DE19738930A1

DE19738930A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Modifizieren der Rückkpplungsverstärkungen eines Traktionssteuersystems

Info

Publication number: DE19738930A1
Application number: DE19738930A
Authority: DE
Inventors: Matthew E Meiser; Michael G Seil; Ronald D Brown
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2017-09-06
Also published as: FR2752780A1; DE19738930B4; JPH1088622A; FR2752780B1; US5865512A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Traktions steuersystem, welches eine PID-Rückkoppelungssteuerung verwendet, und insbesondere auf ein Traktionssteuer system, welches die Verstärkungswerte modifiziert, die mit der PID-Rückkoppelungssteuerung assoziiert sind.

Maschinen, die auf Baustellen und anderen Stellen abseits der Wege verwendet werden, unterlaufen im allgemeinen ei nem Traktionsverlust. Darüber hinaus erfahren auch vier radgetriebene Maschinen, die an diesen Stellen verwendet werden, einen Traktionsverlust. Beispielsweise tritt ein Rutschen bzw. Schlupfen entweder an den Vorderrädern oder den Hinterrädern oder an allen vier Rädern auf.

Beispielsweise ist eine typischerweise auf Baustellen verwendete Maschine ein Radlader. Radlader besitzen ge wöhnlicherweise vier angetriebene Räder und sind oft mit einem Gelenk versehen. Wie wohl bekannt ist, weist eine mit Gelenk versehene Maschine bzw. Gelenkmaschine Vorder- und Hinterkörperteile auf, die durch eine Gelenkverbin dung scharnierartig verbunden sind, und zwar für eine Re lativbewegung um eine Vertikalachse. Jeder Körperteil weist einen Radsatz auf. Wenn einer der Körperteile sich relativ zum anderen bewegt, schwenkt bzw. lenkt die Ma schine. Während des normalen Betriebes kann ein Radlader ein Durchrutschen der Räder an allen vier Rädern erfah ren, insbesondere bei der Beladung.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Traktionssteuersystem für eine Maschine mit mindestens zwei angetriebenen Rädern offenbart. Bremsmechanismen, bringen steuerbar Bremskräfte auf jedes der angetriebenen Räder auf. Wandler erzeugen tatsächliche bzw. Ist-Dreh zahlsignale mit Werten, die proportional zur Drehge schwindigkeit jedes angetriebenen Rades sind. Ein Mikro prozessor berechnet ein gewünschtes bzw. Soll-Drehzahl signal mit einem Wert, der eine gewünschte Drehgeschwin digkeit jedes angetriebenen Rades darstellt, und ein Feh lersignal, welches die Differenz zwischen den Werten der gewünschten bzw. Soll- und der tatsächlichen bzw. Ist- Drehzahlsignale darstellt. Der Mikroprozessor multi pliziert zusätzlich das Fehlersignal mit einem Gain- bzw. Verstärkungswert und erzeugt ein Bremsbefehlssignal für den Bremsmechanismus, um Bremskräfte auf das durchrut schende sich drehende Rad aufzubringen. Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil der Modifizierung des Gain bzw. Verstärkungswertes basierend auf Betriebszuständen, um die Traktionsteuerleistung zu verbessern.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Traktionssteuersystem für eine Maschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einem Werkzeug of fenbart. Das Werkzeug wird durch einen hydraulischen Hub zylinder betätigt. Die Maschine weist zusätzlich min destens zwei angetriebene Räder und assoziierte Bremsme chanismen auf. Ein Hubpositionssensor erzeugt ein Hub positionssignal mit einem Wert, der auf die Hub- bzw. Hö henposition des Werkzeuges anspricht. Wandler erzeugen tatsächliche bzw. Ist-Drehzahlsignale mit Werten propor tional zur Drehgeschwindigkeit von jedem angetriebenen Rad. Ein Mikroprozessor berechnet ein gewünschtes bzw. Soll-Drehzahlsignal mit einem Wert, der eine Soll-Dreh geschwindigkeit von jedem angetriebenen Rad darstellt, und ein Fehlersignal, welches die Differenz zwischen den Werten der Soll- und der Ist-Drehzahlsignale darstellt. Eine Speichervorrichtung speichert eine Vielzahl von Gain- bzw. Verstärkungswerten. Der Mikroprozessor emp fängt das Hubpositionssignal und wählt einen geeigneten Verstärkungswert aus. Der Mikroprozessor multipliziert zusätzlich das Fehlersignal mit dem ausgewählten Ver stärkungswert und erzeugt ein Bremsbefehlssignal an den Bremsmechanismus, um Bremskräfte auf das schneller durch rutschende Rad aufzubringen.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die Begleitzeichnungen, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Vorderteils einer Lade maschine oder eines Radladers;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines elektrohydraulischen Steu ersystems des Radladers;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Radlader-Antriebs systems, welches ein Traktionssteuersystem auf weist;

Fig. 4 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung, die mit dem Traktionssteuersystem assoziiert ist; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer PID- Rückkoppelungsteuerung, die mit dem Traktionsteu ersystem assoziiert ist; und

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, welches mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung assoziiert ist, welches die Gain- bzw. Verstärkungswerte der PID-Rückkoppelungssteuerung modifiziert.

