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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine elektrische Antriebssteuerung für eine Maschine und insbesondere auf eine elektrische Antriebssteuerung, die ein Steuersystem beinhaltet.
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Hintergrund
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Maschinen, die bei Erdbewegungsarbeiten verwendet werden, sind in der Technik wohl bekannt. Diese Maschinen, die zum Heben und Bewegen von Lasten genutzt werden, können elektrisch angetrieben sein und elektrische Antriebsmotoren verwenden, um die Antriebsräder anzutreiben. Während des Betriebs kann ein Bediener einen Befehl vorsehen, um die Leistung zu steuern, die an die elektrischen Antriebsmotoren geliefert wird, um eine Drehmomentausgabe an die Antriebsräder zu bestimmen.
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Die
US-Patentveröffentlichung 7,853,382 (im Folgenden als das '382-Patent bezeichnet) offenbart eine Maschine mit einem Hubausleger. Das '382-Patent offenbart weiter eine Steuervorrichtung, die ausgelegt ist, um eine Auslegergeschwindigkeit zu bestimmen und die Auslegergeschwindigkeit mit einer angewiesenen Geschwindigkeit zu vergleichen, um einen Geschwindigkeitsfehler zu erhalten, und um den Motor herunterzuregeln, um eine Antriebskraft der Räder ansprechend auf den erhaltenen Geschwindigkeitsfehler zu verringern.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Steuersystem für eine Maschine mit einer Leistungsquelle, einem oder mehreren elektrischen Antriebsmotoren, die mit der Leistungsquelle verbunden sind und mit einem oder mehreren Hub- und Neigezylindern vor. Das Steuersystem beinhaltet eine Eingangseinheit, die konfiguriert ist, um Druckwerte entsprechend den Hub- und Neigezylindern aufzunehmen. Das Steuersystem beinhaltet weiter eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist zum Vergleichen der Druckwerte mit Schwellendruckwerten für die Hub- und Neigezylinder. Die Verarbeitungseinheit erzeugt ein operatives Signal basierend auf dem Vergleich. Das Steuersystem beinhaltet auch ein Steuermodul, das konfiguriert ist, um elektrische Energie zu steuern, die von der Leistungsquelle an einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren basierend auf dem operativen Signal geliefert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine vor. Das Verfahren beinhaltet das Aufnehmen der Druckwerte entsprechend den Hub- und Neigezylindern. Das Verfahren beinhaltet weiter das Vergleichen der Druckwerte mit den Schwellendruckwerten für die Hub- und Neigezylinder. Das Verfahren beinhaltet weiter das Erzeugen des operativen Signals, wenn der Druckwert größer als der Schwellendruckwert ist. Das Verfahren beinhaltet weiter das Steuern der elektrischen Energie, die basierend auf dem operativen Signal an einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren geliefert wird.
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Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Maschine;
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2 veranschaulicht ein Blockdiagramm der Maschine der 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
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3 veranschaulicht einen Prozessablauf für das Betreiben der Maschine.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine Maschine 100, in der verschiedene offenbarte Ausführungsbeispiele implementiert werden können, ist in 1 schematisch veranschaulicht. Die Maschine 100 kann zum Heben und/oder Handhaben bzw. Bewegen einer Last verwendet werden. Die Maschine kann einen Radlader, einen Baggerlader, einen Industrielader, eine Baumrückmaschine bzw. einen Skidder, einen Radtraktor, einen Radbagger, einen Raddozer oder Ähnliches aufweisen. Die Maschine 100 kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, die Bau und Bergbau beinhalten, aber nicht darauf eingeschränkt sind.
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In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, wie es in 1 veranschaulicht ist, kann die Maschine 100 einen Radlader verkörpern, der einen Rahmen 102 beinhaltet. Der Rahmen 102 kann einen Vorderabschnitt 104 und einen Hinterabschnitt 106 beinhalten. In einem Ausführungsbeispiel kann der Vorderabschnitt 104 mit dem Hinterabschnitt 106 durch eine (nicht gezeigte) Gelenkverbindung verbunden sein. Die Maschine 100 kann weiter eine Bedienerstation 108 aufweisen, die eines oder mehrere Steuermittel enthält, um die Operationen der Maschine 100 zu steuern. Die Maschine 100 beinhaltet weiter mit dem Boden in Eingriff stehende Antriebselemente, wie beispielsweise Vorderräder 112, die an dem Vorderabschnitt 104 befestigt sind und Hinterräder 114, die an dem Hinterabschnitt 106 befestigt sind. Die Vorder- und die Hinterräder 112 und 114 tragen die Maschine 100 auf dem Boden 116.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Maschine 100 eine Hubarmanordnung 118 beinhalten, die an dem Vorderabschnitt 104 des Rahmens 102 befestigt ist. Die Hubarmanordnung 118 kann einen Hubarm 120 beinhalten, der drehbar bzw. schwenkbar gelagert an einem Ende 122 an dem Vorderabschnitt 104 befestigt ist. Die Hubarmanordnung 118 kann weiter eine Schaufel 124 beinhalten, die drehbar gelagert an dem anderen Ende 126 des Hubarms 120 befestigt ist. Die Hubarmanordnung 118 kann betreibbar sein, um eine Last 128 anzuheben und handzuhaben.
