DE112008003182T5

DE112008003182T5 - Drehmomentverteilungssystem und -verfahren

Info

Publication number: DE112008003182T5
Application number: DE112008003182T
Authority: DE
Inventors: Evan E. Edwards Jacobson; Corey L. Peoria Gorman; Randall T. Peoria Anderson
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2011-01-20
Also published as: CN101883702B; WO2009073128A3; CN101883702A; WO2009073128A2

Abstract

Maschine (100), umfassend:
einen Motor (104), der während des Betriebs der Maschine (100) ein Motordrehmoment (402) bereitstellt,
eine erste Vorrichtung (322), die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Motordrehmoments (402) während des Betriebs der Maschine (100) zu nutzen und eine Maschinenfunktion bereitzustellen,
eine elektronische Steuerung (252), die dazu ausgebildet ist,
ein Motorsignal (408) zu empfangen, das einen Betriebsparameter des Motors (104) angibt,
ein Drehmomentabgabevermögen (312) des Motors (104) auf der Basis des Motorbetriebsparameters zu bestimmen,
eine Drehmomentanforderung (324) von der ersten Vorrichtung (322) zu empfangen,
die Drehmomentanforderung (324) mit dem Drehmomentabgabevermögen (312) zu vergleichen und
den Teil des Motordrehmoments (402) der ersten Vorrichtung (322) auf der Basis der Drehmomentanforderung (324) und dem Drehmomentabgabevermögen (312) zuzuweisen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Maschinen und insbesondere eine elektronische Leistungssteuerung und -verteilung für Maschinensysteme.
Hintergrund
Eine typische Maschine kann eine oder mehrere Vorrichtung(en) umfassen, die Leistung für den Betrieb verschiedener Maschinensysteme bereitstellt bzw. bereitstellen. Solche Maschinensysteme können Antriebs- und Arbeitsgerätsysteme umfassen, die betrieben werden, um verschiedene Maschinenfunktionen auszuüben. Beispielsweise kann eine Maschine eine Brennkraftmaschine umfassen, die mechanische Leistung bereitstellt. Eine solche mechanische Leistung kann direkt, z. B. zum Antreiben der Maschine, verwendet werden, und/oder sie kann in eine andere Form von Leistung umgewandelt werden, wie z. B. in elektrische oder hydraulische Leistung. Zusätzlich können Maschinen mehr als eine Leistungsquelle umfassen. Ein solches Beispiel kann eine Maschine sein, die ein elektrisches System aufweist, das eine elektrische Leistungsspeichervorrichtung umfasst. Das elektrische System der Maschine kann ein Antriebssystem der Maschine durch die Verwendung eines Generators betreiben, der mit einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Brennkraftmaschine kann ferner mit einem Hydrauliksystem verbunden sein, das zum Betreiben verschiedener Arbeitsgeräte und Lenksysteme der Maschine verwendet wird.
Maschinen können ferner verschiedene Komponenten und Systeme umfassen, die während des Betriebs Leistung verbrauchen. Solche Komponenten und Systeme können aufgrund entweder der Form der Leistung, die für deren Betrieb eingesetzt wird, oder aufgrund ihrer Funktion unterschiedliche Leistungsverbrauchsanforderungen aufweisen. Beispielsweise kann eine Maschine, die ein elektrisches Antriebssystem und ein hydraulisches Lenksystem nutzt, Leistung in der einen oder anderen Form zu verschiedenen Zeiten während des Betriebs erfordern. Die Steuerung und Verteilung von Leistung in solchen Systemen stellt dahingehend eine Herausforderung dar, dass eine feinfühlige Steuerung der Leistungsabgabe des Motors erforderlich ist, um einen stabilen und effizienten Betrieb aufrechtzuerhalten.
Zusammenfassung
Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt eine Maschine, die einen Motor umfasst, der ein Motordrehmoment bereitstellt. Es ist eine erste Vorrichtung angeordnet, die einen Teil des Motordrehmoments während des Betriebs der Maschine nutzt und eine Maschinenfunktion bereitstellt. Eine elektronische Steuerung ist dazu ausgebildet, um ein Motorsignal zu empfangen, das einen Motorbetriebsparameter angibt, und um ein Drehmomentabgabevermögen auf der Basis des Motorbetriebsparameters zu bestimmen. Eine Drehmomentanforderung von der ersten Vorrichtung wird an der elektronischen Steuerung empfangen und mit dem Drehmomentabgabevermögen verglichen. Ein Teil des Motordrehmoments wird der ersten Vorrichtung auf der Basis der Drehmomentanforderung und des Drehmomentabgabevermögens zugewiesen.
In einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Drehmomentverteilungssystem für eine Maschine, die mindestens eine Drehmomentquelle und eine Mehrzahl von Vorrichtungen umfasst, die während des Betriebs ein Drehmoment nutzen. Das Drehmomentverteilungssystem umfasst ein Drehmomentquellevermögen-Modul, das dazu ausgebildet ist, ein Signal zu empfangen, das mindestens einen Betriebsparameter der Drehmomentquelle angibt. Das Drehmomentquellevermögen-Modul bestimmt ein Drehmomentabgabevermögen der Leistungsquelle, das von einem Drehmomentverteilungsmodul empfangen wird. Eine Mehrzahl von Drehmomentanforderungsvorrichtungen, deren jede mit einer entsprechenden der Mehrzahl von Vorrichtungen zusammenhängt, die Drehmoment nutzen, stellt ein Drehmomentanforderungssignal für das Drehmomentverteilungsmodul bereit. Das Drehmomentverteilungsmodul ist dazu ausgebildet, jede der Mehrzahl von Drehmomentanforderungen zu einer Gesamtdrehmomentanforderung zu summieren, die Gesamtdrehmomentanforderung mit dem Drehmomentabgabevermögen zu vergleichen und jeder Vorrichtung der Mehrzahl von Vorrichtungen einen entsprechenden Drehmomentbefehl auf der Basis des Drehmomentabgabevermögens zuzuweisen.
In einem weiteren Aspekt stellt die Offenbarung ein Verfahren zum Verteilen von Leistung zwischen verschiedenen Systemen einer Maschine bereit. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Drehmomentabgabevermögens einer Leistungsquelle der Maschine und das Sammeln von Drehmomentanforderungen von den verschiedenen Systemen der Maschine. Die Drehmomentanforderungen werden summiert, so dass eine Gesamtdrehmomentanforderung erhalten wird, die mit dem Drehmomentabgabevermögen verglichen wird. Wenn die Gesamtdrehmomentanforderung das Drehmomentabgabevermögen übersteigt, wird ein Skalierungsfaktor berechnet und ein entsprechender Drehmomentbefehl wird auf der Basis einer jeweiligen Drehmomentanforderung und dem Skalierungsfaktor bestimmt. Das Drehmomentabgabevermögen wird dann durch Zuweisen der Drehmomentbefehle zu den verschiedenen Systemen der Maschine verteilt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Überblicksansicht eines Kettendozers gemäß der Offenbarung.
2 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten und Systeme einer Maschine gemäß der Offenbarung veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm für ein Drehmomentverteilungssystem gemäß der Offenbarung.
4 ist ein Blockdiagramm für ein Motordrehmomentlaststeuerungsmodul gemäß der Offenbarung.
5 und 6 sind Blockdiagramme von zwei Fehlerkompensatoren gemäß der Offenbarung.
7 bis 9 sind graphische Darstellungen von drei Bedingungen des Motorbetriebs gemäß der Offenbarung.
10 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Verteilen von Drehmoment gemäß der Offenbarung.
11 ist eine graphische Darstellung eines Verfahrens zum Abstimmen von Grenzwerten gemäß der Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
1 ist eine Überblicksansicht eines Beispiels einer Maschine 100. In der Darstellung von 1 ist die Maschine 100 ein Kettendozer 101, der als ein Beispiel für eine Maschine verwendet wird, um eine Leistungssteuerungsanordnung zu veranschaulichen. Während die Anordnung im Zusammenhang mit dem Kettendozer 101 veranschaulicht ist, ist die hier offenbarte Anordnung in verschiedenen anderen Maschinentypen universell anwendbar. Der Begriff „Maschine” kann sich auf jedwede Maschine beziehen, die irgendeine Art von Betrieb ausführt, der mit einer Industrie zusammenhängt, wie z. B. Tagebau, Bauwesen, Landwirtschaft, Transport oder jedwede andere bekannte Industrie. Beispielsweise kann die Maschine eine Erdbewegungsmaschine sein, wie z. B. ein Radlader, ein Bagger, ein Muldenkipper bzw. Dumper, ein Baggerlader, ein Motorgrader, ein Umschlagbagger oder dergleichen. Darüber hinaus kann mit der Maschine ein Arbeitsgerät verbunden sein. Solche Arbeitsgeräte können für verschiedene Einsatzzwecke verwendet werden, einschließlich z. B. Laden, Verdichten, Heben, Kehren, und umfassen z. B. Löffel, Verdichter bzw. Walzen, Gabelhebevorrichtungen, Bürsten, Greifer, Trennvorrichtungen, Schervorrichtungen, Planierschilder, Brecher/Hämmer, Erdbohrer und andere.
Der Kettendozer 101 umfasst einen Rahmen 102, der einen Motor 104 trägt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Motor 104 eine Brennkraftmaschine, die Leistung für verschiedene Maschinensysteme in der Form einer Drehmomentabgabe bereitstellt. Der Betrieb des Kettendozers 101 wird durch einen Bediener gesteuert, der in einem Fahrerhaus 106 sitzt. Das Fahrerhaus 106 ist mit dem Rahmen 102 verbunden und enthält verschiedene Steuervorrichtungen (nicht gezeigt). Ein Planierschild 108 ist mit Schubstangen 110 mit dem Rahmen 102 verbunden und ein Aktuator 112 verbindet das Planierschild 108 bei einer wählbaren Position oder Höhe mit dem Rahmen 102. Der Aktuator 112 ist in der veranschaulichten Ausführungsform ein Hydraulikzylinder.
Der Kettendozer 101 umfasst zwei Kettenbänder 114 (nur eines ist sichtbar). Die zwei Kettenbänder 114 sind ein Beispiel für ein Bodeneingriffselement, jedoch können andere Typen von Bodeneingriffselementen eingesetzt werden, wie z. B. Räder. Die beiden Kettenbänder 114 sind von einem üblichen Typ und drehen sich entlang einer im Allgemeinen vertikalen Ebene bezogen auf den Rahmen 102 des Kettendozers 101. Die Drehung der zwei Kettenbänder 114 wird durch eine Reihe von Stützrollen 116 erleichtert, die direkt oder indirekt mit dem Rahmen 102 verbunden sind. Zwei Elektromotoren (nicht gezeigt), die mit Getriebesystemen oder, in dieser Ausführungsform, mit zwei Endantrieben 118 (nur einer sichtbar) verbunden sind, werden zum Antreiben der zwei Kettenbänder 114 eingesetzt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist jeder der zwei Endantriebe 118 so ausgebildet, dass er eines der zwei Kettenbänder 114 über ein entsprechendes Antriebskettenrad 120 dreht. Die Bewegung des Kettendozers 101 wird durch Drehen der zwei Kettenbänder 114 ausgeführt. Die Drehung der zwei Kettenbänder 114 in der gleichen Richtung und in der gleichen Geschwindigkeit ermöglicht es dem Kettendozer 101, sich auf einem geraden Weg zu bewegen, während unterschiedliche Kettenbandgeschwindigkeiten ein Lenken des Kettendozers 101 erlauben.
Ein schematisches Diagramm eines Antriebs- und Arbeitsgerätsystems 200 für eine Ausführungsform gemäß der Offenbarung ist in dem Blockdiagramm von 2 gezeigt. Das System 200 umfasst einen Motor 202 mit einer drehenden Abtriebswelle 204. Die drehende Abtriebswelle 204 stellt während des Betriebs des Motors 202 Drehmoment und Leistung bereit. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Motor 202 eine Brennkraftmaschine, jedoch kann jedweder andere Typ von Antriebsaggregat verwendet werden. Andere Beispiele für Antriebsaggregate umfassen Elektromotoren und Turbinen.
