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Technischer Bereich
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Die Patentoffenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die Steuerung industrieller Maschinen, und genauer auf eine proportionale Steuerung eines Getriebes mit stufenloser Übersetzungsänderung (continuous variable transmission, CVT) unter Verwendung einer zustandsraumbasierten arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung („gain scheduling“).
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Stand der Technik
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Die Effizienz von Maschinen findet immer mehr Beachtung bei großen industriell eingesetzten Maschinen, bei Baumaschinen und Maschinen, die abseits befestigter Wege eingesetzt werden. Dies liegt teilweise an immer weiter steigenden Treibstoffpreisen, wird auch zu einem gewissen Teil durch immer strengere Umweltauflagen verursacht. Eine Technologie, die verwendet wird um die Effizienz von Maschinen zu steigern, während gleichzeitig dem Bediener eine verbesserte Bedienungserfahrung bereitgestellt wird, ist das CVT (continously variable transmission) oder Getriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung. Während es viele Arten von CVTs gibt, ist die auf großen Maschinen am häufigsten anzutreffende Art das Parallelpfadvariator-Getriebe, oder hydrostatisches Parallelpfadgetriebe.
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Diese Getriebeart verwendet einen Antriebsstrang, der einen Antrieb bzw. einen Eingang von der Kraftmaschine ebenso wie von einem hydraulischen Motor mit kontinuierlich veränderlichem Abtrieb empfängt. Indem die Drehzahl des hydraulischen Motors sanft verändert wird kann die endgültige Abtrieb der Ausgang des Antriebsstrangs über eine weite Spanne von Drehzahl- und/oder Drehmomentwerten kontinuierlich verändert werden. So nützlich dieses System auch ist, gibt es dennoch bestimmte Nachteile die behoben werden müssen.
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Hier ist von Interesse, dass CVT-Getriebe der oben beschriebenen Art viele Quellen von Nichtlinearität aufweisen, und somit schwierig zu steuern sein können. Zudem kann ein Versagen beim Steuern des Getriebes mit ausreichender Genauigkeit nicht nur in einer unangenehmen Bedienererfahrung resultieren, sondern kann auch zu einem Schaden an der Maschine führen. Beispielsweise kann ein CVT-Getriebe, das in einer Anwendung einer Maschine für den Einsatz auf unbefestigten Straßen verwendet wird, einen mechanischen -Schaden erleiden, wenn die Kraftmaschine und/ oder der Leistungsstrang während der Verzögerung des Fahrzeugs zuvor festgelegte Grenzen der Überdrehzahl überschreiten. Diese Situation kann auftreten, wenn ein Bediener die Maschine unter Verwendung der Kraftmaschine und des Getriebes bremst, anstatt die Betriebsbremse zu verwenden. Am anderen Ende des Drehzahlbereichs können Unterdrehzahlprobleme in einer Anwendung eines Radladers auftreten, wenn beispielsweise die Baggerschaufel schnell in einen Materialhaufen eintritt, was bewirkt, dass die Kraftmaschine eingebremst wird.
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Wie oben angemerkt können Nichtlinearität und Komplexität der CVT-Steuerungssysteme die Steuerung des Überschwingens und Unterschwingens schwierig machen. In einigen Fällen muss sich die Überdrehzahlsteuerungslogik während Richtungswechseln wesentlich ändern, z.B. ändert sich die Systemdynamik deutlich zwischen 2 auf 2, 3 auf 3 („2 to 2, 3 to 3“), und Hochgeschwindigkeitsrichtungswechseln. Um mit den Nichtlinearitäten eines solchen Systems umzugehen wurden abweichungsbasierte arbeitspunktabhängige Parameterumschaltungstechniken auf die standardmäßige PID-Steuerung angewendet. Es bleibt in der Realität jedoch aufgrund der Komplexität der nichtlinearen Systemdynamik eine Herausforderung, mittels einer PID-Steuerung mit abweichungsbasierter arbeitspunktabhängiger Parameterumschaltung alle Anforderungen bezüglich der Leistung zu erfüllen. Somit ist gemäß der Beobachtung des Erfinders ein neues System der CVT-Steuerung erforderlich, um die standardmäßige PID-Steuerung mit abweichungsbasierter arbeitspunktabhängiger Parameterumschaltung in Anwendungen abseits befestigter Straßen zu ersetzen.