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In der Hubarmanordnung 118 können der Hubarm 120 und die Schaufel 124 konfiguriert sein, so dass sie drehbar bzw. schwenkbar in Bezug auf den Vorderabschnitt 104 sind, und zwar durch die Hubzylinder 130 und einen Neigezylinder 132. Die Hub- und Neigezylinder 130 und 132 können hydraulische oder pneumatische Zylinder sein, die an einem Ende mit dem Vorderabschnitt 104 verbunden sind. Die Hubzylinder 130 können betriebsmäßig mit dem Hubarm 120 verbunden sein, um den Hubarm 120 gegenüber dem Vorderabschnitt 104 anzuheben oder abzusenken. Weiter kann der Neigezylinder 132 zum Neigen oder Kippen der Schaufel 124 gegenüber dem Vorderabschnitt 104 konfiguriert sein.
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2 veranschaulicht ein Blockdiagramm der Maschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Maschine 100 eine Leistungsquelle 200 beinhalten. Die Leistungsquelle 200 kann die Leistung zum Betreiben der verschiedenen Komponenten der Maschine 100 vorsehen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Leistungsquelle 200 einen Motor 202, wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor, einen Benzinmotor, einen Dieselmotor etc. beinhalten. Die Leistungsquelle 200 kann weiter eine elektrische Einheit 204 beinhalten, die an den Motor 202 gekoppelt ist. Die elektrische Einheit 204 kann als ein Generator arbeiten, um die mechanische Energie von dem Motor 202 in elektrische Energie umzuwandeln. Die Leistungsquelle 200 kann weiter Leistungselektronik 205 zum Steuern und/oder Umwandeln der elektrischen Energie von Wechselstrom auf Gleichstrom und umgekehrt zu beinhalten. Zusätzlich kann die Leistungsquelle 200 auch eine Batterie 206 beinhalten, die elektrisch mit der Leistungselektronik 205 gekoppelt ist, um die elektrische Energie zu speichern. Die Batterie 206 kann jegliche wiederaufladbare Batterie bzw. Akkumulator sein, wie beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd-Batterie), eine Nickel-Metalhybrid-Batterie (NiMH-Batterie), eine Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ionen-Batterie) oder Ähnliches. In einem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Einheit 204 als ein elektrischer Motor arbeiten, der elektrische Energie, die von der Batterie 206 geliefert wird in mechanische Energie umwandelt, um selektiv den Motor 202 anzutreiben.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Maschine 100 elektrische Antriebsmotoren 208 und 210 beinhalten, die mit den Vorderrädern 112 bzw. den Hinterrädern 114 verbunden sein können. In einem Ausführungsbeispiel können die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 umkehrbare bzw. umschaltbare Wechselspannungs- oder Gleichspannungsmotoren mit variabler Drehzahl sein. Die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 können elektrisch mit der Leistungselektronik 205 durch einen Bus 212 zum Aufnehmen der elektrischen Energie verbunden sein. Die Leistungselektronik 205 kann die Spannung und/oder die Frequenz der elektrischen Energie von der elektrischen Einheit 204 modifizieren und die elektrischen Vorderantriebs- und Hinterantriebsmotoren 208 und 210 versorgen. Alternativ können die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 direkt mit der elektrischen Einheit 204 verbunden sein. Die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 sind betriebsmäßig mit den Vorder- und Hinterantriebsrädern 112 und 114 gekoppelt, um eine Drehmomentausgabe vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel können die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 mit den Vorder- und Hinterantriebsrädern 112 und 114 über einen oder mehrere Untersetzungsgetriebesätze verbunden sein.