Ein elektrischer Generator 206 umfasst einen Rotor 208, der mit der drehenden Abtriebswelle 204 des Motors 202 verbunden ist. Der elektrische Generator 206 wird so betrieben, dass er mechanische Leistung von der drehenden Abtriebswelle 204 in elektrische Leistung umwandelt, die an einem ersten elektrischen Ausgangsanschluss 210 und einem zweiten elektrischen Ausgangsanschluss 212 bereitgestellt wird. Eine Kupplung 214 verbindet die drehende Abtriebswelle 204 mit einer Antriebswelle einer hydrostatischen Pumpe 216. Die hydrostatische Pumpe 216 kann eine Verstellpumpe mit einer ersten Auslassleitung 218 und einer zweiten Auslassleitung 220 sein, wobei jede Leitung einen Strom eines mit Druck beaufschlagten Hydraulikfluids bei einem variablen Druck und variabler Flussrate bereitstellen kann. Die hydrostatische Pumpe 216 arbeitet dahingehend, dass sie mechanische Leistung von der drehenden Abtriebswelle 204 in hydrostatische Leistung umwandelt.
In einer Ausführungsform treibt eine elektrische Leistung von dem Generator 206 die Maschine an. In dem veranschaulichten System 200 ist ein erster Elektromotor 222 elektrisch mit dem ersten elektrischen Ausgangsanschluss 210 verbunden. Entsprechend ist ein zweiter Elektromotor 224 mit dem zweiten elektrischen Ausgangsanschluss 212 verbunden. Jeder des ersten und des zweiten Elektromotors 222 und 224 ist mit einem Getriebesystem 226 verbunden, das in einer Ausführungsform ein Planetengetriebesystem umfasst. Jedes Getriebesystem 226 ist mit einem entsprechenden Antriebskettenrad 120 verbunden, das die Drehung jedes der zwei Kettenbänder 114 bewirkt. Wenn das System 200 zum Antreiben der Maschine 100 (1) in Betrieb ist, wird mechanische Leistung von dem Motor 202 in elektrische Leistung an dem Generator 206 umgewandelt. Diese elektrische Leistung wird dem ersten und dem zweiten Elektromotor 222 und 224 zugeführt, um das Getriebesystem 226 und das Antriebskettenrad 120 zu drehen, wodurch die zwei Kettenbänder 114 gedreht werden. Wenn eine elektrische Leistung eingesetzt wird, um die Maschine 100 anzutreiben, wird auf die drehende Abtriebswelle 204 ein Drehmoment oder eine Last ausgeübt, das bzw. die dazu neigt, deren Drehung entgegenzuwirken.
Die hydrostatische Pumpe 216 kann während des Betriebs der Maschine zusammen mit dem ersten und dem zweiten Elektromotor 222 und 224 betrieben werden. In der veranschaulichten Ausführungsform führt die hydrostatische Pumpe 216 ein mit Druck beaufschlagtes Fluid einem ersten hydrostatischen Motor 228 über die erste Auslassleitung 218 und einem zweiten hydrostatischen Motor 230 über die zweite Auslassleitung 220 zu. Der erste und der zweite hydrostatische Motor 228 und 230 können jedwede Funktion an der Maschine ausüben, wie z. B. das Versorgen von Hilfsvorrichtungen oder Arbeitsgeräten, wie z. B. Pumpen, Gebläsen, rotierenden Vorrichtungen, Getreidehebern und/oder anderen Vorrichtungen in der Landwirtschaft oder dem Bauwesen, mit Leistung. In der veranschaulichten Ausführungsform werden der erste und der zweite hydrostatische Motor 228 und 230 verwendet, um die Maschine 100 zu lenken.
Jeder des ersten und des zweiten hydrostatischen Motors 228 und 230 ist mit einem Ablaufbehälter oder Reservoir 232 und einem Steuerventil 234 verbunden. Das Steuerventil 234 ist einfach als Zweipositions-Zweiöffnungs(2-2)-Ventil veranschaulicht, das an einem Auslass davon selektiv ein mit Druck beaufschlagtes Fluid bereitstellen kann. Wenn das Steuerventil 234 aktiv ist, kann ein Fluidstrom durch einen des ersten und des zweiten hydrostatischen Motors 228 und 230 hindurchtreten und dann über das Reservoir 232 zu der hydrostatischen Pumpe 216 zurückgeführt werden. Jeder des ersten und des zweiten hydrostatischen Motors 228 und 230 weist eine Abtriebswelle auf, die mit einer Kupplungsanordnung 236 verbunden ist. Jede Kupplungsanordnung 236 ist so ausgebildet, dass sie selektiv ein entsprechendes Antriebskettenrad 120 in Eingriff nimmt, so dass die Bewegung eines der Kettenbänder 114 oder beider Kettenbänder 114 während der Bewegung der Maschine eingestellt werden kann. Eine solche Einstellung wird typischerweise vorgenommen, wenn sich die Maschine während der Bewegung dreht oder sich im stehenden Zustand dreht. Die Aktivierung der Steuerventile 234 wird durch elektrische Aktuatoren 238 erreicht, die damit in Verbindung stehen und dazu ausgebildet sind, deren Fluidverbindungen zu verändern.
Abgesehen vom Lenken der Maschine kann ein Fluid von der hydrostatischen Pumpe 216 auch mit dem Betrieb verschiedener Arbeitsgeräte im Zusammenhang stehen. Ein solches Arbeitsgerät ist z. B. das Planierschild 108 und dessen Positionierung durch die Wirkung des Aktuators 112, wie es in der 1 gezeigt ist. In der Veranschaulichung von 2 ist ein Hydraulikzylinder 240 so ausgebildet, dass er mit Druck beaufschlagtes Fluid von der hydrostatischen Pumpe 216 über zwei Fluidleitungen 242 empfängt. Die Gegenwart von mit Druck beaufschlagtem Fluid innerhalb von einer der zwei Fluidleitungen 242 wird durch ein Arbeitsgerätventil 244 gesteuert. Das Arbeitsgerätventil 244 steuert selektiv die Fluidverbindungen zwischen der ersten und der zweiten Auslassleitung 218 und 220 und den zwei Fluidleitungen 242durch geeignete Auslenkungsbewegungen. Die Auslenkung des Arbeitsgerätventils 244 wird durch einen elektronischen Aktuator 246 erreicht, jedoch können andere Konfigurationen für das Arbeitsgerätventil 244 und den elektronischen Aktuator 246 eingesetzt werden.
Das System 200 kann ferner verschiedene Leistungsspeichervorrichtungen umfassen, die dahingehend arbeiten, Energie während des Betriebs zu speichern. Eine solche Energie kann verwendet werden, um die Leistungsabgabe des Motors 202 zu verstärken oder sogar zeitweise zu ersetzen. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst das System mindestens einen und gegebenenfalls zwei Druckspeicher 248. Die Druckspeicher 248 sind Vorrichtungen mit einem Innenvolumen, das durch eine bewegbare oder flexible Trennfläche in zwei Kammern getrennt ist. Eine der zwei Kammern ist mit einer Quelle von mit Druck beaufschlagtem Fluid fluidmäßig verbunden und die andere ist im Allgemeinen abgedichtet und enthält ein komprimierbares Gas, wie z. B. Stickstoff. Während des Betriebs kann sich ein unter Druck stehendes Fluid innerhalb der Druckspeicher 248 durch Füllen der entsprechenden Fluidkammer, die z. B. mit der ersten und der zweiten Auslassleitung 218 und 220 verbunden ist, ansammeln.
Ein zusätzlicher Typ von Leistungsspeicher in der veranschaulichten Ausführungsform ist eine elektrische Leistungsspeichervorrichtung 250. Die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 250 kann eine Batterie, ein Kondensator oder jedwede andere Form von elektrischer Leistungsspeichervorrichtung sein. Die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 250 ist mit dem elektrischen Generator 206 verbunden und arbeitet dahingehend, überschüssige elektrische Leistung während des Betriebs anzusammeln oder zu speichern. Eine solche gespeicherte elektrische Leistung kann verwendet werden, um die durch den elektrischen Generator 206 bereitgestellte elektrische Leistung während des Betriebs zu verstärken oder zu ersetzen.
Das System 200 umfasst ferner eine elektronische Steuerung 252, die mit verschiedenen Komponenten und Systemen der Maschine 100 (1) funktionell verbunden ist oder zu diesen gehört. Die elektronische Steuerung kann eine einzelne Steuerung sein oder sie kann mehr als eine Steuerung umfassen, die dazu ausgebildet ist bzw. sind, verschiedene Funktionen und/oder Merkmale einer Maschine zu steuern. Beispielsweise kann eine Hauptsteuerung, die zum Steuern des Gesamtbetriebs der Maschine verwendet wird, zusammenwirkend mit einer Motorsteuerung implementiert sein, die zum Steuern des Motors 202 verwendet wird. In dieser Ausführungsform soll der Begriff „Steuerung” eine, zwei oder mehr Steuerungen umfassen, die verbunden sein können und bei der Steuerung verschiedener Funktionen und Betriebszustände der Maschine 100 (1) zusammenwirken können. Demgemäß werden verschiedene Schnittstellen der Steuerung bezüglich der Komponenten des in dem Blockdiagramm von 2 gezeigten Antriebssystems beschrieben, jedoch sollen diese Schnittstellen den Typ und die Anzahl von verbundenen Komponenten oder die Anzahl der beschriebenen Steuerungen nicht beschränken.
Demgemäß ist die elektronische Steuerung 252 mit verschiedenen Sensoren oder anderen Vorrichtungen verbunden, die Signale bereitstellen, die verschiedene Betriebsparameter der Maschine 100 angeben. Die elektronische Steuerung 252 ist ferner mit verschiedenen Aktuatoren oder anderen Vorrichtungen verbunden, die den Betrieb verschiedener Komponenten und/oder Systeme der Maschine 100 bewirken oder steuern. Wie es bezüglich der folgenden Figuren detaillierter beschrieben ist, kann die elektronische Steuerung 252 Steueralgorithmen ausführen oder in anderer Weise befolgen, die den Betrieb von verschiedenen Komponenten und Systemen der Maschine 100 überwachen und einstellen.
Insbesondere ist die in der 2 veranschaulichte elektronische Steuerung 252 mit jedem des ersten und des zweiten Elektromotors 222 und 224 über eine entsprechende erste und zweite Motorsteuerleitung 254 und 256verbunden, wie es gezeigt ist. Obwohl die erste und die zweite Motorsteuerleitung 254 und 256 so gezeigt sind, dass sie die elektronische Steuerung 252 direkt mit dem ersten und dem zweiten Elektromotor 222 und 224 verbinden, sind solche Verbindungen symbolisch und andere Anordnungen können eingesetzt werden. Beispielsweise können die erste und die zweite Motorsteuerleitung 254 und 256 mit anderen elektrischen Vorrichtungen verbunden sein, wie z. B. Wechselrichterschaltungen, die dahingehend arbeiten, die elektrische Leistung, die dem ersten und dem zweiten Elektromotor 222 und 224 von dem elektrischen Generator 206 zugeführt wird, zu modulieren. In einer solchen Ausführungsform können die erste und die zweite Motorsteuerleitung 254 und 256 ein Einschaltdauersignal (%) oder ein anderes geeignetes Signal bereitstellen, das von anderen elektrischen Vorrichtungen (nicht gezeigt) zum Steuern der Drehzahl und des Drehmoments der Drehung des ersten und des zweiten Elektromotors 222 und 224 genutzt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Elektromotor zum Antreiben der zwei Kettenbänder 114 verwendet werden. In einer solchen alternativen Ausführungsform kann die Ausgangsleistung des Motors durch eine geeignete Getriebe- oder Transmissionsanordnung aufgeteilt werden, dessen bzw. deren Betrieb durch eine geeignete Verbindung mit der elektronischen Steuerung 252 gesteuert werden kann.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die elektronische Steuerung 252 mit der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 250 über eine elektrische Speicherinformationsleitung 258 verbunden. Die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 250 kann eine separate Steuerung (nicht gezeigt) umfassen, die Lade- und Entladezyklen der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 250 überwacht und auch die vorliegende Ladung, das Ausmaß der gespeicherten Ladung abschätzt und/oder den Ladungszustand der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 250 zu jeder Zeit während des Betriebs vorhersagt. Eine solche Steuerung kann über die elektrische Speicherinformationsleitung 258 ein geeignetes elektrisches Speichersignal zu der elektronischen Steuerung 252 leiten, welches das Leistungsvermögen und/oder die Leistungsverbrauchsrate der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 250 angibt.
