燃油发动机相比，电机具有扭矩大、转速高的特点，因此电驱动工程机械一般只配备具有三个或三个以下变速比的变速箱。
因为电机的最高转速较大，在确定的传动系变速比关系下，电驱动工程车辆对应的行驶车速区间较宽、低挡位下的最高车速较高。另外，电驱动车辆通常是通过油门踏板控制电机扭矩来控制车速的。因为电机扭矩大，油门踏板开度变化产生的电机扭矩变化也会比较大，最终导致较大的车速变化。这种特点，在车辆行驶时，会带给驾驶员充足的动力感。但是对于平地机、正面吊、堆高机、推土机等工程机械来说，驾驶员往往希望整机作业时能够在较低而且稳定的车速下行驶。此时，较宽的车速区间使驾驶员必须通过油门踏板位置精准控制车速，才能使整机在较低车速下作业。但是，油门踏板位置变化导致车速变化较大的特点大大提高了驾驶员控制车速的难度。
此外，电驱动车辆一般通过控制电机扭矩来控制车速。整机作业时，因为扭矩大、转速高的特点，在固定的扭矩负载下，电机的转速范围较宽，很容易工作在低效率区间。从生产效率和经济性的角度考虑，工程机械车辆的驾驶员通常希望在保证作业效率的前提下，提高电机的经济性，延长整机的作业续航时间。
因此电驱动工程机械需要一种方法，在不影响作业效率的前提下，合理、容易控制整机作业车速的同时提高电机的工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工程机械挡位控制系统及方法，可在保证电驱动工程机械的整机作业效率的前提下，解决电驱动工程机械在作业时存在的车速区间过宽导致不能满足低车速需求问题和难以通过油门踏板开度准确控制车速问题。
为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：
一种工程机械挡位控制系统，包括挡位控制单元GCU、电机控制单元MCU和变速器；所述挡位控制单元GCU通过电机控制单元MCU与驱动电机电性连接；所述驱动电机与所述变速箱的输入轴连接；所述变速箱的输出轴通过传动轴与所述车轮连接；
所述挡位控制单元GCU分别电性连接油门踏板位置传感器、挡位选择器和驾驶模式切换开关；所述油门踏板位置传感器采集油门踏板的位置信息，所述驾驶模式切换开关用于向挡位控制单元GCU输入模式切换信息，所述挡位选择器用于向挡位控制单元GCU输入档位切换信息；所述挡位控制单元GCU根据油门踏板的位置信息、模式切换信息和挡位切换信息控制变速箱和电机动作。
优选的，所述驾驶模式切换开关向挡位控制单元GCU输入的模式切换信息包括驾驶模式信息和作业模式信息。
优选的，所述挡位控制单元GCU配置电子挡位列表；所述电子挡位列表设有nx个电子挡位Gn_mmax；所述变速箱配置有mx个机械挡位Gm；各电子挡位Gn_mmax设置有最高车速Vn_mmax以及对应的机械挡位Gm,max；所述机械挡位Gm,max设置为在最高车速Vn_mmax下工作效率最高的机械挡位。
第二方面本发明提供了一种工程机械挡位控制系统的电子挡位建立方法，包括：
获取常用作业车速Vn及其对应的负载牵引力Fn；根据常用作业车速Vn和变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机转速Nnm；根据负载牵引力Fn以及变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机作业扭矩Tnm；
建立电子挡位Gn_mmax，选择常用作业车速Vn作为电子挡位Gn_mmax对应的最高车速Vn_mmax；设定电子挡位Gn_mmax与机械挡位Gm的对应关系，由驱动电机转速Nnm和驱动电机作业扭矩Tnm确定驱动电机的工作效率ηnm；选择工作效率ηnm最高的机械挡位Gm作为电子挡位Gn_mmax对应的机械挡位Gm，记为机械挡位Gm,max；
建立电子挡位Gn+1，设定电子挡位Gn+1对应的机械挡位Gm为变速箱最高挡位Gm，设定变速箱最高挡位Gm下的最高车速Vmax为电子挡位Gn+1对应的最高车速Vn_mmax；
将电子挡位Gn+1和电子挡位Gn_mmax添加至电子挡位列表。
优选的，根据常用作业车速Vn和变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机转速Nnm的方法包括：
公式中，im为变速器在机械档位Gm时的整机传动系统的总速比，π为圆周率，r为车轮滚动半径。
优选的，根据负载牵引力Fn以及变速箱中各机械档位的传动比im计算驱动电机作业扭矩Tnm的方法包括：
公式中，im为变速器在机械档位Gm时的整机传动系统的总速比，η为整机传动系统的总效率，r为车轮滚动半径。
第三方面本发明提供了一种工程机械挡位控制系统的控制方法，包括：
根据驱动电机转速和变速器的机械挡位进行实时计算获得当前车速Vcur；
接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为作业模式信息时，启动作业模式下挡位控制功能；
根据挡位选择器输入的挡位选择信号确定选择挡位Gsel；基于选择挡位Gsel确定最高车速Vn_mmax并控制变速器进行机械挡位Gm切换；