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Weiter kann, wie in 2 veranschaulicht ist, die Maschine 100 einen Hydraulikkreislauf 214 beinhalten, der strömungsmittelmäßig an die Hubzylinder 130 und den Neigezylinder 132 gekoppelt ist. Der Hydraulikkreislauf 214 kann eine Strömungsmittelquelle 216 zum Speichern eines Strömungsmittels beinhalten. Der Hydraulikkreislauf 214 kann weiter wenigstens eine Werkzeugpumpe 218 zum Vorsehen eines Stromes beinhalten. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Werkzeugpumpe 218 mechanisch über eine mechanische Kopplung mit dem Motor 202 angetrieben bzw. mit Leistung versorgt werden. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen kann die Werkzeugpumpe 218 elektrisch von der elektrischen Einheit 204, der Leistungselektronik 205 oder der Batterie bzw. dem Akku 206 angetrieben bzw. mit Leistung versorgt werden. Der Hydraulikkreislauf 214 kann auch ein Werkzeugventil 220 beinhalten, um den Strom des Strömungsmittels an die Hub- und Neigezylinder 130 und 132 zu steuern, und zwar basierend auf einem Befehl der von einem Bediener empfangen wird.
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In einem Ausführungsbeispiel kann der Hydraulikkreislauf 214 auch ein oder mehrere Richtungssteuerventile 222 und einen Hydraulikmotor 224 beinhalten. Das Richtungssteuerventil 222 kann das Strömungsmittel an die Hub- und Neigezylinder 130 und 132 leiten und es dem Strömungsmittel gestatten zurück in den Hydraulikkreislauf 214 zu fließen, wenn die Hub- oder die Neigezylinder 130 und 132 in einem Leerlaufzustand sind. Der Hydraulikmotor 224 kann das Druckgefälle des Strömungsmittelflusses zurück von den Hub- oder den Neigezylindern 130 und 132 nutzen, um elektrische Energie durch einen Hilfsgenerator 226 zu erzeugten, die genutzt wird, um die Batterie 206 zu laden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Sensoreinheit 228 mit den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 verbunden sein. Die Sensoreinheit 228 kann konfiguriert sein, um den Lastzustand der Maschine 100 zu überwachen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoreinheit 228 Drucksensoren beinhalten, die eine piezo-elektrische Schaltung verwenden, um ein Spannungs- oder ein Stromsignal basierend auf einer Bewegung eines Kolbens in den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 zu erzeugen. Die gemessenen Spannungs- oder Stromsignale können Druckwerte basierend auf dem Druck des Strömungsmittels darstellen, das an die Hub- und Neigezylinder 130 und 132 geliefert wird, was wiederum den Lastzustand der Maschine 100 anzeigt.
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2 veranschaulicht weiter eine schematische Darstellung eines Steuersystems 230, das in der Maschine 100 verwendet wird. Das Steuersystem 230 kann mit den verschiedenen Komponenten der Maschine 100 zusammenarbeiten um den Betrieb der Maschine 100 zu überwachen und zu steuern. Das Steuersystem 230 kann eine Eingabeeinheit 232, eine Verarbeitungseinheit 234 und ein Steuermodul 236 beinhalten. In einem Ausführungsbeispiel kann die Eingabeeinheit 232 konfiguriert sein, um die Druckwerte des Strömungsmittels in den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 in Echtzeit aufzunehmen. Die Eingabeeinheit 232 kann auch Signalverstärkung und Filtern unter Verwendung von in der Technik wohl bekannten Techniken vorsehen.
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Die Verarbeitungseinheit 234 kann beispielsweise einen Satz von Instruktionen, einen Direktzugriffsspeicher bzw. RAM (RAM = Random Access Memory), einen Lesespeicher bzw. ROM (ROM = Read Only Memory), einen Flash-Speicher, eine Datenstruktur und Ähnliches beinhalten, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einem Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinheit 234 einen ersten und einen zweiten Schwellendruckwert des Strömungsmittels entsprechend den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 speichern. In einem Ausführungsbeispiel können der erste und der zweite Schwellendruckwert des Strömungsmittels für die Hub- und Neigezylinder 130 und 132 auf einem Konstruktions- und einem Anwendungskriterium der Maschine 100 basieren, bei dem das Hinterrad 114 vom Boden 116 abheben kann. Darüber hinaus kann die Verarbeitungseinheit 234 zum Vergleichen von Druckwerten des Strömungsmittels in den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 mit dem ersten und zweiten Schwellendruckwert und zum Erzeugen eines operativen Signals konfiguriert sein.
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Das Steuermodul 236 des Steuersystems 230 kann konfiguriert sein zum Steuern der elektrischen Energieversorgung von der Leistungsquelle 200 an die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210, und zwar basierend auf dem operativen Signal. Das Steuermodul 236 kann verschiedene Begrenzungsmittel beinhalten, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Widerstände, Kondensatoren oder Ähnliches, um die elektrische Energie zu steuern, die an die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 geliefert wird. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuermodul 236 in die Leistungselektronik 205 in der Leistungsquelle 200 integriert sein.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Während des Betriebs der Maschine 100 kann sich, wenn die Hubarmanordnung 118 die Last 128 in der Schaufel 124 vom Boden 116 anhebt oder wenn sie bewegt wird, um die Last 128 in die Schaufel 124 zu bringen, der Schwerpunkt der Maschine 100 in Richtung des Vorderabschnitts 104 verschieben. Dies kann bewirken, dass die Hinterräder 114 vom Boden 116 abheben. In einer solchen Situation kann das Liefern von elektrischer Energie an die elektrischen Antriebsmotoren 210, die mit den Hinterrädern 114 assoziiert sind, nicht genutzt werden, um irgendeine Traktion zwischen dem Hinterrad 114 und dem Boden 116 zu erzeugen.