Fig. 1 zeigt einen Vorderteil einer Radladermaschine 104 mit einem Nutzlastträger in Form einer Schaufel 108. Ob wohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Radla dermaschine beschrieben wird, ist die vorliegende Erfin dung gleichfalls auf viele "radgetriebenen" Erdbewegungs maschinen anwendbar, wie beispielsweise integrierte Werk zeugträger. Wie gezeigt, ist die Schaufel 108 mit einer Hubarmanordnung oder einem Hubarm 110 verbunden, der schwenkbar betätigt wird durch zwei hydraulische Hubbetä tigungsvorrichtungen oder -zylinder 106 (von denen nur einer gezeigt ist), und zwar um einen Hubarm-Schwenkstift 112 herum, der am Maschinenrahmen angebracht ist. Ein Hub arm-Lasttragschwenkstift 118 ist am Hubarm 110 und den Hubzylindern 106 angebracht. Die Schaufel 108 wird durch eine Schaufelkippbetätigungsvorrichtung oder einen -zy linder 114 um einen Kippschwenkstift 116 gekippt.

Der Radlader 104 wird durch einen Verbrennungsmotor 120 angetrieben, der Drehenergie an einen Satz von Antriebs rädern über ein Getriebe 122 überträgt.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Werkzeugsteuersystem schema tisch veranschaulicht. Vorzugsweise weist das Werkzeug steuersystem eine mikroprozessorbasierte Steuervorrich tung bzw. einen Controller 208 auf.

Erste, zweite und dritte Joysticks bzw. Bedienungshebel 206A, 206B, 206C sehen eine Steuerung des Bedieners über das Arbeitswerkzeug 102 vor. Die Bedienungshebel weisen einen Steuerhebel 219 auf, der eine Bewegung entlang ei ner einzigen Achse aufweist. Jedoch kann zusätzlich zur Bewegung entlang einer ersten Achse (horizontal) der Steuerhebel 219 sich auch entlang einer zweiten Achse be wegen, die senkrecht zur Horizontalachse ist. Der erste Bedienungshebel 206A steuert den Hubvorgang bzw. Hubbe trieb des Hubarms 110. Der zweite Bedienungshebel 206B steuert den Kippvorgang bzw. -betrieb der Schaufel 108. Der dritte Bedienungshebel 206C steuert eine Hilfsfunk tion, wie beispielsweise den Betrieb bzw. die Bedienung eines Spezialarbeitswerkzeuges.

Werkzeugpositionssensoren 216, 218 erzeugen Hub- und Kipp-Positionssignale ansprechend auf die Position des Arbeitswerkzeuges 102 mit Bezug zur Arbeitsmaschine 104. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Werkzeug positionssensoren 216, 218 einen Hubpositionssensor 216 auf, und zwar zum Abfühlen der Hub- bzw. Höhenposition des Hubarms 110, und einen Kipp-Positionssensor 218 zum Abfühlen der Kipp- bzw. Schwenkposition der Schaufel 108.

In einem Ausführungsbeispiel weisen die Hub- und Kipp-Po sitionssensoren 216, 218 Drehpotentiometer auf. Die Dreh potentiometer erzeugen pulsbreitenmodulierte Signale an sprechend auf die Winkelposition des Hubarms 110 mit Be zug zur Maschine 104 und der Schaufel 108 mit Bezug zum Hubarm 110. Die Winkelposition des Hubarms ist eine Funk tion der Hubzylinderausfahrung bzw. -ausdehnung 106A, B, während die Winkelposition der Schaufel 108 eine Funktion von sowohl den Kipp- als auch den Hubzylinderausdehnungen 114, 106A, B ist.

Die Funktion der Sensoren 216, 218 kann leicht durchge führt werden durch einen weiteren Sensor, der fähig ist, um entweder direkt oder indirekt die relative Ausdehnung bzw. Ausfahrbewegung eines Hydraulikzylinders zu messen. Beispielsweise könnten die Potentiometer ersetzt werden durch Radiofrequenz-(RF-) bzw. Hochfrequenz-Sensoren, die innerhalb der Hydraulikzylinder angeordnet sind.