计算整机当前车速Vcur与最高车速Vn_mmax的差值ΔV；当差值ΔV大于预设值Vtrqctr时，启动挡位控制单元GCU的限扭控制功能，并记录油门踏板的位置信息；
当油门踏板的位置等于或大于预设值Ptrqctr时，通过控制驱动电机扭矩使当前车速Vcur按照最高车速Vn_mmax行驶；
当油门踏板的位置小于预设值Ptrqctr时，退出挡位控制单元GCU的限扭控制功能。
优选的，根据驱动电机转速和变速箱的机械挡位进行实时计算获得当前车速Vcur，表达公式为：
公式中，im为变速器在机械挡位Gm时的整机传动系统的总速比，π为圆周率，r为车轮滚动半径；Ncur为驱动电机当前转速。
优选的，基于选择挡位Gsel确定最高车速Vn_mmax并控制变速器进行机械挡位Gm切换的方法包括：
获取当前执行的电子挡位，记为Gcur；判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur一致时，保持变速箱机械挡位Gm和最高车速Vn_mmax不变；
判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur不一致时，将选择挡位Gsel对应的机械挡位记为m_sel，对应的最高车速Vn_mmax记为VGsel，电子挡位Gcur对应的机械挡位记为m_cur；
对机械挡位m_sel和机械挡位m_cur进行比较；若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur一致，保持变速器机械挡位m_cur不变，设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel；
若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur不一致，控制变速器切换机械挡位至机械挡位m_sel，并设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel。
优选的，还包括：接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为驾驶模式，利用控制机械挡位和油门踏板位置控制车速。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明对使用电机驱动的工程机械，设定作业模式和行驶模式。作业模式下，在原有机械挡位的基础上增设多个电子挡位，组合成驾驶员可选挡位，根据整机实际作业的车速需求和电机效率特性确定各个挡位的预设最高车速，通过控制电机扭矩，使各驾驶员可选挡位下的最高车速只能达到预设最高车速，驾驶员可通过手动控制挡位切换，控制整机作业时的最高车速；在驾驶模式下，驾驶员主要通过控制机械挡位和油门踏板位置控制车速。
附图说明
图1是本实施例1提供的工程机械挡位控制系统的结构图；
图2是本实施例2提供的电子挡位建立方法的流程图；
图3是本实施例3提供的作业模式下挡位控制的流程图；
图4是本实施例3提供的工程机械挡位控制系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1
如图1所示，一种工程机械挡位控制系统，包括挡位控制单元GCU、电机控制单元MCU和变速器；所述挡位控制单元GCU通过电机控制单元MCU与驱动电机电性连接；所述驱动电机与所述变速箱的输入轴连接；所述变速箱的输出轴通过传动轴与所述车轮连接；
所述挡位控制单元GCU分别电性连接油门踏板位置传感器、挡位选择器和驾驶模式切换开关；所述油门踏板位置传感器采集油门踏板的位置信息，所述驾驶模式切换开关用于向挡位控制单元GCU输入的模式切换信息，模式切换信息包括驾驶模式信息和作业模式信息；所述挡位选择器用于向挡位控制单元GCU输入挡位切换信息；所述挡位控制单元GCU根据油门踏板的位置信息、模式切换信息和挡位切换信息控制变速箱和电机动作。
所述挡位控制单元GCU配置电子挡位列表；所述电子挡位列表设有nx个电子挡位Gn_mmax；所述变速箱配置有mx个机械挡位Gm；各电子挡位Gn_mmax设置有最高车速Vn_mmax以及对应的机械挡位Gm,max；所述机械挡位Gm,max设置为在最高车速Vn_mmax下工作效率最高的机械挡位。
本实施可在保证电驱动工程机械的整机作业效率的前提下，解决电驱动工程机械在作业时存在的车速区间过宽导致不能满足低车速需求问题和难以通过油门踏板开度准确控制车速问题，同时还可以提高电机经济效率，提高整机的续航能力。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种工程机械挡位控制系统的电子挡位建立方法，所述电子挡位建立方法能够应用于实施例1所述工程机械挡位控制系统，电子挡位建立方法包括：
获取常用作业车速Vn及其对应的负载牵引力Fn；根据常用作业车速Vn和变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机转速Nnm，表达公式为：