Die elektronische Steuerung 252 der veranschaulichten Ausführungsform ist ferner mit den elektrischen Aktuatoren 238 über jeweilige Lenksteuerleitungen 260 verbunden. Die Lenksteuerleitungen 260 können ein geeignetes elektrisches Signal bereitstellen, welches durch die elektrischen Aktuatoren 238 das Einstellen der Position und daher der Fluidverbindungen zwischen der hydrostatischen Pumpe 216 und den Steuerventilen 234 bewirkt, welche die Maschine 100 (1) lenken. Drucksensoren 262, die dazu ausgebildet sind, den in der ersten und der zweiten Auslassleitung 218 und 220 vorliegenden Fluiddruck zu messen, können in geeigneter Weise mit der elektronischen Steuerung 252 über die Drucksignalleitungen 264 verbunden sein. Signale, die über die Drucksignalleitungen 264 der elektronischen Steuerung 252 zugeführt werden, geben in Echtzeit den Druck des Fluids an, das von der hydrostatischen Pumpe 216 bereitgestellt wird. Solche Drücke können verwendet werden, um daraus eine Drehmomenteingabe für die hydrostatische Pumpe 216, das Leistungsvermögen der Druckspeicher 248 sowie das Ausmaß der Leistung, die von den verschiedenen Arbeitsgeräten, z. B. dem Hydraulikzylinder 240, während des Betriebs der Maschine 100 (1) verbraucht wird, abzuleiten.
Die elektronische Steuerung 252 ist ferner mit einem oder mehreren elektrischen Sensor(en) 266 verbunden, die zusammen in der 2 gezeigt sind und mit einem einzelnen Bezugszeichen angegeben sind. Die Sensoren 266 können Sensoren umfassen, die den elektrischen Strom, die Spannung, die Phasengleichheit, die Phasenamplitude, die Phasenfrequenz und/oder andere elektrische Parameter messen, die mit dem Betrieb des elektrischen Generators 206 zusammenhängen. Eine zusätzliche elektronische Steuerung (nicht gezeigt) kann mit dem elektrischen Generator 206 verbunden sein. Eine solche zusätzliche elektronische Steuerung kann mit verschiedenen Sensoren verbunden sein, wie z. B. den vorstehend angegebenen Sensoren, und sie kann dazu ausgebildet sein, den Betriebszustand des elektrischen Generators 206 zumindest insofern zu überwachen und zu bestimmen, als die zusätzliche elektronische Steuerung Signale bereitstellen kann, welche die Leistungsabgabe, den Leistungsverbrauch und/oder den vorhergesagten Leistungsverbrauch des elektrischen Generators 206 angeben. Solche Signale können der elektronischen Steuerung 252 über die Generatorsignalleitung 268 zugeführt werden.
Die elektronische Steuerung 252 ist ferner mit einem Abtriebswellensensor 270 über eine Abtriebswellensignalleitung 272 verbunden. Der Abtriebswellensensor 270 ist mit der drehenden Abtriebswelle 204 des Motors 202 verbunden und so ausgebildet, dass er ein Signal bereitstellt, das Betriebsparameter der drehenden Abtriebswelle 204 angibt. Solche Betriebsparameter umfassen die Drehzahl, die Belastung, die Dehnung und/oder die Winkelbeschleunigung der drehenden Abtriebswelle 204. Diese und/oder andere Parameter können zur Bestimmung des Drehmoments verwendet werden, das von dem Motor 202 auf die drehende Abtriebswelle 204 übertragen wird. Es ist klar, dass die Verbindung zwischen dem Rotor 208 des Generators 206 und der hydrostatischen Pumpe 216 an der drehenden Abtriebswelle 204 die Beschleunigung und/oder das Drehmoment beeinflussen kann, die bzw. das während des Betriebs auf die drehende Abtriebswelle 204 ausgeübt wird bzw. werden.
Die elektronische Steuerung 252 ist ferner mit einem Motorsensor 274 verbunden. Obwohl ein einzelnes Element gezeigt ist, um den Motorsensor 274 darzustellen, kann ein solcher Sensor mehr als einen Sensor umfassen, die mehr als einen Motorbetriebsparameter messen, der über eine Motorverbindungsleitung 276 an die elektronische Steuerung 252 geleitet wird. Darüber hinaus kann der Motorsensor 274 eine Motorsteuerung (nicht gezeigt) oder insbesondere eine separate elektronische Steuerung sein, die mit verschiedenen Sensoren an dem Motor verbunden ist, und zwar zusätzlich zu der Verbindung mit verschiedenen Bedienelementen und Aktuatoren, die mit dem Betrieb des Motors 202 zusammenhängen. Insbesondere kann die Motorsteuerung eine Vorrichtung sein, die Signale empfängt, die den Betriebszustand des Motors 202 angeben, solche Signale verarbeitet und geeignete Befehle zum Steuern der Kraftstoffversorgung und der Drehzahl des Motors 202 bereitstellt. Solche Informationen können der elektronischen Steuerung 252 über die Motorverbindungsleitung 276 in der Form von elektrischen, elektronischen oder digitalen Signalen zugeführt werden.
Während des Betriebs übt die Arbeit, die in der Form von elektrischer und/oder hydraulischer Leistung genutzt wird, eine Last in der Form einer Drehmomentlast auf die drehende Abtriebswelle 204 des Motors 202 aus. Eine solche Drehmomentlast kann kontinuierlicher oder momentaner Natur sein und sie kann ferner das Drehmomentvermögen des Motors 202 und/oder anderer Leistungsspeichervorrichtungen des Systems 200 während des Betriebs übersteigen. Aus diesem Grund und aus anderen Gründen ist die elektronische Steuerung 252 gemäß der Offenbarung so ausgebildet, dass sie verschiedene Signale von Komponenten und/oder Systemen der Maschine empfängt, die Drehmomenterzeugungs- und -nutzungsanforderungen der verschiedenen Maschinensysteme bestimmt und das verfügbare Drehmoment in geeigneter Weise abstimmt. Eine Ausführungsform eines Steueralgorithmus, der ein solches Ziel erreichen kann, ist nachstehend beschrieben und in den folgenden Figuren gezeigt.
Ein Blockdiagramm für eine Drehmomentverteilungsstrategie 300 und dazugehörige Systeme ist in der 3 gezeigt. Während des Betriebs stellt eine Gruppe 302 von Drehmomenterzeugungs- oder -speichervorrichtungen Informationen für die Drehmomentverteilungsstrategie 300 bereit, die das Drehmomenterzeugungsvermögen und die Drehmomentreserven angeben, die zur Nutzung durch verschiedene Systeme zu Verfügung stehen. Insbesondere kann eine Maschine einen Motor 304, eine elektrische Leistungsspeichervorrichtung 306, eine hydraulische Leistungsspeichervorrichtung 308 und/oder andere dazugehörige Leistungsspeichervorrichtungen 310 umfassen. Die Maschine 100 (1) umfasst z. B. einen Motor 202 (2), der mit einem elektrischen Generator 206 (2) und einer hydrostatischen Pumpe 216 (2) verbunden ist, wobei diese jeweils Leistung erzeugen oder umwandeln. Eine solche Leistung kann in anderen Vorrichtungen, wie z. B. der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 250 (2) und den Druckspeichern 248 (2), gespeichert werden. Die Drehmomentzuführung in das System umfasst das Drehmoment, das z. B. durch den Motor 304 erzeugt worden ist, oder die Leistung, die im Vorhinein gespeichert worden ist und die jetzt zur Verwendung zur Verfügung steht, z. B. von der elektrischen Leistungsspeichervorrichtung 306, der hydraulischen Leistungsspeichervorrichtung 308, usw.
Jede Komponente oder jedes System innerhalb der Gruppe 302 stellt ein oder mehrere jeweilige(s) Signal(e) für die Drehmomentverteilungsstrategie 300 bereit. (Ein) Signal(e), das bzw. die auf diese Weise bereitgestellt worden ist bzw. sind, gibt bzw. geben das gerade vorliegende Drehmomentvermögen jeder Komponente an und kann bzw. können auch eine Abschätzung des zukünftigen oder vorübergehenden Drehmomentvermögens jeder Komponente umfassen. In einer Ausführungsform steht jede Komponente innerhalb der Gruppe 302 mit einer entsprechenden Drehmomentvermögen-Bestimmungsgröße innerhalb der Drehmomentverteilungsstrategie 300 in Verbindung. Auf diese Weise kann die Verteilungsstrategie flexibel sein, um jedwede Art von Drehmoment zu berücksichtigen, das in jedwedem Maschinen- oder Fahrzeugtyp eingesetzt wird. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt der Motor 304 Informationssignale für ein Modul zur Motordrehmomentlaststeuerung (ETLC) 312 bereit. Das ETLC 312 bestimmt und stellt Informationen über den funktionellen Zustand des Motors 304 bereit. Entsprechend stellt die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 306 Informationen für das Modul für das elektrische Leistungsvermögen (EPC) 314 bereit, die hydraulische Leistungsspeichervorrichtung 308 stellt Informationen für ein Modul für das hydraulische Leistungsvermögen (HPC) 316 bereit, und jedwede andere Leistungsspeichervorrichtungen 310 in dem System können Informationen für eines oder mehrere Leistungsvermögen-Module 318 bereitstellen, die aus Gründen der Einfachheit zusammen als ein einzelner Block dargestellt sind.
Eine Ausführungsform für einen Steueralgorithmus, der innerhalb des ETLC 312 arbeitet, ist in dem Blockdiagramm von 4 gezeigt. Der in der Ausführungsform gezeigte ETLC 312-Steueralgorithmus ist eine beispielhafte Implementierung, die ein Motordrehmomentsignal 402 bereitstellen kann, welches das Drehmoment angibt, das für die Verwendung durch verschiedene Maschinensysteme verfügbar ist. Das Motordrehmomentsignal 402 ist in einer Ausführungsform das Signal, das für ein Leistungsverteilungsmodul (PDM) 320, wie es gezeigt ist, bereitgestellt wird.
In der gezeigten Ausführungsform ist das ETLC 312 so ausgebildet, dass es eine erste Eingabe 404 empfängt, die das Drehmoment angibt, das an der Abtriebswelle des Motors verfügbar ist. Insbesondere ist die erste Eingabe 404 eine Drehmomenteingabe, die in einer Ausführungsform eine Differenz zwischen der Drehmomentabgabe des Motors und dem Lastdrehmoment an der Abtriebswelle des Motors darstellt. Solche Parameter können abgeschätzt und/oder gemessen werden. Eine zugeordnete Motorsteuerung kann die Drehmomentabgabe des Motors auf der Basis der Drehzahl des Motors und der Kraftstoffzuführungsrate bestimmen. Eine solche Information kann in Einheiten des Drehmoments als eine Ausgabe der Motorsteuerung (nicht gezeigt) bestimmt und bereitgestellt werden. Das Lastdrehmoment an der Abtriebswelle des Motors kann mit einem geeigneten Sensor gemessen werden, z. B. mit dem Abtriebswellensensor 270 (2). Die Differenz zwischen dem erzeugten Drehmoment oder der Drehmomentabgabe des Motors und dem Lastdrehmoment an der Abtriebswelle stellt den Drehmomentspielraum dar, der zur Nutzung durch andere Systeme zur Verfügung steht, wobei es sich um einen Parameter handelt, der als Signal am ersten Eingang 404 bereitgestellt wird. Ein Signal, das die Motordrehzahl angibt, wird an einem zweiten Eingang 406 bereitgestellt.