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Die
DE 11 2008 002 589 T5 offenbart ein CVT-Steuersystem mit variabler Kraftquellengeschwindigkeit basierend auf einer CVT-Ausgabegeschwindigkeit, wobei für zumindest einen einer Mehrzahl von Geschwindigkeitsmodi eine Steuerung gestaltet ist, eine aktuelle Kraftquellengeschwindigkeit basierend auf zumindest einer aus einer CVT-Ausgangsdrehzahl oder einer Fahrgeschwindigkeit über Grund zu variieren.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme oder Nachteile zu überwinden, die mit dem Stand der Technik assoziiert sind.
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Zusammenfassung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine von einer Kraftmaschine angetriebene, mit Rädern versehene Maschine, welche einen verbesserten Kraftmaschinenüberdrehzahl- und Kraftmaschinenunterdrehzahlschutz aufweist nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Steuerung der von einer Kraftmaschine angetriebenen, mit Rädern versehenen Maschine nach Anspruch 7 sowie durch ein nicht-flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
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In einem Aspekt zeigt und erklärt die Beschreibung eine von einer Kraftmaschine angetriebene mit Rädern versehene Maschine, welche einen verbesserten Kraftmaschinenüberdrehzahl- und Kraftmaschinenunterdrehzahlschutz aufweist. Die Maschine weist ein Parallelpfadgetriebe auf, welches erste und zweite Getriebeeingänge und einen Getriebeausgang aufweist, ebenso wie einen hydraulischen Variator, welcher einen Variatorausgang besitzt, der den ersten Getriebeeingang antreibt, wobei der hydraulische Variator eine Variatorpumpe und einen Variatormotor besitzt, und wobei die Verdrängung der Variatorpumpe durch einen Variatoraktor bzw. Variatorbetätiger gesteuert wird. Die Maschine weist zudem eine Kraftmaschine auf, die einen Kraftmaschinenausgang aufweist, der den zweiten Getriebeeingang antreibt und die Variatorpumpe antreibt, sowie eine Steuereinheit aufweist zum Empfangen eines oder mehrerer Werte, die eine oder mehrere Spannen zulässiger Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten der Kraftmaschine anzeigen, eines Wertes der eine tatsächliche Drehzahl der Kraftmaschine anzeigt, und eines Wertes, der eine Position des Variatorbetätigers anzeigt, wobei die Steuereinheit gestaltet ist um die Position des Variatorbetätigers basierend auf „Gain Mapping“ des Zustandraums zu steuern, um die Drehzahl der Kraftmaschine innerhalb der einen oder der mehreren Spannen zulässiger Drehzahlen der Kraftmaschine aufrecht zu erhalten.
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In einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zur Steuerung einer durch eine Kraftmaschine angetriebene mit Rädern versehene Maschine, um eine Kraftmaschinenüberdrehzahl und eine Kraftmaschinenunterdrehzahl zu vermeiden, wobei die durch eine Kraftmaschine angetriebene mit Rädern versehene Maschine ein durch die Kraftmaschine und durch einen hydraulischen Variator, der durch die Kraftmaschine angetrieben wird, angetriebenes Parallelpfadgetriebe aufweist, wobei die Verdrängung des Variators durch einen Variatorbetätiger gesteuert wird. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines oder mehrerer Werte, die eine oder mehrere Spannen zulässiger Drehzahlen der Kraftmaschine anzeigen, das Empfangen eines Wertes, der die gegenwärtige Drehzahl der Kraftmaschine anzeigt, und das Empfangen eines Wertes, der die Position des Variatorbetätigers anzeigt. Das Verfahren umfasst zudem das Steuern der Position des Variatorbetätigers basierend auf einem Zustandsraum-„Gain Mapping“ um die Drehzahl der Kraftmaschine innerhalb der einen oder der mehreren Spannen der zulässigen Drehzahl der Kraftmaschine aufrecht zu erhalten.