Ventilmittel 202 sprechen auf elektrische Signale an, die von den Steuermitteln erzeugt werden und liefern einen Hydraulikströmungsmittelfluß an die Hydraulikzylinder 106A, B, 114.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein automatisches Traktionssteu ersystem 300 veranschaulicht, welches gewisse Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Räder 301, 303, 305, 307 werden angetrieben durch einen Verbren nungsmotor 120, und zwar über ein Getriebe 122 durch eine Eingangs- oder Antriebswelle 310 zu jeweiligen Differen tialmechanismen 313, 315 und jeweiligen Achsensätzen 318, 320, die jeweilige Endantriebsanordnungen 322, 324, 326, 328 aufweisen. Die Achsensätze 318, 320 weisen auch Bremsmechanismen 331, 333, 335, 337 auf. Der Achsensatz kann an Bord bzw. innenliegende (inboard) oder außer Bord bzw. außenliegende (outboard) Bremsen- und Endan triebsanordnungen besitzen. Wie in Fig. 3 gezeigt, weist beispielsweise die außer Bord bzw. außenliegende Anord nung den Bremsmechanismus und die Endantriebsanordnung in enger Nähe zum Rad auf, wobei die Halbachse zwischen dem Differential- und dem Bremsmechanismus verbunden bzw. an geschlossen ist. Alternativ weist die (nicht gezeigte) an Bord bzw. innenliegende Anordnung den Bremsmechanismus und den Endantrieb in enger Nähe zum Differential auf. Die offenbarten Antriebssysteme sind herkömmlich und es müssen keine weiteren Details zum Verständnis der vor liegenden Erfindung offenbart werden.

Die Maschine ist mit einem Gelenk versehen und weist mit Rädern versehene Vorder- und Hinterabschnitte 338, 339 auf, die durch eine Gelenkverbindung oder einen Mecha nismus 330 scharnierartig verbunden sind, und zwar zur Relativbewegung um eine Vertikalachse 349, wodurch somit ermöglicht wird, daß die Maschine gelenkt wird.

Die Räder 301, 303, 305, 307 werden durch hydraulisch eingerückte bzw. in Eingriff gebrachte Service- bzw. Be triebsbremskolben gestoppt, und zwar von den Bremsmecha nismen 331, 333, 335, 337. Die Bremsen können in die Ein griffsposition federvorgespannt sein, und können in der Ausrück- bzw. nicht im Eingriff liegenden Position durch Anwendung von Strömungsmitteldruck gehalten werden. Al ternativ können die Bremsen in der Eingriffsposition durch das Aufbringen von Strömungsmitteldruck gehalten werden und können in die Position außer Eingriffeder vorgespannt sein. Das Verfahren, um die Bremsen in Ein griff zu bringen, wird von Maschine zu Maschine variieren und ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch bzw. wichtig. Die Betriebsbremsen werden normalerweise durch ein Bremspedal 340 über eine Betriebsbremsleitung 341 be tätigt, die mit der Betriebsbremse verbunden ist. Das Strömungsmittel wird unter Druck gesetzt und wird von der Betriebs- bzw. Servicepumpe 343 geliefert. Das Betriebs bremssystem ist wohl bekannt und bildet keinen Teil die ser Erfindung.

Ein Wandler 345 erzeugt ein tatsächliches bzw. Ist-Dreh zahlsignal mit einem Wert proportional zur Drehgeschwin digkeit jedes Rades jedes jeweiligen Achsensatzes. Wie gezeigt, weist im Fall der außer Bord bzw. außenliegenden Achsenkonstruktion der Wandler einen Raddrehzahlaufnehmer auf, und zwar in Form einer Hall-Effektvorrichtung 350, die Impulse zusammenarbeitend mit einer zahnradartigen Vorrichtung 355 erzeugt. Die Vorrichtung 355 ist auf je dem Achsenteil 321, 323, 325, 327 befestigt.

Jeder Wandler 345 erzeugt jeweilige Signale mit Werten, die auf die Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit der Räder 301, 303, 305, 307 ansprechen. Alle der Raddrehzahlsig nale für jedes Rad 301, 303, 305, 307 werden in ähnlicher Weise geliefert. Darüber hinaus werden die Raddrehzahl signale für jedes Rad an eine Eingangsgröße bzw. einen Eingang der Steuervorrichtung 208 angelegt. Beispiels weise ist jeder Wandler 345 vorzugsweise eine Hall- Effektvorrichtung. Jedoch können andere Wandler, wie bei spielsweise optische oder elektromagnetische Vorrich tungen als Alternativen eingesetzt werden.

Ein Winkelpositionssensor 363 erzeugt ein Gelenkssignal mit einem Wert, der auf den Winkel der Gelenkbewegung der Maschine anspricht. Der Winkelpositionssensor 363 weist vorzugsweise ein Potentiometer 365 auf, welches steuerbar mit dem Gelenkmechanismus 330 verbunden ist. Andere ge eignete Winkelpositionssensoren können für das Potentio meter 365 ersetzt bzw. eingesetzt werden, wie in der Technik wohl bekannt ist.