Ein Signal des verfügbaren Motordrehmoments wird an einem dritten Eingang 408 bereitgestellt. Das am dritten Eingang 408 verfügbare Motordrehmoment ist ein Signal, das durch die Motorsteuerung (nicht gezeigt) bereitgestellt wird, und es kann ein Signal der Drehmomentabgabe des Motors sein, nachdem jedwede erforderliche Grenzwerte auferlegt worden sind. Solche Grenzwerte können jedwede Drehmomentgrenzwerte, Rauchbildungsgrenzwerte, die Kraftstoffzuführungsraten auferlegt werden, verschiedene Verminderungen der Motornennleistung, usw., umfassen. Es ist klar, dass das verfügbare Motordrehmoment eine Änderung von Bedingungen des Motorbetriebs, wie z. B. stationäre Fehler und/oder vorübergehende Effekte, nicht berücksichtigt. Somit umfasst das ETLC 312 der veranschaulichten Ausführungsform Verfeinerungen, die eine genauere Abschätzung des Drehmomentvermögens des Motors zu jeder Zeit bereitstellen können.
Die veranschaulichte Ausführungsform für das ETLC 312 umfasst eine erste Einrichtung zum Abschätzen eines stationären Fehlers 410, die einen ersten Kompensationsterm für einen stationären Fehler 412 bereitgestellt. In der veranschaulichten Ausführungsform für das ETLC 312 ist auch eine Einrichtung zum Abschätzen eines vorübergehenden Fehlers 414 einbezogen, die einen Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler 416 bereitstellt. Der Kompensationsterm für einen stationären Fehler 412 gibt jedwede Fehler bei der Drehmomentberechnung an, und zwar ungeachtet deren Herkunft, die zu einem einzelnen Term kombiniert worden sind und die auf der Basis von physikalischen Prinzipien, die auf das System angewandt werden, bestimmt werden. Der Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler 416 gibt jedwedes überschüssige Motordrehmoment an, das durch den Motor genutzt werden kann, wenn eine Änderung der Motordrehzahl stattfindet. Blockdiagramme für eine Ausführungsform der Einrichtung zum Abschätzen eines stationären Fehlers 410 bzw. der Einrichtung zum Abschätzen eines vorübergehenden Fehlers 414 sind in der 5 bzw. der 6 gezeigt.
Die Ausführungsform für die Einrichtung zum Abschätzen eines stationären Fehlers 410, die in der 5 veranschaulicht ist, ist eine potenzielle Implementierung, die dahingehend arbeitet, eine Abschätzung des stationären Fehlers bei der Drehmomentabschätzung bereitzustellen. Eine solche Abschätzung kann in vorteilhafter Weise jedwede bestimmte oder unbestimmte Fehlerquelle berücksichtigen, die in dem System vorliegen kann. Insbesondere sollte die Summe der Drehmomente, die auf die drehende Abtriebswelle des Motors ausgeübt wird, gleich dem Rotationsträgheitsmoment multipliziert mit der Winkelbeschleunigung sein. Daher sollte die Differenz zwischen der Summe der Drehmomente und dem Produkt aus der Winkelbeschleunigung mal dem Rotationsmoment gleich Null sein. Es ist klar, dass ein von Null verschiedenes Ergebnis dieses algebraischen Ausdrucks die Summe jedweder Fehler in dem System darstellt.
Insbesondere veranschaulicht die 5 eine Ausführungsform für eine Einrichtung zum Abschätzen eines stationären Fehlers 410 gemäß dem algebraischen Ausdruck für den Fehler. Die Einrichtung zum Abschätzen eines stationären Fehlers 410 ist dazu ausgebildet, das erste Eingangssignal 404, welches das an der Abtriebswelle des Motors zu Verfügung stehende Drehmoment angibt, und das zweite Eingangssignal 406 zu empfangen, das die Motordrehzahl angibt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Parameter qualitativ angegeben, wobei aus Gründen der Einfachheit eine Umrechung von Einheiten zwischen Operationen nicht durchgeführt wird. Eine Ableitungsfunktion 502 bestimmt eine Ableitung der Motordrehzahl 504. Die Ableitung der Motordrehzahl 504 wird bei einem Multiplizierer 506 mit dem Gesamtrotationsträgheitsmoment 508, das am Schwungrad oder an der Abtriebswelle des Motors vorliegt, multipliziert, um eine Änderungsrate des Drehmomentsignals 510 bereitzustellen. Es ist klar, dass das Rotationsträgheitsmoment 508 eine Konstante ist, welche die Trägheit des Motors, der Abtriebswelle und jedweder anderer physikalischer Strukturen der Maschine, die dazu ausgebildet sind, sich damit zu drehen, darstellt.
Eine zusätzliche Ableitungsfunktion 512 bestimmt eine Ableitung des Drehmoments, das an der Abtriebswelle des Motors vorliegt, 514, und zwar auf der Basis des Signals am ersten Eingang 404. Die Ableitung des Drehmoments, das an der Abtriebswelle des Motors vorliegt, 514, wird von der Änderungsrate des Drehmomentsignals 510 bei einem Summierungspunkt 516 subtrahiert, um eine Gesamtdrehmomentänderungsrate 518 bereitzustellen. Ein Integrierer 522 bestimmt ein Integral 524 des Kompensationsterms für einen stationären Fehler 412, das von der Gesamtdrehmomentänderungsrate 518 bei einem zusätzlichen Summierungspunkt 526 subtrahiert wird, um einen korrigierten stationären Drehmomentfehler 528 bereitzustellen. Der korrigierte stationäre Drehmomentfehler 528 wird bei einem zusätzlichen Multiplizierer 532 mit einer Bandbreitenkonstante 530 multipliziert, um einen normalisierten stationären Drehmomentfehler 534 bereitzustellen, der für den Integrierer 522 bereitgestellt wird und schließlich den Kompensationsterm für einen stationären Fehler 412 liefert.
Unter Bezugnahme auf das in der 6 gezeigte Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der in der 4 gezeigten Einrichtung zum Abschätzen eines vorübergehenden Fehlers 414 veranschaulicht, ist eine Implementierung für einen Algorithmus gezeigt, der dahingehend arbeitet, eine Abschätzung des vorübergehenden Fehlers bei der Drehmomentabschätzung bereitzustellen. Eine solche Abschätzung kann in vorteilhafter Weise das Drehmoment berücksichtigen, das zum Beschleunigen des Motors von einer gerade vorliegenden Motordrehzahl zu einer gewünschten Motordrehzahl erforderlich ist. Solche Änderungen der Motordrehzahl und die Art und Weise des Bestimmens einer gewünschten Motordrehzahl liegen nicht im Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung und es handelt sich dabei um Vorgänge, die aus verschiedenen Gründen während des Betriebs der Maschine auftreten. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist das Drehmoment, das vom Motor beim Beschleunigen auf einen bestimmten Betriebspunkt genutzt wird, dahingehend von Bedeutung, dass ein solches Drehmoment, das zum Beschleunigen des Motors eingesetzt wird, nicht für die Nutzung durch andere Maschinenkomponenten oder -systeme zur Verfügung steht.
Das physikalische Prinzip hinter der Abschätzung des zum Beschleunigen des Motors erforderlichen Drehmoments, so dass das Drehmoment für diesen Zweck reserviert ist und nicht für die Verwendung durch die verschiedenen Maschinensysteme eingesetzt wird, umfasst die Verwendung des folgenden physikalischen Ausdrucks: Jωė = T_Motor – T_Last wobei J das Rotationsträgheitsmoment der Motorabtriebswelle ist, ω die Winkelgeschwindigkeit ist, ė die Ableitung der Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Motordrehzahl ist, T_Motor die Drehmomentabgabe des Motors ist und T_Last die Drehmomentlast an dem Motor ist. Unter bestimmten Annahmen und Näherungen kann die vorstehende Gleichung ausgedrückt werden als: T_Last = T_{Motor verfügbar} – J·Kp·e wobei T_{Motor verfügbar} die begrenzte Motordrehmomentabgabe ist und Kp eine Konstante ist.
Gemäß der Veranschaulichung in der 6 empfängt die Einrichtung zum Abschätzen eines vorübergehenden Fehlers 414 die gerade vorliegende Motordrehzahl am zweiten Eingang 406. Die Motordrehzahl wird an einem Summierungspunkt 604, der den Motordrehzahlfehler 606 bestimmt, mit einem Motordrehzahlsollwert 602 verglichen. Der Motordrehzahlfehler 606 wird bei einem Multiplizierer 612 mit einer Bandbreitenkonstante 608 und mit dem Rotationsträgheitsmoment 610 multipliziert, um einen vorübergehenden Korrekturfaktor 614 bereitzustellen. Der vorübergehende Korrekturfaktor 614 ist im Wesentlichen der Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler 416, nachdem Ober- und Untergrenzen bei einer Begrenzungs- oder Trunkierungsfunktion 616 angewandt worden sind. Als oberer Grenzwert wird das verfügbare Drehmoment 408 eingestellt, während der untere Grenzwert eine kalibrierbare Konstante für eine Abbremsungsgrenze 618 ist, die bei einem zusätzlichen Multiplizierer 620 mit dem Rotationsträgheitsmoment 610 multipliziert wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf das Blockdiagramm von 4 ist ersichtlich, dass alle algebraischen und physikalischen Ausdrücke erfüllt sind. Das verfügbare Motordrehmoment am dritten Eingang wird durch Addieren des Kompensationsterms für einen stationären Fehler 412 an einem ersten Summierungspunkt 418 korrigiert. Der Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler 416 wird von der Summe des ersten Summierungspunkts 418 an einem zweiten Summierungspunkt 420 subtrahiert, um das Motordrehmomentsignal 402 bereitzustellen, das das Drehmoment angibt, das für die Verwendung durch verschiedene Maschinensysteme zur Verfügung steht. Drei Diagramme, die den Betriebsmodus des ETLC 312 unter verschiedenen Betriebsbedingungen veranschaulichen, sind in der 7, der 8 und der 9 gezeigt, insbesondere bezüglich des Betriebs der Einrichtung zum Abschätzen eines vorübergehenden Fehlers 414.
Jede der 7 bis 9 veranschaulicht einen Graphen, der Motorbetriebspunkte bezogen auf eine Leistungskennfeldkurve 702 zeigt. Die Leistungskennfeldkurve 702 ist eine Sammlung von Motorbetriebspunkten, die das maximale Drehmoment oder die maximale Leistung eines Motors darstellt, und zwar aufgetragen gegen die auf einer horizontalen Achse 704 gezeigte Motordrehzahl und die bzw. das auf einer vertikalen Achse 706 gezeigte Motorkraftstoffversorgung oder Motordrehmoment. Für die folgende Diskussion sind zwei spezifische Motordrehzahlen relevant und in den Graphen aufgetragen. Die tatsächliche Motordrehzahl 708 stellt die Drehzahl dar, bei der ein Motor betrieben wird, und die gewünschte Motordrehzahl 710 stellt einen Motordrehzahlsollwert dar, bei dem der Motor betrieben werden sollte. Die tatsächliche Motordrehzahl 708 und die gewünschte Motordrehzahl 710 sind durch vertikale Linien dargestellt, welche die horizontale Achse bei der jeweiligen Motordrehzahl schneiden.