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In noch einem weiteren Aspekt umfasst die Offenbarung ein nicht-flüchtiges computerlesbares Medium, auf welchem durch einen Computer ausführbare Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens der Steuerung einer durch eine Kraftmaschine angetriebene mit Rädern versehene Maschine enthalten sind, um eine Kraftmaschinenüberdrehzahl und eine Kraftmaschinenunterdrehzahl zu vermeiden. Die durch eine Kraftmaschine angetriebene mit Rädern versehene Maschine weist ein Parallelpfadgetriebe auf, das durch die Kraftmaschine angetrieben wird. Das Parallelpfadgetriebe umfasst einen hydraulischen Variator, wobei die Verdrängung des Variators durch einen Variatorbetätiger gesteuert wird. Die von einem Computer ausführbaren Anweisungen umfassen Anweisungen zum Empfangen eines oder mehrerer Werte, die eine oder mehrere Spannen zulässiger Drehzahlen der Kraftmaschine anzeigen, eines Wertes, der die gegenwärtige Drehzahl der Kraftmaschine anzeigt, und eines Wertes, der die Position des Variatorbetätigers anzeigt, ebenso wie Anweisungen zur Steuerung der Position des Variatorbetätigers. Ein PI-Regler mit zustandsraumbasierter arbeitspunktabhängiger Parameterumschaltung („gain scheduling“) wird verwendet, um das gewünschte Getriebeausgangsdrehmoment bzw. Getriebeabtriebsdrehmoment zu steuern. Die Steuerung des Getriebesubsystems bewegt den Betätiger in die entsprechende Position um das gewünschte Abtriebsdrehmoment zu erzeugen.
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Weitere und alternative Aspekte und Eigenschaften der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offenbar werden, in denen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 ein vereinfachtes Diagramm des Systems ist, das eine beispielhafte Systemkonfiguration zeigt, welche in Übereinstimmung mit den offenbarten Prinzipien verwendbar ist;
- 2 einen Drehzahlabweichungs-/ Ableitung der Drehzahlabweichung-Graphen darstellt, der mehrere mögliche Werte der Drehzahlabweichung und mehrere Ableitungswerte der Drehzahlabweichung in Übereinstimmung mit den offenbarten Prinzipien zeigt;
- 3 ein Graph der Ebene der Ableitung der Drehzahlabweichung / der Abweichungsphase ist, welche den zweidimensionalen Fall des Zustandsraumdiagramms darstellt, und welches eine Zustandsraumtrajektorie von einem anfänglichen Maschinenzustand bis zu dem Ursprung des Gleichgewichtszustandsraums während des gewöhnlichen PID-Betriebs darstellt;
- 4 ein Verstärkungskennfeld (gain map) ist, das basierend auf der Trajektorie des Maschinenzustands im Zustandsraum in Übereinstimmung mit den beschriebenen Prinzipen festgelegt ist; und 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess der zustandsraumbasierten PI-Regelung des Variators in Übereinstimmung mit den beschriebenen Prinzipien zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Offenbarung bezieht sich auf ein System zur Ausführung einer proportionalen Regelungsstruktur für das Lösen von Überschwing- und Unterschwingproblemen für komplexe nichtlineare Systeme, indem (eine) 2- oder 3-dimensionale Tabelle(n) der Verstärkungswerte („gain lookup tables“) einbezogen werden (wird). Die Zustandsraumtabelle stellt die Trajektorie des Systemzustands dar. In einem Ausführungsbeispiel umfasst eine 2-achsige Tabelle einen Abweichungsterm (e) und die erste Ableitung (e') des Abweichungsterms. In einem Ausführungsbeispiel umfasst eine 3-achsige Tabelle einen Abweichungsterm (e), die erste Ableitung (e') des Abweichungsterms und die zweite Ableitung (e'') des Abweichungsterms. Das beschriebene Verfahren legt die individuelle Verstärkung der P-, I- oder D-Regler basierend auf dem Nachschlagen in der Zustandsraumtabelle fest.