Die Steuervorrichtung 208 erzeugt ein Bremsbefehlssignal ansprechend auf das Detektieren einer Situation mit Ver lust der Traktion. Entsprechend empfangen die Brems mechanismen 331, 333, 335, 337 das Bremsbefehlssignal und bringen steuerbar Bremskräfte auf das sich schneller dre hende angetriebene Rad 301, 303, 305, 307 auf, um den Radschlupf bzw. das Durchrutschen des Rades der Maschine während einer Situation mit Verlust der Traktion zu re geln.

Die Steuervorrichtung 208 arbeitet auf die Signalein gangsgrößen hin, bestimmt das Auftreten, die Größe und die Lage bzw. Stelle des Raddurchrutschens bzw. -schlup fes während einer Situation mit Verlust der Traktion, und unterscheidet zwischen einem tatsächlichen Radschlupf bzw. -durchrutschen und einem Wandlerversagen. Anspre chend auf das Detektieren eines wahren Durchrutsch- bzw.

Schlupfzustandes, wird die Leistungsübertragung zwischen zwei differentiell bzw. unterschiedlich angetriebenen Rä dern ausgeglichen durch Anlegen einer proportionalen Bremskraft an dem Rad, welches die Traktion bzw. den Griff verliert, d. h. dem durchrutschenden bzw. schlup fenden Rad. Dies wird durchgeführt durch die Bremsme chanismen 331, 333, 335, 337 und insbesondere über eine Betätigung der geeigneten elektrohydraulischen Steuer ventile 380.

Die elektrohydraulischen Steuerventile 380 arbeiten in Kombination mit einer Versorgungspumpe 385, die Teil der Service- bzw. Betriebspumpe 343 sein kann. Die Versor gungspumpe 385 liefert unter Druck gesetztes Öl oder Bremsströmungsmittel. Strömungsmittelleitungen 387 von der Pumpe 385 laufen durch die Hydraulikventile 380 und die Rückschlagventile 390, wodurch Druck zu einem der Bremsmechanismen 331, 333, 335, 337 geleitet wird, und zwar mit moduliertem oder proportional gesteuertem Druck. Die Rückschlagventile 390 sind Kugel-Rückschlagventile und die elektrohydraulischen Bremsventile sind elektro magnetbetriebene bzw. -betätigte Drei-Wege-Ventile, wobei beide Arten von Ventilen in der Technik bekannt sind und nicht weiter besprochen werden.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des automatischen bzw. auto matisierten Traktionssteuersystems 300, welches oben be schrieben wurde. Die Steuervorrichtung 208 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren aufweisen, beispielsweise einen getrennten Mikroprozessor, der für die Anwendung durch das Werkzeugsteuersystem vorgesehen ist, und einen weiteren Mikroprozessor, der für die Anwendung durch das automatisierte bzw. automatische Traktionssteuersystem vorgesehen ist. Die Werkzeug-, Getriebe- und Traktions steuersysteme können miteinander kommunizieren und Daten zwischen sich übertragen, und zwar durch Anwendung von beispielsweise einer 16-Bit-Datenverbindung. Die Mikro prozessoren sind denen ähnlich, die von Motorola als Teil Nr. 68HC11 geliefert werden. Jedoch kann ein anderer Mi kroprozessor, wie beispielsweise Motorola′s Nr. 6809 ein gesetzt werden, wie dem Fachmann leicht offensichtlich werden wird.

Wandler 350, die Raddrehzahlsignale liefern, sind min der Steuervorrichtung 208 durch eine Eingangs- bzw. Eingabe konditionierungsschaltung 410 verbunden. Die Eingangs bzw. Eingabeschaltung 410 liefert geeignet digitalisierte Eingangssignale an die Steuervorrichtung 208. Der Gelenk winkelsensor 365 ist mit einem Tiefpaßfilter 413 durch einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 415 mit der Steu ervorrichtung 208 verbunden. Der Hubarmsensor 216 ist mit der Steuervorrichtung 208 verbunden, genau so wie ein Gangwahlsensor 425. Der Gangwahlsensor 425 erzeugt ein Gangwahlsignal ansprechend auf die Position einer Gang auswahlvorrichtung (nicht gezeigt). Die Gangauswahlvor richtung wird durch den Anwender verwendet, um die ge wünschte Gangeinstellung des Radladergetriebes aus zu wählen. Eine erste Ausgangsgröße bzw. ein erster Ausgang der Steuervorrichtung 208 ist durch einen pulsbreiten mo dulierten Servoventiltreiber 420 verbunden bzw. ange schlossen, der mit jedem elektrohydraulischen Steuer ventil 380 assoziiert ist. Die pulsbreitenmodulierten Servoventiltreiber 420 empfangen das Bremsbefehlssignal, welches von der Steuervorrichtung 208 empfangen wird und steuern proportional die jeweiligen elektrohydraulischen Ventile 380 ansprechend auf das Bremsbefehlssignal. Vor teilhafterweise werden die angelegten Bremskräfte modu liert, und zwar ansprechend auf die Modulation oder den Lastzyklus des Bremsbefehlssignals. Beispielsweise steu ert die Steuervorrichtung 208 die Erregung der elek trohydraulischen Bremsventile 380 über das Bremsbefehls signal, was ein unter Druck gesetztes Strömungsmittel an die jeweiligen Betriebsbremsen liefert.