In den Graphen ist auch das Betriebsdrehmoment des Motors dargestellt. Das Betriebsdrehmoment stellt die Drehmomentabgabe dar, die durch den Motor unter den gerade vorliegenden Betriebsbedingungen erzeugt wird. Die Drehmomentabgabe in jedem Graphen ist durch einen Drehmomentbalken 712 dargestellt. Die Höhe des Drehmomentbalkens 712 stellt den Drehmomentwert entlang der vertikalen Achse 706 dar, die den Drehmomentabgabewert des Motors unter den gerade vorliegenden Betriebsbedingungen darstellt.
Bei der in der 7 veranschaulichten Betriebsbedingung wird der Motor bei der gewünschten Motordrehzahl 710 betrieben. Daher fällt die tatsächliche Motordrehzahl 708 mit der gewünschten Motordrehzahl 710 zusammen. Die Höhe des Drehmomentbalkens 712 liegt unterhalb der Leistungskennfeldkurve 702, was zeigt, dass die Drehmomentabgabe des Motors kleiner ist als die maximale Drehmomentabgabe, die der Motor erbringen kann. Bei einer solchen Bedingung liegt eine überschüssige Drehmomentkapazität 714 vor. Die überschüssige Drehmomentkapazität 714 ist graphisch durch die Höhe dargestellt, die den Drehmomentbalken 712 von der Leistungskennfeldkurve 702 trennt. Wenn der Motor unter den in der 7 gezeigten Bedingungen betrieben wird, würde das Ausgangssignal von dem ETLC 312 (3) die überschüssige Drehmomentkapazität 714 des Motors angeben.
Eine andere Betriebsbedingung des Motors ist in der 8 veranschaulicht. Bei dieser Bedingung liegt die Höhe des Drehmomentbalkens 712 auf der Leistungskennfeldkurve 702. Darüber hinaus ist die tatsächliche Motordrehzahl 708 kleiner als die gewünschte Motordrehzahl 710. Bei einer solchen Bedingung liegt keine überschüssige Drehmomentkapazität vor, die von dem Motor verfügbar ist. Anders gesagt ist der Motor bei dieser Bedingung nicht nur voll belastet, sondern kann auch kein Drehmoment abgeben, das den Motor auf die gewünschte Motordrehzahl 710 beschleunigen würde. Wenn der Motor unter den in der 8 gezeigten Bedingungen betrieben wird, kann das Ausgangssignal des ETLC 312 (3) Null sein, was angibt, dass kein zusätzliches Drehmoment von dem Motor verfügbar ist, oder sogar negativ sein, was angibt, dass der Motor überlastet ist.
Ein dritter Betrieb des Motors ist in der 9 veranschaulicht. Bei dieser Bedingung befindet sich die Höhe des Drehmomentbalkens 712 unter der Leistungskennfeldkurve 702, was angibt, dass der Motor unter den Bedingungen eine überschüssige Drehmomentkapazität 714 aufweist. Die tatsächliche Motordrehzahl 708 liegt auch unterhalb der gewünschten Motordrehzahl 710. Unter dieser Bedingung kann das ETLC 312 (3) einen Wert bereitstellen, der kleiner ist als die überschüssige Drehmomentkapazität 714, so dass die Nutzung eines Teils der überschüssigen Drehmomentkapazität 714 durch den Motor erlaubt wird. Der Teil der überschüssigen Drehmomentkapazität 714, der genutzt wird, um den Motor von der tatsächlichen Motordrehzahl 708 zu der gewünschten Motordrehzahl 710 zu beschleunigen, kann kleiner sein als die überschüssige Drehmomentkapazität 714 und kann ferner im Zeitverlauf mit zunehmender Motordrehzahl weiter eingestellt werden. In einer Ausführungsform kann das ETLC 312 (3) den Teil der überschüssigen Drehmomentkapazität 714 so einstellen, dass der Motor gemäß eines Wegs 716, der die Spitze des Drehmomentbalkens 712 mit einem Punkt des maximalen Drehmoments auf der Leistungskennfeldkurve 702 verbindet, welcher der gewünschten Motordrehzahl 710 entspricht, nach und nach beschleunigt.
Es ist eine Ausführungsform des ETLC 312 beschrieben worden, wobei jedoch andere Drehmomentvermögen-Module in einer entsprechenden Weise arbeiten können, um Signale bereitzustellen, die jeweils die Leistung oder das Drehmomentvermögen angeben. Unter erneuter Bezugnahme auf die 3 stellt jedes Drehmomentvermögen-Modul ein Signal für ein Leistungsverteilungsmodul (PDM) 320 bereit. Solche Signale geben das Drehmoment an, das für die Verwendung innerhalb des Systems zu jedwedem Zeitpunkt zur Verfügung steht. Die Summe der Signale, die dem PDM 320 von jedem des ETLC 312, EPC 314, HPC 316 und jedweden anderen derartigen Modulen zugeleitet werden, stellt das für das System verfügbare Gesamtdrehmoment dar. Ein solches Gesamtdrehmoment kann eingesetzt werden, um Maschinensysteme während des Betriebs arbeiten zu lassen. Soweit die Drehmomentverfügbarkeit des Systems bestimmt worden ist, kann auch das Drehmoment bestimmt werden, das zum Betreiben der verschiedenen Systeme und Komponenten des Systems erforderlich ist.
In der gezeigten Ausführungsform werden verschiedene Drehmomentanforderungen von verschiedenen Komponenten und Systemen der Maschine erzeugt und dem PDM 320 zugeleitet. Insbesondere kann ein Antriebsteilsystem (nicht gezeigt), das Komponenten und Systeme, die mit dem Bewegen der Maschine zusammenhängen, überwacht und steuert, eine Drehmomentanforderung auf der Basis eines Befehls durch den Bediener zum Bewegen der Maschine bestimmen. In einer Ausführungsform umfasst ein solches Antriebsteilsystem ein Antriebsdrehmomentanforderung-Unterprogramm 322, das dem PDM 320 eine Antriebsdrehmomentanforderung 324 zuleitet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Antriebsdrehmomentanforderung-Unterprogramm 322 ein Algorithmus, der innerhalb einer anderen oder separaten elektronischen Steuerung als der elektronischen Steuerung arbeitet, in der das PDM 320 arbeitet. Die Antriebsdrehmomentanforderung 324 ist ein kodiertes digitales Signal, das über eine „Confined area network”(CAN)-Verbindung, die das Antriebsdrehmomentanforderung-Unterprogramm 322 mit dem PDM 320 für einen Informationsaustausch dazwischen verbindet, übertragen wird. Die Antriebsdrehmomentanforderung 324 stellt die Belastung des Drehmomentsystems dar, die von dem Antriebsteilsystem angefordert wird. Die Antriebsdrehmomentanforderung 324 kann auch das Ausmaß des Drehmoments darstellen, das die Antriebsteilsysteme anfordern, um die Antriebsfunktion in einem Ausmaß zu erreichen, das von dem Bediener der Maschine angefordert wird.
In einer entsprechenden Weise enthält ein Arbeitsgerätteilsystem ein Arbeitsgerätdrehmomentanforderung-Unterprogramm 326, das dem PDM 320 ein Arbeitsgerätdrehmomentsignal 328 zuleitet. Andere Systeme, die zusammen als ein einzelner Block 330 in der 3 gezeigt sind, leiten dem PDM 320 zusätzliche Drehmomentanforderungen zu, die zusammen als 332 gezeigt sind. Solche zusätzlichen Systeme, die in dem einzelnen Block 330 enthalten sind, können z. B. Kühlgebläse, Klimatisierungskompressoren, verschiedene elektronische Systeme, Beleuchtungssysteme, Hilfsarbeitsgerätsysteme und andere Systeme umfassen, die an der Maschine arbeiten und die Leistung verbrauchen, die mit einer Drehmomentlast an der drehenden Welle des Motors zusammenhängt. Solche anderen Systeme, wie sie durch den einzelnen Block 330 dargestellt sind, können Systeme der Maschine umfassen, deren Drehmomentnutzung und folglich deren Drehmomenterfordernisse nicht direkt gesteuert werden können. Solche nicht-steuerbaren Systeme umfassen einen Leistungsverlust in der Maschine aufgrund von Reibung, die Leistung, die in einem Schwungrad eines Motors gespeichert ist, Verluste aufgrund von Leckagen von Hydraulikfluid oder von elektrischem Strom, usw.
Das PDM 320 ist dazu ausgebildet, Signale zu empfangen, die das Drehmomentvermögen des Systems angeben, sowie Signale, welche die Drehmomentnutzungserfordernisse des Systems angeben. Von einer breiten Perspektive her betrachtet arbeitet das PDM 320 dahingehend, die Drehmomentnutzung mit dem Drehmomenterzeugungsvermögen des Systems zu vergleichen und die zwei abzustimmen, um einen stabilen und effizienten Betrieb der Maschine zu erreichen. Bei der Durchführung einer solchen Drehmomentabstimmung können verschiedene Kriterien eingesetzt werden. In einer Ausführungsform kann das PDM 320 Informationen bezüglich der Priorität umfassen, die jedes System über die anderen hat. Solche Prioritätsinformationen können verwendet werden, um zu bestimmen, welches System Drehmoment erhalten kann, wenn nicht ausreichend Drehmoment zur Verfügung steht, um allen Drehmomentanforderungen zu genügen. Ein zusätzliches Kriterium, das von dem PDM 320 in einer Ausführungsform eingesetzt wird, ist eine Information, die das minimale Ausmaß des Drehmoments repräsentiert, das ein System erhalten kann. Beispielsweise können verschiedene Systeme ein Drehmomentminimum erfordern, um zu arbeiten. Wenn nicht ausreichend Drehmoment zur Verfügung steht, kann das PDM 320 die Drehmomente einstellen, die den verschiedenen Systemen zugewiesen werden, während sichergestellt wird, dass jedes System mindestens ein Drehmomentausmaß zugeführt wird, das für den Betrieb dieses Systems erforderlich ist.
Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Verteilen von Drehmoment ist in der 10 gezeigt. In einem Betriebsprozess bildet oder berechnet das PDM 320 bei 1002 die Summe aller Quellen, die Drehmoment erzeugen oder positiv zu der Drehmomentverfügbarkeit des Systems beitragen. Die summierten Drehmomentbeiträge werden bei 1004 verwendet, um einen Wert zu berechnen, der das verfügbare Drehmoment in dem System darstellt. In manchen Fällen wird Drehmoment durch Vorrichtungen genutzt, die nicht gesteuert werden können, wie es vorstehend beschrieben worden ist. In solchen Fällen wird das Drehmoment, das von solchen nicht-steuerbaren Vorrichtungen genutzt oder eingesetzt wird, bei 1006 von dem verfügbaren Drehmoment subtrahiert, so dass bei 1008 eine Abschätzung des verfügbaren Restdrehmoments erhalten wird. Das bei 1008 abgeschätzte verfügbare Restdrehmoment stellt das Drehmomentvermögen des Systems dar. Ein solches Drehmoment steht für die Verwendung durch steuerbare Vorrichtungen, wie z. B. die Antriebs- oder Arbeitsgerätsysteme einer Maschine, zur Verfügung.
Nach der Bestimmung des verfügbaren Restdrehmoments bei 1008 bildet oder berechnet das PDM 320 bei 1010 die Summe aller minimalen Drehmomenterfordernisse für jedes der gesteuerten Systeme und bei 1011 die Summe aller angeforderten Drehmomente. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann jedes System, das in Betrieb ist, ein Drehmomentminimum erfordern, um einen fortgesetzten Betrieb sicherzustellen. Die Summe der minimalen Drehmomenterfordernisse wird bei 1012 mit dem verfügbaren Restdrehmoment verglichen. Wenn die minimalen Drehmomente gleich oder größer als das verfügbare Restdrehmoment sind, kann das Drehmomentvermögen des Systems bei 1014 gegebenenfalls erhöht werden, und jedem Drehmomentnutzer kann dessen minimales Drehmoment bei 1016 auf der Basis der Drehmomentverfügbarkeit und der Systempriorität zugeordnet werden. Bei einer solchen Bedingung kann die Maschine in einem „Notlaufmodus” betrieben werden, der eine beschränkte Funktion von essentiellen Maschinensystemen zulässt, wie z. B. des Antriebssystems, und für nicht-essentielle Maschinensysteme, wie z. B. Arbeitsgerätsysteme, die Arbeitsfunktionen durchführen, kann kein Drehmoment bereitgestellt werden.