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Als Beispiel betrachten wir einen P-Verstärkungsplan, welcher eine 2-dimensionale Zustandsraumnachschlagetabelle (Phasenebene) zur Überdrehzahlsteuerung eines CVTs des oben beschriebenen Typs verwendet. Es gibt eine signifikanten Zeitverzug zwischen der Anweisung von verzögerndem Moment an das Getriebe und der tatsächlichen Erzeugung von verzögerndem Moment. Eine herkömmliche abweichungsbasierte arbeitspunktabhängige Parameterumschaltung (gain scheduling) hat Schwierigkeiten diese Verzögerung in Betracht zu ziehen und kann zu Überschwingen führen. Unter Verwendung von arbeitspunktabhängiger Parameterumschaltung im Zustandsraum wie hierin beschrieben, ist das System in der Lage die Steuerung basierend auf der Tendenz der Änderung der Drehzahlabweichung (Ableitung erster Ordnung) zu verlangsamen, wenn sich die Drehzahl dem Zielwert nähert.
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Nun mit Bezug auf eine detaillierte Beschreibung des Systems ist 1 ein vereinfachtes Diagramm des Systems, welches die Steuerpfade und mechanischen Hauptsysteme zeigt, welche innerhalb verschiedener Ausführungsbeispiele der beschriebenen Prinzipien verwendbar sind, um die Steuerung der Drehzahl der Kraftmaschine in einer Maschine zur Verwendung auf unbefestigten Straßen zu beeinflussen. Das Maschinensystem 100 weist eine Trägheitslast 101 auf, welche beispielsweise die bewegliche Masse, sowohl linear als auch rotatorisch, der Maschine selbst vor der Verzögerung sein kann. Die Trägheitslast ist mit dem Parallelpfadgetriebe 102 verbunden um damit rotatorische Energie auszutauschen, wobei das Parallelpfadgetriebe 102 mit und der Kraftmaschine 104 verbunden ist, um rotatorische Energie mit der Kraftmaschine 104 auszutauschen.
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Das Parallelpfadgetriebe 102 umfasst ein Zahnradsystem 107, welches typischerweise ein Planetenzahnradsystem ist, welches zwei Eingänge und einen einzelnen Ausgang aufweist. Der erste Eingang bzw. Antrieb stammt von der Kraftmaschine 104 und der zweite Eingang bzw. Antrieb stammt von dem hydraulischen Variator 103. Der hydraulische Variator 103 wird selbst ebenfalls durch die Kraftmaschine angetrieben. Bei jeder gegebenen Drehzahl der Kraftmaschine kann der Ausgang des hydraulischen Variators variiert werden, um die Ausgangsdrehzahl und das Drehmoment des Zahnradsystems 107 kontinuierlich zu variieren.
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Eine Steuereinheit 105 empfängt Daten von den Systemkomponenten und sendet Anweisungen an verschiedene Komponenten, um das hierin beschriebene Drehzahl- und Drehmomentsteuerungsverfahren umzusetzen. Für einige Anwendungen wie beispielsweise Radladeranwendungen ist das Getriebedrehmoment eine wichtigere Variable als die Drehzahl. Die Steuereinheit 105 empfängt Fahrdrehzahldaten von der Trägheitslast 101 und empfängt Getriebedrehzahldaten von dem Parallelpfadgetriebe 102. Zudem empfängt die Steuereinheit 105 Daten sowohl von der Kraftmaschine 104 als auch dem hydraulischen Variator 103 und sendet Daten an dieselben.