根据负载牵引力Fn以及变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机作业扭矩Tnm；表达公式为：
公式中，im为变速器在机械挡位Gm时的整机传动系统的总速比，η为整机传动系统的总效率，π为圆周率，r为车轮滚动半径。
建立电子挡位Gn_mmax，选择常用作业车速Vn作为电子挡位Gn_mmax对应的最高车速Vn_mmax；设定电子挡位Gn_mmax与机械挡位Gm的对应关系，由驱动电机转速Nnm和驱动电机作业扭矩Tnm确定驱动电机的工作效率ηnm；选择工作效率ηnm最高的机械挡位Gm作为电子挡位Gn_mmax对应的机械挡位Gm，记为机械挡位Gm,max；
建立电子挡位Gn+1，设定电子挡位Gn+1对应的机械挡位Gm为变速箱最高挡位Gm，设定变速器最高挡位Gm下的最高车速Vmax为电子挡位Gn+1对应的最高车速Vn_mmax；
将电子挡位Gn+1和电子挡位Gn_mmax添加至电子挡位列表。
实施例3
如图3和图4所示，本实施例提供了一种工程机械挡位控制系统的控制方法，所述控制方法能够应用于实施例1所述工程机械挡位控制系统，控制方法包括：
根据驱动电机转速和变速器的机械挡位进行实时计算获得当前车速Vcur，计算公式为：
公式中，im为变速器在机械挡位Gm时的整机传动系统的总速比，π为圆周率，r为车轮滚动半径；Ncur为驱动电机当前转速。
接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为作业模式信息时，启动作业模式下挡位控制功能；
根据挡位选择器输入的挡位选择信号确定选择挡位Gsel；基于选择挡位Gsel确定最高车速Vn_mmax并控制变速箱进行机械挡位Gm切换的方法包括：
获取当前执行的电子挡位，记为Gcur；判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur一致时，保持变速器机械挡位Gm和最高车速Vn_mmax不变；
判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur不一致时，将选择挡位Gsel对应的机械挡位记为m_sel，对应的最高车速Vn_mmax记为VGsel，电子挡位Gcur对应的机械挡位记为m_cur；
对机械挡位m_sel和机械挡位m_cur进行比较；若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur一致，保持变速箱机械挡位m_cur不变，设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel；
若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur不一致，控制变速器切换机械挡位至机械挡位m_sel，并设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel。
计算整机当前车速Vcur与最高车速Vn_mmax的差值ΔV；当差值ΔV大于预设值Vtrqctr时，启动挡位控制单元GCU的限扭控制功能，并记录油门踏板的位置信息；
当油门踏板的位置等于或大于预设值Ptrqctr时，使用PID算法通过控制驱动电机扭矩使当前车速Vcur按照最高车速Vn_mmax行驶；
当油门踏板的位置小于预设值Ptrqctr时，退出挡位控制单元GCU的限扭控制功能。
接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为驾驶模式，利用控制机械挡位和油门踏板位置控制车速。
通过上述方法及系统可在保证整机作业效率的前提下，提高驾驶员对电驱工程机械整机作业车速控制的合理性和简易性，保证作业安全，减少驾驶员疲劳，提升电机经济效率，提高整机续航能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工程机械挡位控制系统，其特征在于，包括挡位控制单元GCU、电机控制单元MCU和变速箱；所述挡位控制单元GCU通过电机控制单元MCU与驱动电机电性连接；所述驱动电机与所述变速箱的输入轴连接；所述变速箱的输出轴通过传动轴与所述车轮连接；
所述挡位控制单元GCU分别电性连接油门踏板位置传感器、挡位选择器和驾驶模式切换开关；所述油门踏板位置传感器采集油门踏板的位置信息，所述驾驶模式切换开关用于向挡位控制单元GCU输入驾驶模式切换信息，所述挡位选择器用于向挡位控制单元GCU输入挡位切换信息；所述挡位控制单元GCU根据油门踏板的位置信息、模式切换信息和挡位切换信息控制变速箱和电机动作。
2.根据权利要求1所述的工程机械挡位控制系统，其特征在于，所述驾驶模式切换开关向挡位控制单元GCU输入的模式切换信息包括驾驶模式信息和作业模式信息。