Wenn der Wert des verfügbaren Restdrehmoments die Summe der minimalen Drehmomentanforderungen übersteigt, wird bei 1018 die Summe der angeforderten Drehmomente mit dem verfügbaren Restdrehmoment verglichen.
Wenn die Summe der angeforderten Drehmomente kleiner ist als das verfügbare Restdrehmoment, empfängt jedes Teilsystem bei 1020 das Drehmoment, das von jedem Teilsystem angefordert worden ist, und der Prozess wiederholt sich. Gegebenenfalls wird bei 1022 ein Befehl zum Vermindern der Drehmomentzufuhr zu dem System durchgeführt, um die Effizienz zu verbessern.
Wenn das verfügbare Restdrehmoment größer ist als das minimale Drehmomenterfordernis, jedoch kleiner ist als die Summe der Drehmomentanforderungen, wird das verfügbare Restdrehmoment bei 1024 unter den verschiedenen Systemen verteilt, die ein Drehmoment anfordern. In einer Ausführungsform wird ein Skalierungsfaktor angewandt, um das verfügbare Drehmoment im Verhältnis zu verteilen. In einer solchen Ausführungsform wird der Skalierungsfaktor bei 1026 als das Verhältnis des verfügbaren Drehmomentwerts bezogen auf die Summe der Drehmomentanforderungen berechnet. Der Skalierungsfaktor für eine solche Bedingung wäre z. B. gleich der Summe des Drehmomentvermögens des Systems, welches das Drehmoment von dem ETLC 312, EPC 314, HPC 316 und jedwede andere Drehmomentzufuhr 318 umfasst, minus das Drehmoment, das von nicht-steuerbaren Vorrichtungen genutzt wird, dividiert durch die Summe der Drehmomentanforderungen 324, 328 und 332, wie es in der 3 angegeben ist.
Nach dem Bestimmen des Skalierungsfaktors bei 1026 kann das an jedes Teilsystem verteilte Drehmoment bei 1028 durch Multiplizieren des Skalierungsfaktors mit jeder Drehmomentanforderung berechnet werden, wobei ein resultierender Drehmomentbefehl für jedes System erhalten wird. In einer Ausführungsform wird der resultierende Drehmomentbefehl bei 1030 mit dem minimalen Drehmoment für jedes jeweilige System verglichen. Wenn ein bestimmtes System weniger als das jeweilige minimale Drehmoment zugewiesen bekommt, kann das PDM 320 bei 1032 das diesem System zugewiesene Drehmoment erhöhen, so dass das minimale Drehmoment zugewiesen wird. Ein solches minimales Drehmoment, das einem bestimmten System zugewiesen wird, kann von dem verfügbaren Drehmoment bei 1034 subtrahiert werden, und der Skalierungsfaktor kann dann bei 1026 erneut berechnet werden, um ihn zu verwenden, wenn ein Drehmoment zur Nutzung durch die restlichen Systeme zugewiesen wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 3 weist das PDM 320 ein Drehmoment oder eine Leistung in der vorstehend beschriebenen Weise zu und stellt angemessene Drehmomentbefehlsignale für die verschiedenen Systeme der Maschine bereit. Insbesondere stellt das PDM 320 ein Antriebsdrehmomentbefehlsignal 334 für ein Antriebsausgabebefehlmodul 336 bereit. Ein Arbeitsgerätausgabebefehlsignal 338 wird für ein Arbeitsgerätausgabebefehlmodul 340 bereitgestellt und andere Ausgabebefehlsignale 342 werden für andere Ausgabebefehlmodule 344 bereitgestellt, die zusammen in einem einzelnen Block gezeigt sind. Solche anderen Ausgabebefehlmodule 344 können verschiedene Komponenten oder Systeme der Maschine umfassen, können jedoch auch eine oder mehrere der Leistungsspeichervorrichtungen umfassen, wie z. B. die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 306 oder die hydraulische Leistungsspeichervorrichtung 308. Es sollte beachtet werden, dass die Leistungsspeichervorrichtungen bei der Abgabe die gespeicherte Leistung für das System verfügbar machen, jedoch auch als Drehmomentnutzer wirken können, wenn Leistung eingespeist wird.
Jedes des Antriebsausgabebefehlmoduls 336 und des Arbeitsgerätausgabebefehlmoduls 340 gehört zu einem jeweiligen System der Maschine und ist so ausgebildet, dass es dessen Betrieb steuert. Beispielsweise kann das Antriebsausgabebefehlmodul 336 direkt oder indirekt die elektrische Leistung steuern, die durch den ersten und den zweiten Elektromotor 222 und 224 (2), die zum Bewegen der zwei Kettenbänder 114 arbeiten, geleitet wird. Entsprechend kann das Arbeitsgerätausgabebefehlmodul 340 das Ausmaß und die Rate steuern, mit denen das Arbeitsgerätventil 244 (2) betätigt wird, um ein Eintreten von mit Druck beaufschlagtem Fluid in den Hydraulikzylinder 240 (2) zu erlauben, wodurch hydraulische Leistung verbraucht wird. Jedes des Antriebsausgabebefehlmoduls 336 und des Arbeitsgerätausgabebefehlmoduls 340 ist so ausgebildet, dass die Rate, mit der Drehmoment durch die Vorrichtungen, die sie steuern, genutzt wird, mit den durch das PDM 320 bestimmten Ausgabebefehlsignalen im Einklang ist.
Die Drehmomentverteilungsstrategie 300 umfasst ferner ein Drehmomentabstimmungsmodul (TAM) 346. Das TAM 346 arbeitet dahingehend, die Leistung oder das Drehmoment, die bzw. das durch das System verwendet wird, so abzustimmen, dass Vorkehrungen getroffen werden, vorübergehende Drehmomentanforderungen zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass alle Systeme der Maschine innerhalb geeigneter Betriebsbereiche arbeiten. Das TAM 346 ist dazu ausgebildet, Signale zu empfangen, welche die verschiedenen Drehmomentabgabebefehle angeben, z. B. das Antriebsdrehmomentbefehlsignal 334, das Arbeitsgerätausgabebefehlsignal 338, usw. Jedem Drehmomentabgabebefehlsignal ist typischerweise ein minimal und maximal zulässiger Betriebsgrenzwert zugeordnet. Ein solcher Grenzwert kann als Motordrehzahl oder Motorlast angegeben werden. Das TAM 346 kann gespeicherte Grenzwerte entsprechend jedem Teilsystem, das in der Maschine arbeitet, empfangen oder abfragen. Da verschiedene Teilsysteme verschiedene Anforderungen aufweisen können, kann sich der akzeptable Betriebsbereich für ein System über nicht akzeptable Bereiche für andere Teilsysteme erstrecken. Um solche Unstimmigkeiten zu vermeiden, ist das TAM 346 so ausgebildet, dass es alle anwendbaren Grenzwerte zu einem einzelnen Satz von Grenzwerten abstimmt, der den Betriebsbereich jeder Drehmomenterzeugungsvorrichtung oder Drehmomentspeichervorrichtung definiert.
Eine graphische Darstellung einer Ausführungsform einer Grenzwertabstimmung, die durch das TAM 346 durchgeführt wird, ist in der 11 gezeigt. Der gezeigte Graph ist eine Drehmomentkurve 1102 eines Motors, aufgetragen gegen die Motordrehzahl 1104 auf der horizontalen Achse und die Motordrehmomentabgabe 1106 auf der vertikalen Achse. In dem Graphen sind verschiedene Grenzwerte eingetragen, die entweder die Motordrehzahl- oder die Motordrehmomentbereiche eines akzeptablen Betriebs darstellen. Jeder aufgetragene Grenzwert entspricht einem Drehmoment-empfangenden Teilsystem der Maschine. Beispielsweise wird ein erster Satz von Grenzwerten der Motordrehzahl durch eine erste minimale Motordrehzahl 1108 und eine erste maximale Motordrehzahl 1110 dargestellt. Die erste minimale und die erste maximale Motordrehzahl 1108 und 1110 können einem ersten Teilsystem, z. B. dem Arbeitsgerätsteuerungssystem, entsprechen, das den Hydraulikzylinder 240 (2) umfasst. Ein zweiter Satz von Grenzwerten der Motordrehzahl kann auf den Betrieb der Maschine angewandt werden, der eine zweite minimale Motordrehzahl 1112 und eine zweite maximale Motordrehzahl 1114 umfasst. Es ist ersichtlich, dass in diesem Beispiel die erste minimale Motordrehzahl 1108 kleiner sein kann als die zweite minimale Motordrehzahl 1112, wie es gezeigt ist, und dass die zweite maximale Motordrehzahl 1114 größer sein kann als die erste maximale Motordrehzahl 1110.
In einer entsprechenden Weise kann das TAM 346 Grenzwerte empfangen und abfragen, die der Drehmomentabgabe des Motors auferlegt werden. Beispielsweise können solche Drehmomentgrenzwerte minimale Drehmomenterfordernisse für die verschiedenen Teilsysteme, Drehmomentgrenzwerte, die dem Motor für eine Rauchbildungsbeschränkung auferlegt werden, usw., umfassen. In der Veranschaulichung der 11 sind zwei solche Grenzwerte qualitativ gezeigt. Ein erster Satz von Drehmomentgrenzwerten ist durch ein erstes minimales Drehmoment 1116 und ein erstes maximales Drehmoment 1118 dargestellt. Ein zweiter Satz von Drehmomentgrenzwerten ist durch ein zweites minimales Drehmoment 1120, das größer ist als das erste minimale Drehmoment 1116, und ein zweites maximales Drehmoment 1122, das kleiner ist als das erste maximale Drehmoment 1118, dargestellt.
Wenn die verschiedenen Grenzwerte der Teilsysteme bezüglich des Betriebsbereichs des Motors oder jedweder anderen Drehmomenterzeugenden Vorrichtung in dem System abgestimmt werden, vergleicht das TAM 346 die minimalen und maximalen Anforderungen miteinander und wählt ein geeignetes Minimum und ein geeignetes Maximum aus, die allen beteiligten Teilsystemen genügen. Unter Bezugnahme auf die Veranschaulichung von 11 würde ein akzeptabler Betriebsbereich für alle Grenzwerte, die an dem Betriebskennfeld des Motors beteiligt sind, innerhalb eines Überlappungsbereichs 1124 aller Grenzwerte liegen, der durch einen schraffierten Bereich auf dem Graphen dargestellt ist. Es sollte beachtet werden, dass der Überlappungsbereich 1124 zwischen dem größten der minimalen Motordrehzahlgrenzwerte, dem kleinsten der maximalen Drehzahlgrenzwerte, dem größten der minimalen Drehmomentgrenzwerte und dem kleinsten der maximalen Drehmomentgrenzwerte festgelegt ist. Eine solche Integration von Grenzwerten zum Bestimmen des Überlappungsbereichs, so dass allen Grenzwerten genügt werden kann, stellt einen stabilen und effizienten Betrieb des Systems bereit.