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Im Betrieb steuert die Steuereinheit 105 die Kraftmaschine und den hydraulischen Variator 103, um Drehzahl und Drehmoment der Maschine in Übereinstimmung mit den von der Bedienerschnittstelle 106 empfangenen Bedienersteuerungen innerhalb zuvor festgelegter Grenzwerte und Kriterien einzustellen. Beispielsweise können Verschmutzungsgrenzwerte, Grenzwerte die Abnutzung der Kraftmaschine betreffend, Grenzwerte die Beschädigung des Variators betreffend und so weiter das Ausmaß bis zu welchem die Maschine dazu gebracht werden kann, auf die Bedienerschnittstelle 106 anzusprechen, und/ oder die Drehzahl, mit der das geschieht, einschränken. Somit kann, während der Bediener die Steuerungen dergestalt betätigt, um ein vollständiges Bremsen durch die Kraftmaschine aus einer hohen Fahrgeschwindigkeit bereitzustellen, die Steuereinheit 105 einschreiten und die Drehzahl der Kraftmaschine begrenzen, um einen beschädigenden Überdrehzahlzustand zu verhindern. In ähnlicher Weise ist die Steuereinheit 105 in der Lage, wenn der Bediener die Steuerungen auf eine Weise betätigt, die ein nicht akzeptables Einbremsen der Kraftmaschine verursachen würde, den Betrieb der Kraftmaschine und des hydraulischen Variators 103 einzustellen, um ein solches Einbremsen zu verhindern. Das Einbringen der Beschleunigung der Maschine in die Tabelle der arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung stellt eine bessere Beschreibung des Maschinenzustands in Relation zu dem gewünschten Zustand dar, z.B. dem Ursprung oder (0, 0, ... 0) innerhalb des Zustandsraums. Dies verbessert die Genauigkeit der arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung basierend auf dem Maschinenzustand. Wenn die Drehzahlabweichung klein ist und die Beschleunigung vernachlässigt wird, würde unter Verwendung eines Ansatzes der abweichungsbasierten arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung lediglich eine kleine Verstärkung bzw. ein kleiner Verstärkungsfaktor gain) angewendet werden. Dies kann jedoch zu fehlerbehafteten Resultaten führen. Beispielsweise wird es in einer Situation, in welcher die Drehzahlabweichung klein aber die Beschleunigung groß ist, eine Tendenz dazu geben, über den Zielzustand hinauszuschwingen bzw. hinauszuschießen. In ähnlicher Weise wird es in einer Situation, in welcher die Drehzahlabweichung klein und die Beschleunigung eine kleine negative Zahl ist, ist, eine Tendenz dazu geben, den Zielzustand zu unterschwingen, oder in extremen Fällen, einzubremsen.
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Wie oben festgestellt legt das offenbarte System die Verstärkung stattdessen basierend auf Trajektorien der Maschinenzustandsvariablen im Zustandsraum fest, um eine größere Stabilität in Richtung eines gewünschten Zustands bereitzustellen. Eine Situation, die der auf Drehzahlabweichung und Beschleunigungsabweichung basierenden arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung entspricht, ist in Form eines Graphen bzw. Diagramms in 2 gezeigt. Insbesondere stellt 2 einen Drehzahlabweichung-/ Beschleunigungsabweichungs-Graphen 200 dar, der mehrere mögliche Werte der Drehzahlabweichung 201 und mehrere mögliche Werte 202 der Beschleunigungsabweichung in Übereinstimmung mit den offenbarten Prinzipien zeigt. Insbesondere stellen die möglichen Werte 202 der Beschleunigungsabweichung die Ableitungen der Kurve der Drehzahlabweichung dar, wie sie zu jedem gegebenen Zeitpunkt von dem System durchlaufen wird. In dem dargestellten Szenario entspricht der anfängliche Zustand 203 des Systems einer Drehzahlabweichung von ungefähr -320 und einer Beschleunigungsabweichung von ungefähr „Null“, das heißt dass sich die Drehzahlabweichung in dem ursprünglichen Maschinenzustand 203 nicht ändert. Zum Zwecke dieser Darstellung ist das genaue mechanische System und die Einheiten der Messungen nicht wichtig, obwohl zu Darstellungszwecken der Graph 200 der Drehzahl-/ Beschleunigungsabweichung die möglichen Werte 201 der Drehzahlabweichung in Umdrehungen pro Minute und die möglichen Werte 202 der Beschleunigungsabweichung in Umdrehungen pro Minute pro Sekunde auflistet.
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Wie zu sehen ist folgt die Systemtrajektorie 205 einem Pfad, bevor sie sich am Ursprung 204 einschwingt, an welchem das Wertepaar (Drehzahlabweichung, Beschleunigungsabweichung) gleich (0, 0) ist. Die Trajektorie von dem anfänglichen Zustand 203 zum Ursprung ist in dem Abweichungszustandsraum ein Bogen ohne Überschwingen in der Drehzahlausdehnung, das heißt ohne Richtungsumkehr.