Es sei nun Bezug genommen auf Fig. 5, die ein Blockdia gramm der Proportional-Integral-Derivativ-(PID-)Steu erung 500 zeigt. Die PID-Steuerung wird verwendet, um die Größe der Bremskräfte zu bestimmen, die auf das durchrut schende Rad aufgebracht werden.

Die PID-Steuerung vergleicht zuerst das gewünschte bzw. Soll-Drehzahlsignal (DES) mit dem tatsächlichen bzw. Ist- Drehzahlsignal (ACT), und zwar in einer Summierungs verbindung 510. Die gewünschte Drehzahl stellt eine idea le Drehzahl eines speziellen Rades dar und kann auf den Maschinengelenkwinkel ansprechen. Das tatsächliche bzw. Ist-Drehzahlsignal stellt die Ist-Drehzahl des speziellen Rades dar. Die Summierungs- bzw. Additionsverbindung 510 erzeugt ein Fehlersignal E, welches die Differenz zwi schen den Soll-Drehzahl- und den Ist-Drehzahlsignalen darstellt. Es sei angenommen, daß der Wert des Fehlersi gnals E größer ist als ein erster vorbestimmter Referenz wert A, Block 515, dann wird der Fehler an den PID-Block 520 geliefert. Der PID-Block 520 wird dargestellt durch die Gleichung V = V_p + V_i + V_d. Das Ergebnis V wird in ein Bremsbefehlssignal umgewandelt, welches an das elek trohydraulische Ventil geliefert wird, um das gewünschte Ergebnis zu erzeugen. Beispielsweise stellt das Bremsbe fehlssignal eine Soll-Bremskraft dar, die auf das durchrutschende Rad aufgebracht werden soll, d. h. ein Rad, welches sich schneller dreht als seine Idealdreh zahl.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Modifizierung der PID-Verstärkungswerte oder -konstanten K_p, K_i und K_d ge richtet, und zwar ansprechend auf die Maschinenbetriebs zustände. Beispielsweise wählt abhängig von den Unter grundzuständen die vorliegende Erfindung die geeigneten PID-Verstärkungswerte aus, um die Charakteristiken der Rückkoppelungssteuerung zu optimieren. Es sei nun Bezug genommen auf Fig. 6, die ein Blockdiagramm eines bevor zugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, die die Gain- bzw. Verstärkungswerte modifiziert. Das Blockdiagramm stellt ein Computerprogramm dar, wei ches im RAM bzw. Arbeitsspeicher oder ROM bzw. Lesespei cher ruht, die in der Steuervorrichtung 208 enthalten sind.

Im Block 605 bestimmt das Programm, ob der Bediener eine Hoch-Betriebszustands- oder Tief-Betriebszustands-Ein stellung über einen vom Bediener auswählbaren bzw. ein stellbaren Schalter ausgewählt hat. Beispielsweise wird die Tief-Betriebszustands-Einstellung für rutschige Un tergrundzustände ausgewählt, wie beispielsweise Schnee, Eis und Schlamm, und die Hoch-Betriebszustands-Einstel lung wird für normale Untergrundzustände verwendet. Die Tief-Betriebs-Einstellung verwendet niedrige Verstär kungs-PID-Werte, und zwar dargestellt vom Block 607, wäh rend die Hoch-Betriebszustands-Einstellung hohe Ver stärkungs-PID-Werte verwendet, wie von Block 630 darge stellt. Durch Verwendung von hohen Verstärkungs-PID- Werten ist das Traktionssteuersystem fähig, schneller an zusprechen, um ein durchrutschendes Rad abzubremsen, und zwar im Gegensatz zur Verwendung von niedrigen Ver stärkungs-PID-Werten.

Jedoch ist es bei gewissen Umständen, wie beispielsweise während der Radlader gräbt, wünschenswert, daß das Trak tionssteuersystem noch schneller anspricht. Somit be stimmt die vorliegende Erfindung, wann der Radlader gräbt und wählt noch aggressivere PID-Verstärkungswerte aus, um vorzusehen, daß die PID-Steuerung schnell das Befehls signal erzeugt. Dies wird dargestellt durch die Blöcke 610-625.