Nach dem Bestimmen der geeigneten Grenzwerte für den Betrieb jeder der Drehmoment-erzeugenden oder Drehmoment-liefernden Vorrichtungen in dem System kann das TAM 346 Befehle an solche Systeme zurückliefern, um sicherzustellen, dass deren Betrieb in geeigneter Weise beschränkt ist. Somit stellt das TAM 346 unter Bezugnahme auf die 3 ein Motorsteuerungssignal 348 für den Motor 304, ein Signal 350 bezüglich der elektrischen Leistungsspeicherung für die elektrische Leistungsspeichervorrichtung 306, ein Signal 352 bezüglich der hydraulischen Leistungsspeicherung für die hydraulische Leistungsspeichervorrichtung 308 und andere geeignete Signale bereit. Solche Signale können Informationen bezüglich eines gewünschten Betriebsbereichs sowie Informationen umfassen, die angeben, dass sich der Betriebszustand ändern sollte, z. B. in Fällen, bei denen dem System mehr oder weniger Drehmoment zugeführt werden sollte. Ein lastverstärkte antizipierende Steuerung(„load enhanced anticipatory control”)(LEAC)-Modul 354 kann angeordnet sein, um mit den verschiedenen Drehmoment-erzeugenden Vorrichtungen und Drehmomentspeichervorrichtungen in dem System zu kommunizieren. Das LEAC-Modul 354 kann Algorithmen enthalten, die bevorstehende vorübergehende Änderungen des Systems identifizieren können, wie z. B. von Bedienelementen des Bedieners, die zusätzliches Drehmoment anfordern, bevor solche Änderungen in anderer Weise in dem System ausgeführt werden. Das LEAC-Modul 354 kann in geeigneter Weise die Drehmomentabgabe in den Drehmoment-erzeugenden Systemen der Maschine erhöhen, so dass Erhöhungen der Drehmomentnutzung durchgeführt werden können, wenn eine solche Anforderung des Bedieners oder andere Anfragen in dem System implementiert werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung stellt ein System und ein Verfahren zum Verteilen von Drehmoment oder Leistung, das bzw. die von einer Maschine erzeugt wird, an verschiedene Maschinenteilsysteme bereit. Die Maschine kann Vorrichtungen umfassen, die verwendbare Leistung erzeugen oder speichern. In einem Aspekt wird das Erzeugungsvermögen oder das Vermögen jeder Speichervorrichtung, Drehmoment nach Bedarf bereitzustellen, gesteuert, um sicherzustellen, dass ein angemessenes Drehmoment zum Betreiben der Maschine zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird das Drehmoment, das zur Verwendung zur Verfügung steht, auf die verschiedenen Drehmomentanfordernden Systeme verteilt, so dass der Nutzen der Maschine maximiert werden kann.
In einem weiteren Aspekt stellt die Offenbarung ein System zur Drehmomentverteilung für eine Maschine bereit, die mehr als eine Leistungsquelle umfassen kann, die betrieben werden, um verschiedene Arten von Leistung zu erzeugen. Darüber hinaus kann die Maschine verschiedene Drehmomentnutzer oder Vorrichtungen umfassen, die während des Betriebs Leistung verbrauchen. Das System zur Drehmomentsteuerung und zur Drehmomentverteilung, das hier offenbart ist, ist dahingehend flexibel, dass es angepasst werden kann, um gleichzeitig mit zahlreichen Drehmomentquellen und Drehmomentnutzern arbeiten zu können. Ein Drehmoment, das durch das System gesteuert wird, wird bezüglich einer einzelnen Größe, nämlich dem Drehmoment, gehandhabt. Ein solches Drehmoment kann als eine Eingabe in das System betrachtet werden, wenn es erzeugt wird, und als eine Ausgabe des Systems, wenn es genutzt wird. Eine solche Normalisierung der Leistung bezogen auf das Drehmoment stellt die Flexibilität bereit, eine gleichzeitige Steuerung verschiedener Vorrichtungstypen durchzuführen.
In einem weiteren Aspekt stellt diese Offenbarung ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Drehmomentverteilung in einer Maschine bereit. Das offenbarte System beruht auf physikalischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten, wodurch ein Steuerungsschema bereitgestellt wird, das sowohl genau ist als auch einfach an verschiedene Anwendungen angepasst werden kann. Die Verwendung von Naturgesetzen bei der Bestimmung der Fehler, die mit der Abschätzung des Drehmomentvermögens bei einer Brennkraftmaschine einhergehen, stellt z. B. einen Steuerungsalgorithmus bereit, der in einfacher Weise so maßgeschneidert werden kann, dass er mit jedwedem Motor betrieben werden kann, wobei angenommen wird, dass verschiedene Motor-spezifische Parameter, wie z. B. das Rotationsträgheitsmoment des Motors, aktualisiert werden.
Allgemein beschreibt die Offenbarung eine Maschine, die einen Motor, der während des Betriebs ein Motordrehmoment bereitstellt, und mindestens eine erste Vorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Motordrehmoments während des Betriebs der Maschine zu nutzen und eine Maschinenfunktion bereitzustellen. Eine elektronische Steuerung ist mit mindestens der Maschine und der ersten Vorrichtung verbunden. Die elektronische Steuerung ist dazu ausgebildet, ein Motorsignal zu empfangen, das einen Motorbetriebsparameter angibt, ein Drehmomentabgabevermögen auf der Basis des Motorbetriebsparameters zu bestimmen und eine Drehmomentanforderung von der ersten Vorrichtung zu empfangen. Die elektronische Steuerung vergleicht die Drehmomentanforderung mit dem Drehmomentabgabevermögen und weist den Teil des Motordrehmoments der ersten Vorrichtung auf der Basis der Drehmomentanforderung und des Drehmomentabgabevermögens zu.
In einer Ausführungsform umfasst die Maschine ferner eine zusätzliche Vorrichtung, die während des Betriebs der Maschine ein zusätzliches Drehmoment bereitstellt. In dieser Ausführungsform empfängt die elektronische Steuerung ein Signal, das einen Betriebsparameter der zusätzlichen Vorrichtung angibt, und bestimmt das Drehmomentabgabevermögen auf der Basis des Signals. Die zusätzliche Vorrichtung ist in einer Ausführungsform ein elektrischer Generator.
Die hier beschriebene elektronische Steuerung kann ferner dazu ausgebildet sein, einen Skalierungsfaktor auf der Basis der Drehmomentanforderung und des Drehmomentabgabevermögens zu berechnen und den Teil des Motordrehmoments auf der Basis des Skalierungsfaktors zuzuweisen. Der Motorbetriebsparameter kann eine Motordrehzahl und ein Motordrehmomentsignal umfassen und die elektronische Steuerung kann das Drehmomentabgabevermögen durch Anwenden eines Kompensationsterms für einen stationären Fehler und eines Kompensationsterms für einen vorübergehenden Fehler auf das Motordrehmomentsignal bestimmen.
Die Maschine kann in einer Ausführungsform ferner eine Mehrzahl von Systemen umfassen, die jeweilige minimale und maximale Betriebspunkte bereitstellen. In dieser Ausführungsform ist die elektronische Steuerung ferner dazu ausgebildet, die jeweiligen maximalen und minimalen Betriebspunkte zu einem einzelnen maximalen Betriebspunkt und einem einzelnen minimalen Betriebspunkt abzustimmen.
In einem anderen allgemeinen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Drehmomentverteilungssystem für eine Maschine. Die Maschine kann mindestens eine Drehmomentquelle und eine Mehrzahl von Vorrichtungen umfassen, die während des Betriebs ein Drehmoment nutzen. In einer solchen Ausführungsform umfasst das Drehmomentverteilungssystem ein Drehmomentquellevermögen-Modul, das dazu ausgebildet ist, ein Signal zu empfangen, das mindestens einen Betriebsparameter der Drehmomentquelle angibt, und ein Drehmomentabgabevermögen der Drehmomentquelle zu bestimmen. Das Drehmomentverteilungssystem umfasst ferner ein Drehmomentverteilungsmodul, das dazu ausgebildet ist, das Drehmomentabgabevermögen zu empfangen, sowie eine Mehrzahl von Drehmomentanforderungsvorrichtungen, wobei jede davon mit einer entsprechenden Vorrichtung der Mehrzahl von Vorrichtungen zusammenhängt, die während des Betriebs ein Drehmoment nutzen. Jede der Mehrzahl von Drehmomentanforderungsvorrichtungen ist dazu ausgebildet, ein Drehmomentanforderungssignal für das Drehmomentverteilungsmodul bereitzustellen, wobei dieses Drehmomentanforderungssignal eine Drehmomentanforderung von einer entsprechenden Vorrichtung der Mehrzahl von Vorrichtungen angibt. Das Drehmomentverteilungsmodul ist dazu ausgebildet, jede der Mehrzahl von Drehmomentanforderungen zu einer Gesamtdrehmomentanforderung zu summieren, die Gesamtdrehmomentanforderung mit dem Drehmomentabgabevermögen zu vergleichen und jeder der Mehrzahl von Vorrichtungen auf der Basis des Drehmomentabgabevermögens einen entsprechenden Drehmomentbefehl zuzuweisen.
Im Allgemeinen ist jede Drehmomentanforderungsvorrichtung des Drehmomentverteilungssystems ferner dazu ausgebildet, ein entsprechendes minimales Drehmomenterfordernis und eine entsprechende Priorität für das Drehmomentverteilungsmodul bereitzustellen. In einer solchen Ausführungsform kann das Drehmomentverteilungsmodul ferner so ausgebildet sein, dass jeder entsprechende Drehmomentbefehl auf der Basis des entsprechenden minimalen Drehmomenterfordernisses und der entsprechenden Priorität zugewiesen wird. In den beschriebenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Drehmomentquelle mindestens eine von einer Brennkraftmaschine, einem elektrischen Generator, einer hydrostatischen Pumpe, einer elektrischen Leistungsspeichervorrichtung und einer hydrostatischen Leistungsspeichervorrichtung sein. Die Mehrzahl von Drehmomentanforderungsvorrichtungen kann mindestens eine von einem Hydraulikzylinder, einem Hydraulikmotor, einem Elektromotor, einer elektrischen Leistungsspeichervorrichtung und einer hydraulischen Leistungsspeichervorrichtung umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Drehmomentverteilungssystem ferner ein Drehmomentabstimmungsmodul, das dazu ausgebildet ist, die entsprechenden Drehmomentbefehle zu empfangen, wobei jeder entsprechende Drehmomentbefehl einem Betriebsbereich zugeordnet ist. In einer solchen Ausführungsform stimmt das Drehmomentabstimmungsmodul eine Mehrzahl von Betriebsbereichen, die mit der Mehrzahl von Drehmomentbefehlen zusammenhängen, zu einem einzelnen Betriebsbereich ab. Gegebenenfalls kann das Drehmomentabstimmungsmodul ferner so ausgebildet sein, dass der einzelne Betriebsbereich für eine Steuerung bereitgestellt wird, die mit der mindestens einen Drehmomentquelle in Verbindung steht.
Das Drehmomentverteilungsmodul des Drehmomentverteilungssystems kann ferner dazu ausgebildet sein, einen Skalierungsfaktor auf der Basis eines Verhältnisses des Drehmomentabgabevermögens bezogen auf die Gesamtdrehmomentanforderung zu berechnen und jeden Drehmomentbefehl durch Multiplizieren jeder der Mehrzahl von Drehmomentanforderungen durch den Skalierungsfaktor zu bestimmen. Das Drehmomentverteilungsmodul kann ferner dazu ausgebildet sein, sicherzustellen, dass jeder entsprechende Drehmomentbefehl größer ist als ein entsprechendes minimales Drehmomenterfordernis.