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Es gibt eine Drehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis für den inneren Kreis des durch die Steuereinheit 105 umgesetzten Steuerungssystems, wie oben beschrieben, und auf diese Weise vermeidet das System die Verwendung einer komplizierten Struktur des äußeren Kreises. Insbesondere ist die Positionsregelung mit geschlossenem Regelkreis für den inneren Kreis ausreichend, selbst wenn zusätzlich zu der Abweichung des Drehzahlsensors oder Verzögerung andere Nichtlinearitäten wie beispielsweise Schlupf vorliegen. Während der D-Term in dem PID-Regler dazu dienen soll, einen prädiktiven Betrieb bereitzustellen, benötigt er signifikante Gestaltungsanpassungen und einen Ausgleich zwischen P und D, mit dem ständigen Risiko der Reglerinstabilität. Im Gegensatz dazu ermöglicht das offenbarte System eine einfache proportionale (P)-Reglerstruktur, die inhärent eine Vorhersage bereitstellt.
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Das beschriebene System bietet auch eine signifikant bessere Leistung als PID-Regelstrukturen bezüglich der Komplexität der Anpassung der Verstärkung. Wie oben beschrieben ist die Anpassung des Verstärkungskennfelds direkt mit der Trajektorie des Maschinenzustandes in dem Zustandsraum korreliert. Der Trend des Kennfelds folgt aus der Spur der Maschinenbewegung. 3 ist ein Beschleunigungsabweichungs-/ Drehzahlabweichungs-Diagramm 300, welches eine Zustandsraumtrajektorie 301 von einem anfänglichen Maschinenzustand 302 bis zu dem Ursprung 303 (0, 0) des Zustandsraums während des gewöhnlichen PID-Betriebs darstellt. Wie zu sehen ist schwingen die Beschleunigungsabweichung und die Drehzahlabweichung sowohl ins Positive als auch ins Negative während des Übergangs von dem anfänglichen Maschinenzustands 302 zum Ursprung 303 der Zustandsraums.
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Wie oben angemerkt verringert das beschriebene System die Komplexität der Anpassung der Verstärkung, da das Verstärkungskennfeld mit der Trajektorie des Maschinenzustandes in dem Zustandsraum korreliert. Ein solches Verstärkungskennfeld 400 ist in 4 zu sehen. Die drei Dimensionen des dargestellten Zustandsraums sind (a) Druck 401 (psi, wobei 1 psi etwa 0,07 bar bzw. 68,94 hPa entspricht) des Variatorbetätigers, (b) Beschleunigung (U/(min*s)) 402, und (c) Drehzahl (U/min) 403 der Kraftmaschine. Der Druck des Variatorbetätigers in dem dargestellten Beispiel stellt einen Druck da, der an den Variatorbetätiger angelegt wird, um eine Verdrängung zu erzielen, die die gewünschte Beschleunigungs- und Drehzahlabweichung bereitstellt.
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Als ein allgemeines Beispiel, um den Betrieb der auf dem Kennfeld 400 basierenden arbeitspunktabhängigen Parameterumschaltung (gain scheduling) zu verstehen, dient folgendes: Wenn die Beschleunigung negativ ist und die Drehzahl geringer ist als die Soll-Drehzahl (und somit die Drehzahlabweichung negativ ist), dann ist die festgelegte Verstärkung dergestalt, dass sie den Betätigerdruck verringert, und somit den Hub des Variators verringert und das Einbremsen verhindert.
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Wenn die Drehzahlabweichung positiv ist und die Beschleunigung positiv ist, dann ist im Gegensatz dazu die festgelegte Verstärkung aus dem Kennfeld 400 dergestalt, dass sie den Betätigerdruck erhöht, was die Verdrängung des Variators steigert und einen größeren Widerstand gegen das Auftreten von Überdrehzahl der Kraftmaschine bietet.
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Es ist zu erkennen dass die zuvor erwähnte Kennfelderstellung („mapping“) und die Steuerung durch den Prozessor oder die Ausführung durch Computer ausführbarer Anweisungen ausgeführt werden, welche auf einem nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium wie beispielsweise RAM, ROM, Flash-Speicher, optischen Laufwerk, etc. gespeichert sind. Somit kann der Prozess durch eine dedizierte Steuereinheit wie beispielsweise die Steuereinheit 105, eine ECU (Kraftmaschinensteuereinheit, „engine control unit“), eine TCU (Getriebesteuereinheit, „transmisson control unit“), etc. ausgeführt werden, und kann durch einen einzelnen Prozessor oder mehrere Prozessoren zusammen oder in unterschiedlichen Einheiten ausgeführt werden. Aus Gründen der Klarheit wurde die ausführende Instanz als Steuereinheit 105 bezeichnet.