Es sei angenommen, daß der Bediener die Hoch-Betriebs zustands-Einstellung ausgewählt hat, wobei die Steuerung zum Block 610 geht, wo das Programm bestimmt, ob die Hub armposition unter einem vorbestimmten Wert ist. Wenn die Hubarmposition unter einer vorbestimmten Position ist, dann wird angenommen, daß der Hubarm in der Grabposition ist, und das Programm geht weiter zum Block 615. Das Pro gramm bestimmt dann, ob der Gelenkwinkel weniger als ein vorbestimmter Winkel ist. Wenn der Gelenkwinkel weniger als ein vorbestimmter Wert ist, dann ist der Gelenkwinkel klein genug, wobei gesagt wird, daß der Radlader gräbt. Die Steuerung geht dann zum Block 620, wo das Programm bestimmt, ob das Getriebe im ersten oder zweiten Gang vorwärts eingerückt bzw. eingestellt ist, insbesondere, ob die Gangauswahlvorrichtung auf den ersten oder zweiten Gang vorwärts eingestellt ist. Wenn die Gangauswahlvor richtung auf den ersten oder zweiten Gang vorwärts ein gestellt ist, dann ist der Radlader in einem niedrig ge nug liegenden Gangbereich zum Graben. Somit werden die Entscheidungsblöcke 610, 615 und 620 verwendet, um zu be stimmen, ob der Radlader wahrscheinlich gräbt. Wenn der Radlader wahrscheinlich gräbt, dann verwendet das Pro gramm sehr hohe PID-Verstärkungswerte, die vom Block 625 dargestellt werden.

Abhängig von den obigen Entscheidungen wählt das Programm die geeigneten Verstärkungswerte aus, die in das Programm selbst geschrieben werden, oder die in zweidimensionale Nachschau-Tabellen eingeschrieben werden, die im RAM bzw. Arbeitsspeicher oder ROM bzw. Lesespeicher gespeichert werden. Die Verstärkungswerte werden aus einer Simulation und Analyse von empirischen Daten bestimmt, und zwar an sprechend auf Untergrundzustände und dynamische Maschi nenvorgänge. Somit können Verstärkungswerte aus einem weiten Bereich von numerischen Werten ausgewählt werden, und zwar abhängig von der gewünschten Verstärkung des Rückkoppelungssystems.

Weiterhin können die Blöcke 610-625 auch nützliche In formationen an das Traktionssteuersystem liefern, um ei nen weiteren Betrieb bzw. einen weiteren Vorgang auszu führen. Beispielsweise kann bei solchen Zuständen bzw. Bedingungen, wie sie in den Blöcken 610-625 zu finden sind, die Steuervorrichtung 208 ein Bremsbefehlssignal mit einer relativ kleinen Größe an jedes Steuerventil 380 liefern, um das "Laufspiel¹, zwischen den Bremsklötzen und der Scheibe oder der Trommel zu entfernen bzw. auszu gleichen. Dies würde ein schnelleres Ansprechen des Trak tionssteuersystems vorsehen, um ein durchrutschendes Rad zu regeln.

Es sei bemerkt, daß, obwohl eine PID-Steuerung gezeigt und besprochen wurde, es dem Fachmann klar ist, daß ent weder die K_i- oder K_d-Ausdrücke auf Null gesetzt werden können, wodurch eine PI- oder eine PD-Steuerung folgt.

Die vorliegende Erfindung ist gut geeignet zur Regulie rung des Radschlupfes einer mit Gelenk versehenen Maschi ne, wie beispielsweise einem Radlader, der von Caterpil lar Inc. als Modell Nr. 966F geliefert wird.

Wie oben besprochen, liest das Traktionssteuersystem die einzelnen Raddrehzahlen bzw. -geschwindigkeiten aus, rechnet eine Soll-Raddrehzahl und eine Ist-Raddrehzahl aus. Basierend auf einer Rückkoppelungssteuerung wird ein Fehlerwert bestimmt. Ansprechend auf die Größe der Ver stärkung und des Fehlerwertes bestimmt die Steuerung die positiven Bremskräfte zum Ausgleich des Drehmomentes auf dem jeweiligen Radsatz.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf den Aspekt der Verwendung einer PID-Rückkoppelungssteue rung. Der V_p-Ausdruck der PID-Steuerung führt zu einer proportionalen Verstärkung, die für ein schnelles An sprechen sorgt. Der V_i-Ausdruck der PID-Steuerung löscht irgendeine Verschiebung bzw. einen Unterschied des Feh lers aus, der vom V_p-Ausdruck eingeführt wird, wodurch somit für Steuerstabilität vorgesehen wird. Der V_d-Aus druck verbessert die Ansprechcharakteristiken der Steue rung. Das Ergebnis sieht eine Radschlupfsteuerung vor, die schnell den Radschlupf eliminiert und ohne die uner wünschten Effekte eines "Bremsimpulses". Somit bestimmt die PID-Steuerung die Größe und Rate, mit der die Brems kraft aufgebracht wird.