In einem anderen allgemeinen Aspekt stellt die Offenbarung ein Verfahren zum Verteilen von Leistung zwischen verschiedenen Systemen einer Maschine bereit. Ein solches Verfahren umfasst das Bestimmen eines Drehmomentabgabevermögens einer Leistungsquelle der Maschine und das Sammeln von Drehmomentanforderungen von den verschiedenen Systemen der Maschine. Die Drehmomentanforderungen können summiert werden, so dass eine Gesamtdrehmomentanforderung erhalten wird, die mit dem Drehmomentabgabevermögen verglichen wird. Zwischen der Gesamtdrehmomentanforderung und dem Gesamtabgabevermögen wird ein Skalierungsfaktor bestimmt, wenn die Gesamtdrehmomentanforderung das Drehmomentabgabevermögen übersteigt. Danach wird ein jeweiliger Drehmomentbefehl auf der Basis einer jeweiligen Drehmomentanforderung und dem Skalierungsfaktor derart bestimmt, dass das Drehmomentabgabevermögen an die verschiedenen Systeme durch Zuweisen von Drehmomentbefehlen verteilt wird.
Das offenbarte Verfahren kann ferner dahingehend arbeiten, den jeweiligen Drehmomentbefehl mit einem jeweiligen minimalen Drehmomenterfordernis zu vergleichen und ein minimales Drehmoment zuzuweisen, wenn die Summe aller minimalen Drehmomente größer ist als das Drehmomentabgabevermögen. Das Verfahren kann ferner das jeweilige minimale Drehmomenterfordernis mit dem jeweiligen Drehmomentbefehl vergleichen, und, wenn der jeweilige Drehmomentbefehl kleiner ist als das jeweilige minimale Drehmomenterfordernis, den jeweiligen Drehmomentbefehl erhöhen, so dass er mindestens gleich dem jeweiligen minimalen Drehmomenterfordernis ist. Bei solchen Bedingungen kann das Drehmomentabgabevermögen so eingestellt werden, dass es eine Erhöhung des jeweiligen Drehmomentbefehls wiedergibt. In einer Ausführungsform umfasst das Drehmomentabgabevermögen der Leistungsquelle ferner eine Bestimmung eines Kompensationsterms für einen stationären Fehler und eines Kompensationsterms für einen vorübergehenden Fehler.
Zusammenfassung
DREHMOMENTVERTEILUNGSSYSTEM UND -VERFAHREN
Eine Maschine (100) umfasst einen Motor (104), der ein Motordrehmoment (402) bereitstellt. Eine erste Vorrichtung (336), die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Motordrehmoments (402) während des Betriebs zu nutzen, stellt eine Maschinenfunktion bereit. Eine elektronische Steuerung (252) ist dazu ausgebildet, ein Motorsignal (408) zu empfangen, das einen Motorbetriebsparameter angibt, ein Drehmomentabgabevermögen (312) auf der Basis des Motorbetriebsparameters zu bestimmen, eine Drehmomentanforderung (324) von der ersten Vorrichtung (322) zu empfangen und die Drehmomentanforderung (324) mit dem Drehmomentabgabevermögen (312) zu vergleichen. Die elektronische Steuerung (252) ist ferner dazu ausgebildet, den Teil des Motordrehmoments (402) der ersten Vorrichtung (336) auf der Basis der Drehmomentanforderung (324) und dem Drehmomentabgabevermögen (312) zuzuweisen.

Claims

Maschine (100), umfassend: einen Motor (104), der während des Betriebs der Maschine (100) ein Motordrehmoment (402) bereitstellt, eine erste Vorrichtung (322), die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Motordrehmoments (402) während des Betriebs der Maschine (100) zu nutzen und eine Maschinenfunktion bereitzustellen, eine elektronische Steuerung (252), die dazu ausgebildet ist, ein Motorsignal (408) zu empfangen, das einen Betriebsparameter des Motors (104) angibt, ein Drehmomentabgabevermögen (312) des Motors (104) auf der Basis des Motorbetriebsparameters zu bestimmen, eine Drehmomentanforderung (324) von der ersten Vorrichtung (322) zu empfangen, die Drehmomentanforderung (324) mit dem Drehmomentabgabevermögen (312) zu vergleichen und den Teil des Motordrehmoments (402) der ersten Vorrichtung (322) auf der Basis der Drehmomentanforderung (324) und dem Drehmomentabgabevermögen (312) zuzuweisen.
Maschine (100) nach Anspruch 1, bei der die elektronische Steuerung (252) ein Motordrehmomentlaststeuerungsmodul (312) umfasst, das dazu ausgebildet ist, das Drehmomentabgabevermögen des Motors (104) durch Bereitstellen eines Kompensationsterms für einen stationären Fehler (412) und eines Kompensationsterms für einen vorübergehenden Fehler (416), die auf den Motorbetriebsparameter angewandt werden, zu berechnen, wobei der Motorbetriebsparameter das verfügbare Motordrehmoment (402) ist, das eine Differenz zwischen einer Drehmomentabgabe des Motors (104) unter den gerade vorliegenden Bedingungen und einer maximalen Drehmomentabgabe angibt.
Maschine nach Anspruch 2, bei welcher der Kompensationsterm für einen stationären Fehler (412) eine Differenz zwischen der Summe von Drehmomenten, die an einer drehenden Abtriebswelle (204) des Motors (104) vorliegen, und dem Produkt der Winkelbeschleunigung der drehenden Abtriebswelle (204) des Motors (104) multipliziert mit dem Rotationsträgheitsmoment (508) der drehenden Abtriebswelle (204) des Motors (104) und jedweder anderer Komponenten ist, die so angeordnet sind, dass sie sich mit dieser drehen, und wobei der Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler (416) auf einer Differenz zwischen einer tatsächlichen Motordrehzahl (708) und einer gewünschten Motordrehzahl (710) beruht und von einem Produkt der Differenz zwischen der tatsächlichen Motordrehzahl (708) und der gewünschten Motordrehzahl (710), multipliziert mit dem Rotationsträgheitsmoment (508) der drehenden Abtriebswelle (204) des Motors, multipliziert mit einer Konstante, abhängt.
Maschine (100) nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher der Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler (416) im Wesentlichen gleich einem Drehmoment ist, das von dem Motor (104) genutzt wird, um von der tatsächlichen Motordrehzahl (708) auf die gewünschte Motordrehzahl (710) zu beschleunigen, und bei der die elektronische Steuerung (252) dazu ausgebildet ist, den Kompensationsterm für einen vorübergehenden Fehler (416) von dem verfügbaren Motordrehmoment (402) zu subtrahieren.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine zweite Vorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Teil des Motordrehmoments (402) zu nutzen, wobei die elektronische Steuerung (252) ferner dazu ausgebildet ist, eine zweite Drehmomentanforderung (328) von der zweiten Vorrichtung zu empfangen, eine Gesamtdrehmomentanforderung auf der Basis der Summe der Drehmomentanforderung (324) von der ersten Vorrichtung (322) und der zweiten Drehmomentanforderung (328) von der zweiten Vorrichtung zu berechnen und die Gesamtdrehmomentanforderung (326) mit dem Drehmomentabgabevermögen (312) zu vergleichen.
Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektronische Steuerung (252) ferner dazu ausgebildet ist, einen Skalierungsfaktor zu berechnen, wenn die Gesamtdrehmomentanforderung das Drehmomentabgabevermögen übersteigt, und wobei der Skalierungsfaktor gleich einem Verhältnis des Drehmomentabgabevermögens bezogen auf die Gesamtdrehmomentanforderung ist.
Maschine (100) nach Anspruch 6, bei welcher der Teil des Motordrehmoments (402), welcher der ersten Vorrichtung (322) zugewiesen wird, gleich dem Produkt zwischen dem Skalierungsfaktor und der Drehmomentanforderung (324) von der ersten Vorrichtung (322) ist, wenn die Gesamtdrehmomentanforderung das Drehmomentabgabevermögen übersteigt.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die elektronische Steuerung (252) ferner dazu ausgebildet ist, den Teil des Motordrehmoments (402), welcher der ersten Vorrichtung (322) zugewiesen wird, mit einem entsprechenden minimalen Drehmomentgrenzwert, der mit der ersten Vorrichtung (322) zusammenhängt, zu vergleichen.
Maschine (100) nach Anspruch 8, bei der die elektronische Steuerung (252) ferner dazu ausgebildet ist, den Teil des Motordrehmoments (402), welcher der ersten Vorrichtung (322) zugewiesen wird, so zu erhöhen, dass er zumindest mit dem entsprechenden minimalen Drehmomentgrenzwert, der mit der ersten Vorrichtung (322) zusammenhängt, übereinstimmt.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner eine Mehrzahl von Systemen umfasst, die jeweilige minimale und maximale Betriebspunkte bereitstellen, wobei die elektronische Steuerung (252) ferner dazu ausgebildet ist, die jeweiligen minimalen und maximalen Betriebspunkte zu einem einzelnen maximalen Betriebspunkt und einem einzelnen minimalen Betriebspunkt abzustimmen.
Maschine (100) nach Anspruch 10, bei welcher der einzelne maximale Betriebspunkt der kleinste von einer Mehrzahl von maximalen Betriebspunkten ist, die durch die Mehrzahl von Systemen bereitgestellt werden.
Maschine (100) nach Anspruch 10, bei welcher der einzelne minimale Betriebspunkt der größte von einer Mehrzahl von minimalen Betriebspunkten ist, die durch die Mehrzahl von Systemen bereitgestellt werden.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welcher der einzelne minimale Betriebspunkt und der einzelne maximale Betriebspunkt auf mindestens eines von einer Motordrehzahl (1104) und dem Motordrehmoment (402) bezogen sind.
Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektronische Steuerung (252) ein Drehmomentverteilungssystem (200) umfasst, mit: einem Drehmomentquellevermögen-Modul (312), das dazu ausgebildet ist, ein Signal zu empfangen, das mindestens einen Betriebsparameter mindestens einer Drehmomentquelle angibt, und ein Drehmomentabgabevermögen (312) der mindestens einen Drehmomentquelle zu bestimmen, einem Drehmomentverteilungsmodul, das dazu ausgebildet ist, das Drehmomentabgabevermögen (312) zu empfangen, einer Mehrzahl von Drehmomentanforderung(322)-Vorrichtungen, wobei jede der Mehrzahl von Drehmomentanforderung(324)-Vorrichtungen mit einer entsprechenden der Mehrzahl von Vorrichtungen zusammenhängt, die Drehmoment nutzen, wobei die Mehrzahl von Drehmomentanforderung(322)-Vorrichtungen dazu ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Drehmomentanforderungen (324) für das Drehmomentverteilungsmodul (320) bereitzustellen, wobei die Mehrzahl von Drehmomentanforderungen (324) ein jeweiliges Drehmomentanforderung(324)-Signal umfasst, das eine Drehmomentanforderung (324) von einer der Mehrzahl von Vorrichtungen angibt, und wobei das Drehmomentverteilungsmodul (320) dazu ausgebildet ist, jede der Mehrzahl von Drehmomentanforderungen (324) zu einer Gesamtdrehmomentanforderung zu summieren, die Gesamtdrehmomentanforderung mit dem Drehmomentabgabevermögen zu vergleichen und einen entsprechenden Drehmomentbefehl jeder der Mehrzahl von Vorrichtungen auf der Basis des Drehmomentabgabevermögens zuzuweisen.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Maschine (100) gemäß einem Verfahren betrieben wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bestimmen eines Drehmomentabgabevermögens (1004) einer Leistungsquelle der Maschine (100), Sammeln von Drehmomentanforderungen (1011) von den verschiedenen Systemen der Maschine (100), Summieren der Drehmomentanforderungen (1011), so dass eine Gesamtdrehmomentanforderung (1011) erhalten wird, Vergleichen des Drehmomentabgabevermögens mit der Gesamtdrehmomentanforderung (1012), Berechnen eines Skalierungsfaktors (1026), wenn die Gesamtdrehmomentanforderung das Drehmomentabgabevermögen (1018) übersteigt, Bestimmen eines jeweiligen Drehmomentbefehls (1028) auf der Basis einer jeweiligen Drehmomentanforderung und dem Skalierungsfaktor und Verteilen des Drehmomentabgabevermögens (1024) durch Zuweisen jedes jeweiligen Drehmomentbefehls zu jedem System der verschiedenen Systeme der Maschine.