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Obwohl Fachleute erkennen werden dass es viele Wege gibt um die beschriebenen Prinzipien umzusetzen, stellt der in dem Flussdiagramm der 5 gezeigte CVT-Steuerungsprozess 500 eine beispielhafte Umsetzung dar. In Stufe 501 des CVT-Steuerungsprozesses 500 empfängt die Steuereinheit 105 einen Wert, der eine Drehzahl der Kraftmaschine darstellt (z.B. Drehzahl der Kraftmaschine 104), ebenso wie einen Wert, der eine oder mehrere Begrenzungen der Drehzahl der Kraftmaschine darstellt, wie beispielsweise eine Begrenzung der Überdrehzahl und/ oder eine Begrenzung der Unterdrehzahl. Die Begrenzungen der Drehzahl können zeitgleich bzw. zeitnah eingegeben werden, beispielsweise durch einen Programmierer oder Bediener, oder können von einem computerlesbaren Speicher empfangen werden.
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Auf der Stufe 502, und basierend auf den empfangenen Werten erzeugt die Steuereinheit einen Wert der Drehzahlabweichung, welcher anzeigt, ob die Drehzahl der Kraftmaschine einen der empfangenen Grenzwerte der Drehzahl überschritten hat.
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Wenn die Drehzahl der Kraftmaschine keinen der empfangenen Grenzwerte der Drehzahl überschritten hat, dann kehrt der CVT-Steuerungsprozess 500 zur Stufe 501 zurück, um aktualisierte Drehzahlwerte zu empfangen. Wenn jedoch der Wert der Drehzahlabweichung anzeigt, dass die Drehzahl der Kraftmaschine einen der empfangenen Grenzwerte der Drehzahl überschritten hat, dann erzeugt die Steuereinheit einen Betätigerdifferenzwert in Stufe 503, der denjenigen Betrag repräsentiert, um den der Betätigerdruck modifiziert bzw. verändert werden sollte, sodass die Kraftmaschine innerhalb der Grenzwerte der Drehzahl bleibt. In Stufe 504 wird der Betätigerdifferenzwert in eine Betätigerdruckanweisung umgewandelt.
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Im Folgenden in der Stufe 505 erzeugt die Steuereinheit ein Betätigersignal, um der Variatorbetätiger zu bewegen, um das Ausmaß der Überdrehzahl oder der Unterdrehzahl zu verringern, beispielsweise so, dass die Drehzahl der Kraftmaschine in Richtung einer Position innerhalb der Grenzwerte tendiert. Sobald das Betätigersignal gesendet wurde kehrt der CVT-Steuerungsprozess 500 zur Stufe 501 zurück, um aktualisierte Drehzahlwerte zu erwarten, und weitere Korrekturen an der Position der Schale bzw. „bowl“ vorzunehmen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das beschriebene System und die beschriebenen Prinzipien sind auf Maschinen anwendbar, in denen die Überdrehzahl und das Einbremsen durch das Steuern eines Variators parallel zur Kraftmaschine steuerbar sind. Beispielsweise können Radlader, welche ein hydraulisches Parallelpfadvariatorgetriebe aufweisen, Schwierigkeiten bei der Steuerung erfahren, wenn sie schnell aus der Rückwärtsbewegung in die Vorwärtsbewegung wechseln. Ein solcher Richtungswechsel kann auftreten, wenn der Bediener den Radlader von einem Materialhaufen fortsteuert, den Radlader bis zu einem Halt verlangsamt, vom Rückwärtsgang in den Vorwärtsgang schaltet, und den Radlader nach vorne bewegt, um die in der Schaufel beförderte Ladung abzuladen. In diesem Beispiel kann der Bediener die Kraftmaschine verwenden um dabei zu helfen, den Radlader nach dem Zurücksetzen von dem Haufen zu verlangsamen, um die Lebensdauer der Betriebsbremsen zu verlängern.