3.根据权利要求2所述的工程机械挡位控制系统，其特征在于，所述挡位控制单元GCU配置电子挡位列表；所述电子挡位列表设有nx个电子挡位Gn_mmax；所述变速箱配置有mx个机械挡位Gm；各电子挡位Gn_mmax设置有最高车速Vn_mmax以及对应的机械挡位Gm,max；所述机械挡位Gm,max设置为在最高车速Vn_mmax下工作效率最高的机械档位Gm。
4.根据权利要求3所述的工程机械挡位控制系统的电子挡位建立方法，包括：
获取常用作业车速Vn及其对应的负载牵引力Fn；根据常用作业车速Vn和变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机转速Nnm；根据负载牵引力Fn以及变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机作业扭矩Tnm；
建立电子挡位Gn_mmax，选择常用作业车速Vn作为电子挡位Gn_mmax对应的最高车速Vn_mmax；设定电子挡位Gn_mmax与机械挡位Gm的对应关系，由驱动电机转速Nnm和驱动电机作业扭矩Tnm确定驱动电机的工作效率ηnm；选择工作效率ηnm最高的机械挡位Gm作为电子挡位Gn_mmax对应的机械挡位Gm，记为机械挡位Gm,max；
建立电子挡位Gn+1，设定电子挡位Gn+1对应的机械挡位Gm为变速箱最高挡位Gm，设定变速箱最高挡位Gm下的最高车速Vmax为电子挡位Gn+1对应的最高车速Vn_mmax；
将电子挡位Gn+1和电子挡位Gn_mmax添加至电子挡位列表。
5.根据权利要求4所述的电子挡位建立方法，其特征在于，根据常用作业车速Vn和变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机转速Nnm的方法包括：
公式中，im为变速箱在机械挡位Gm时的整机传动系统的总速比，π为圆周率，r为车轮滚动半径。
6.根据权利要求4所述的电子挡位建立方法，其特征在于，根据负载牵引力Fn以及变速箱中各机械挡位的传动比im计算驱动电机作业扭矩Tnm的方法包括：
公式中，im为变速器在机械档位Gm时的整机传动系统的总速比，η为整机传动系统的总效率，r为车轮滚动半径。
7.根据权利要求3所述的一种工程机械挡位控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
根据驱动电机转速和变速器的机械挡位进行实时计算获得当前车速Vcur；
接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为作业模式信息时，启动作业模式下挡位控制功能；
根据挡位选择器输入的挡位选择信号确定选择挡位Gsel；基于选择挡位Gsel确定最高车速Vn_mmax并控制变速器进行机械挡位Gm切换；
计算整机当前车速Vcur与最高车速Vn_mmax的差值ΔV；当差值ΔV大于预设值Vtrqctr时，启动挡位控制单元GCU的限扭控制功能，并记录油门踏板的位置信息；
当油门踏板的位置等于或大于预设值Ptrqctr时，通过控制驱动电机扭矩使当前车速Vcur按照最高车速Vn_mmax行驶；
当油门踏板的位置小于预设值Ptrqctr时，退出挡位控制单元GCU的限扭控制功能。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据驱动电机转速和变速箱的机械挡位进行实时计算获得当前车速Vcur，表达公式为：
公式中，im为变速箱在机械挡位Gm时的整机传动系统的总速比，π为圆周率，r为车轮滚动半径；Ncur为驱动电机当前转速。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，基于选择挡位Gsel确定最高车速Vn_mmax并控制变速器进行机械挡位Gm切换的方法包括：
获取当前执行的电子挡位，记为Gcur；判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur一致时，保持变速器机械挡位Gm和最高车速Vn_mmax不变；
判断选择挡位Gsel与电子挡位Gcur不一致时，将选择挡位Gsel对应的机械挡位记为m_sel，对应的最高车速Vn_mmax记为VGsel，电子挡位Gcur对应的机械挡位记为m_cur；
对机械挡位m_sel和机械挡位m_cur进行比较；若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur一致，保持变速器机械挡位m_cur不变，设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel；
若机械挡位m_sel和机械挡位m_cur不一致，控制变速箱切换机械挡位至机械挡位m_sel，并设定最高车速Vn_mmax为选择挡位Gsel对应的预设最高车速VGsel。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：接收到模式切换信息并识别到模式切换信息为驾驶模式，利用控制机械挡位和油门踏板位置控制车速。
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