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In der Maschine 100 der vorliegenden Offenbarung ist das Steuersystem 230 konfiguriert zum Bestimmen eines Abhebezustandes für die Hinterräder 114 basierend auf den Druckwerten des Strömungsmittels in den Hub- und Neigezylindern 130 und 132. In dem Fall eines Abhebezustandes kann das Steuersystem 230 konfiguriert sein, um die elektrische Energieversorgung an die elektrischen Antriebsmotoren 210, die die Hinterräder 114 antreiben, zu verringern oder zu beenden. Daher spart das Steuersystem 230 Energie, die möglicherweise nicht in der Lage ist, irgendeine Form von Traktion bzw. Zugkraft vorzusehen.
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3 veranschaulicht einen Prozessablauf 300 zum Betreiben der Maschine 100 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie in dem Prozessfluss 300 veranschaulicht, beinhaltet der Schritt 302 das Aufnehmen von Druckwerten entsprechend den Hub- und Neigezylindern 130 und 132. Die Druckwerte können von der Sensoreinheit 228 aufgenommen werden, die mit den Hub- und Neigezylindern 130 und 132 verbunden ist. Die Druckwerte können von der Eingabeeinheit 232 in dem Steuersystem 230 aufgenommen werden.
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Im Schritt 304 kann die Verarbeitungseinheit 234 die Druckwerte mit den Schwellendruckwerten vergleichen. Die ersten und zweiten Schwellendruckwerte können dem Abhebezustand der Maschine 100 entsprechen. Die ersten und zweiten Schwellendruckwerte können als die Druckwerte in den Hub- bzw. Neigezylindern 130 bzw. 132 definiert sein, wenn die Last 128 in der Schaufel oder das Bewegen der Hubarmanordnung 118, um die Last 128 in die Schaufel 124 zu bringen, den Abhebezustand bewirken kann. Die Verarbeitungseinheit 234 kann eine Differenz zwischen den Druckwerten und den Schwellendruckwerten berechnen.
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Weiter wird im Schritt 306 das operative Signal basierend auf dem Vergleich in Schritt 304 erzeugt. Die Verarbeitungseinheit 234 kann das operative Signal erzeugen, wenn der Druckwert größer ist als der Schwellenwert. Die Verarbeitungseinheit 234 kann das operative Signal an das Steuermodul 236 in dem Steuersystem 230 liefern.
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Schließlich kann im Schritt 308 das Steuermodul 236 die elektrische Energie steuern, die an die elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 in der Maschine 100 geliefert wird, und zwar basierend auf dem operativen Signal. Das operative Signal kann die Instruktionen beinhalten, die elektrische Energie, die basierend auf der im Schritt 304 berechneten Differenz geliefert wird, zu variieren. Die elektrische Energie, die geliefert wird, kann durch die Begrenzungsmittel in dem Steuermodul 236 gesteuert werden, welche die Spannung oder den elektrischen Strom am Bus 212 zwischen der Leistungselektronik 205 und den elektrischen Antriebsmotoren 208 und 210 variiert.
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Entsprechend kann, in der Maschine 100 der vorliegenden Offenbarung, das Steuersystem 230 die Drehmomentausgabe der Hinterräder 114 verringern oder eliminieren, wenn die Hinterräder 114 nicht in der Lage sind, irgendeine Form von produktiver Traktionskraft zu erzeugen. Dies kann zu einem verringerten elektrischen Energieverbrauch und zu signifikanten Brennstoffeinsparungen in der Maschine 100 während des Betriebs führen.
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Das Steuersystem 230 und der Prozessablauf 300 der vorliegenden Offenbarung können auf jegliche Art von Maschine 100 angewandt werden, die eine Last 128 handhabt. Zur beispielhaften Darstellung ist die Maschine 100 als ein Radlader veranschaulicht. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Maschine 100 jedoch ein Baggerlader sein, in dem die Leistung, die an die Vorderräder 112 geliefert wird, in dem Abhebezustand möglicherweise gesteuert werden sollte.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung, wie sie hierin beschrieben ist, mit eingeschlossen sind, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen, wird es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann von einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung der Offenbarung offensichtlich. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen angezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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