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Wenn die Maschine ihre Fahrt verlangsamt, treibt sie die Kraftmaschine mittels des unteren Leistungsstrangs und des Getriebes an. Die kinetische Energie der sich bewegenden Maschine wird durch die Kraftmaschine mittels zweier primärer Energieverlustmechanismen abgebaut: Reibung und Energieabsorption durch das Pumpen von Luft während der erzwungenen Umwälzung. Ein weiterer Energie verbrauchender Mechanismus ist die Beschleunigung der Kraftmaschine, das heißt aufgrund des Drehmoments das notwendig ist um die rotierende Masse zu beschleunigen. Die Leistung (Hp oder kW), die notwendig ist um die rotierende Masse zu beschleunigen ist proportional zu der Winkelbeschleunigung, weil die Leistung gleich dem Drehmoment multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit („angular velocity“) geteilt durch eine Konstante ist.
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Ein Ziel des hierin beschriebenen Steuerungssystems ist es, eine schnelle Beschleunigung der Kraftmaschine und damit einen schnellen Energieverbrauch zuzulassen, ohne zuzulassen dass die Drehzahl der Kraftmaschine überschießt bzw. überschwingt, was zu einer Beschädigung von Komponenten der Kraftmaschine oder des Getriebes führen könnte. In diesem Beispiel verwendet das Getriebe des Radladers einen hydraulischen Variator, um die Fähigkeit des Fahrzeugs zu steuern, die Kraftmaschine während Perioden der Verzögerung des Fahrzeugs zu beschleunigen. Während dieses Prozesses werden große Verstärkungen die Ansprechzeit verringern, werden aber auch die Tendenz der Drehzahl der Kraftmaschine zum Überschwingen steigern. Somit modifiziert das beschriebene System den Verstärkungsterm basierend auf dem Abweichungsterm, was die Ansprechzeit verbessert, während es gleichzeitig das Überschwingen einschränkt. Wie oben beschrieben kann der Verstärkungsterm entweder durch eine 2D- oder 3D-Nachschlagetabelle der Verstärkungswerte modifiziert werden, wobei die 3D-Tabelle einen Abweichungsterm (e), die erste Ableitung (e') des Abweichungsterms und die zweite Ableitung (e'') des Abweichungsterms enthält.
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Obwohl sich die Beschreibung hauptsächlich auf eine Radladermaschine konzentriert, welche ein CVT aufweist, wird man erkennen, dass es viele Maschinen gibt, ob in der Industrie, dem Baugewerbe, dem Bergbau oder in anderen Bereichen, die von der Anwendung der beschriebenen Umsetzungen und Prinzipien profitieren können. Beispielsweise können Antriebsanwendungen von einer präziseren Steuerung während des Bremsens profitieren, um einerseits ineffektives Bremsen und andererseits das Blockieren von Rädern zu verhindern. Andere Beispiele werden dem Fachmann leicht ersichtlich sein.
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Es ist festzustellen, dass die vorhergehende Beschreibung nützliche Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch vorgesehen, dass andere Umsetzungen der Offenbarung in Details von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen sich auf das besondere, gerade zu diesem Zeitpunkt beschriebene Beispiel beziehen, und sollen keinerlei weitergehende Einschränkung des Umfangs der Offenbarung andeuten. Jegliche Erwähnung einer Hervorhebung oder einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Eigenschaften soll einen Mangel an Bevorzugung der fraglichen Eigenschaften anzeigen, dies aber keinesfalls so, dass diese gänzlich vom Umfang der Offenbarung ausgeschlossen werden sollen, falls dies nicht anderweitig angezeigt wird.
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Die Angabe von Wertebereichen hierin sollen lediglich als verkürzte Methode dienen, um sich auf jeden Wert, der in den Bereich fällt, individuell zu beziehen, falls nicht anderweitig angezeigt, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als wäre er individuell hierin angegeben worden. Alle hierin beschriebenen Methoden können in jeder geeigneten Abfolge durchgeführt werden, falls hierin nicht anders angezeigt, oder falls dem nicht durch den Zusammenhang in anderer Weise klar widersprochen wird. Beispielsweise können die dargestellten Kalibrierungsschritte wahlweise in umgekehrter Abfolge ausgeführt werden, und andere alternative Abfolgen und Schritte können ausführbar sei, wo es in logischer Hinsicht angemessen ist, ohne von den beschriebenen Prinzipien abzuweichen.