Die vorliegende Erfindung wählt die geeigneten PID-Ver stärkungswerte aus, um optimal die Rückkoppelungssteue rung ansprechend auf die Arbeitsart zu regeln, die vom Radlader ausgeführt wird. Zu diesem Ziel besitzt das Traktionssteuersystem zwei Einstellungen, eine Hoch-Be triebszustands-Einstellung und eine Tief-Betriebs zu stands-Einstellung, um das Traktionssteuersystem mit der gewünschten Flexibilität zu versehen, um die bevorzugten Ergebnisse zu erzeugen. Wenn weiter bestimmt wird, daß der Radlader gräbt, dann modifiziert die vorliegende Er findung die PID-Verstärkungskonstanten, um eine noch grö ßere bzw. bessere Steuerung des Radschlupfes zu errei chen. Somit besitzt das Traktionssteuersystem die Fähig keit, seine Leistung basierend auf den gegenwärtigen Be triebszuständen zu verbessern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Traktionssteuersystem für eine Maschine mit zwei an getriebenen Rädern wird offenbart. Bremsmechanismen brin gen steuerbar Bremskräfte auf jedes der angetriebenen Rä der auf. Wandler erzeugen ein Ist-Drehzahlsignal mit ei nem Wert proportional zur Drehgeschwindigkeit jedes der angetriebenen Räder. Ein Mikroprozessor erzeugt ein Soll- Drehzahlsignal mit einen Wert, der eine Soll-Drehge schwindigkeit von jedem angetriebenen Rad darstellt, und ein Fehlersignal, welches die Differenz zwischen den Wer ten der Soll- und Ist-Drehzahlsignale darstellt. Der Mi kroprozessor multipliziert zusätzlich das Fehlersignal mit einem Verstärkungswert und erzeugt ein Bremsbefehls signal an den Bremsmechanismus, um Bremskräfte auf ein durchrutschendes Rad aufzubringen. Die vorliegende Er findung sieht den Vorteil vor, den Verstärkungs- bzw. Gain-Wert basierend auf den Maschinenbetriebszuständen zu modifizieren, um eine gute Leistung zu erreichen.

Claims

1. Traktionssteuersystem für eine Maschine mit zwei an getriebenen Rädern, welches folgendes aufweist:
Bremsmechanismen, die steuerbar Bremskräfte auf je des der angetriebenen Räder aufbringen;
Wandler, die tatsächliche bzw. lst-Drehzahlsignale mit Werten proportional zur Drehgeschwindigkeit ei nes jeweiligen angetriebenen Rades erzeugen;
Mittel zur Erzeugung eines gewünschten bzw. Soll- Drehzahlsignals mit einem Wert, der eine Soll- Drehzahl eines jeweiligen angetriebenen Rades dar stellt;
Mittel zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches auf die Differenz zwischen den Werten der Soll- und Ist-Drehzahlsignale anspricht;
Mittel zum Empfang des Fehlersignals, zum Multipli zieren des Fehlersignals mit einem Gain- bzw. Ver stärkungswert und zur Erzeugung eines Bremsbefehls signals an die Bremsmechanismen, um Bremskräfte auf ein durchrutschendes bzw. schlupfendes Rad aufzu bringen; und
Mittel zum Modifizieren des Verstärkungswertes an sprechend auf die Maschinenbetriebszustände.

2. Traktionssteuersystem nach Anspruch 1, wobei der Verstärkungswert aus einem Bereich von Werten zwi schen hohen und niedrigen Verstärkungscharakteristi ken auswählbar ist.

3. Traktionssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, wel ches Mittel aufweist, um ein gewünschtes Ausmaß an Bremskraft zum Aufbringen auf das durchrutschende Rad zu bestimmen, und zwar unter Verwendung einer Proportional-Integral-Derivativ-(PID-)Steuerung mit PID-Verstärkungswerten K_p, K_i und K_d.

4. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Maschine einen Verbrennungsmotor aufweist, ein Ge triebe, ein Werkzeug mit einem Hubarm und einer Schaufel, wobei der Hubarm durch einen Hydraulikhub zylinder betätigt wird, und wobei die Schaufel durch einen Hydraulikkippzylinder betätigt wird, und einen Hubpositionssensor, der ein Hubpositionssignal an sprechend auf die Hub- bzw. Höhenposition des Hub armes erzeugt.

5. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Maschine weiter mit Rädern versehene Vorder- und Hinterabschnitte aufweist, die durch einen Gelenkme chanismus scharnierartig verbunden sind, und zwar zur Relativbewegung um eine Vertikalachse, und einen Winkelpositionssensor, der ein Gelenksignal erzeugt, und zwar mit einem Wert, der auf einen Gelenkwinkel der Maschine anspricht.

6. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, welches Mittel aufweist, um eine Vielzahl von Verstärkungs werten zu speichern, zum Empfang des Hubpositions signals, zum Empfang des Gelenkwinkelsignals, zum Empfang des Gangauswahlsignais, zum Bestimmen, ob die Maschine gräbt, und zum Auswählen eines geeig neten Verstärkungswertes ansprechend darauf, daß die Maschine gräbt.

7. Traktionssteuersystem für eine Maschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Getriebe und einem Werk zeug, welches durch einen Hydraulikhubzylinder betä tigt wird, wobei die Maschine zwei angetriebene Rä der und assoziierte Bremsmechanismen aufweist, wobei das System folgendes aufweist:
einen Hubpositionssensor, der ein Hubpositionssignal erzeugt, und zwar mit einem Wert, der auf die Hub bzw. Höhenposition des Werkzeuges anspricht;
Wandler zur Erzeugung von tatsächlichen bzw. Ist- Drehzahlsignalen mit Werten proportional zur Dreh geschwindigkeit jedes angetriebenen Rades;
Mittel zur Erzeugung eines gewünschten bzw. Soll- Drehzahlsignals mit einem Wert, der eine gewünschte Drehgeschwindigkeit jedes angetriebenen Rades dar stellt;
Mittel zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches die Differenz zwischen den Werten der Soll- und Ist- Drehzahlsignale darstellt;
Mittel zum Speichern einer Vielzahl von Verstär kungswerten;
Mittel zum Empfang des Hubpositionssignals, zum Be stimmen des Maschinenbetriebszustandes und zum Aus wählen eines geeigneten Verstärkungswertes; und
Mittel zum Empfang des Fehlersignals, zum Multi plizieren des Fehlersignals mit dem ausgewählten Verstärkungswert und zum Erzeugen eines Bremsbe fehlssignals zum Bremsmechanismus, um Bremskräfte an den durchrutschenden Rädern aufzubringen.

8. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, wobei die Maschine mit Rädern versehene Vorder- und Hinter abschnitte aufweist, die durch einen Gelenkmechanis mus scharnierartig verbunden sind, und zwar zur Re lativbewegung um eine Vertikalachse, wobei weiter ein Winkelpositionssensor vorgesehen ist, der ein Gelenksignal mit einem Wert erzeugt, der auf den Ge lenkwinkel der Maschine anspricht.

9. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei die Maschine einen Gangauswahlvorrichtungssensor auf weist, der ein Gangauswahlsignal erzeugt, welches einen gewünschten Bereich der Getriebegangein stellung anzeigt.

10. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, welches Mittel aufweist, um das Hubpositionssignal zu emp fangen und um zu bestimmen, ob die Werkzeugposition unter einer vorbestimmten Position ist, zum Empfang des Gelenkwinkelsignals und zum Bestimmen, ob der Gelenkwinkel weniger bzw. kleiner als ein vorbe stimmter Winkel ist, zum Empfang des Gangaus wahlsignals und zum Bestimmen, ob die Gangauswahl vorrichtung auf den ersten oder zweiten Gang vor wärts eingestellt ist, und um darauf ansprechend den geeigneten Verstärkungswert auszuwählen.

11. Traktionssteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, welches Mittel aufweist, um das gewünschte Ausmaß der Brems kraft zum Aufbringen auf das durchrutschende Rad zu bestimmen, und zwar unter Verwendung einer Propor tional-Integral-Derivativ-(PID-)Steuerung mit PID- Verstärkungswerten K_p, K_i und K_d.

12. Traktionssteuerverfahren für eine Maschine mit zwei angetriebenen Rädern, die assoziierte Bremsmecha nismen aufweisen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erzeugen von tatsächlichen bzw. Ist-Drehzahlsignalen mit Werten proportional zur Drehgeschwindigkeit ei nes jeweiligen angetriebenen Rades;
Erzeugen eines Soll-Drehzahlsignals mit einem Wert, der eine Soll-Drehzahl eines jeweiligen angetrie benen Rades darstellt;
Erzeugen eines Fehlersignals, welches die Differenz zwischen den Werten der Soll- und Ist-Drehzahlsig nale darstellt;
Empfangen des Fehlersignals, Multiplizieren des Feh lersignals mit einem Verstärkungswert und Erzeugen eines Bremsbefehlssignals an die Bremsmechanismen, um Bremskräfte auf das durchrutschende Rad aufzu bringen; und
Modifizieren des Verstärkungswertes ansprechend auf Maschinenbetriebszustände.

13. Traktionssteuerverfahren nach Anspruch 12, welches den Schritt aufweist, eine Vielzahl von Verstär kungswerten zu speichern, und den Verstärkungswert aus den gespeicherten Werten auszuwählen.

14. Traktionssteuerverfahren nach einem der vorhergehen den Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, wel ches den Schritt aufweist, ein gewünschtes Ausmaß an Bremskraft zum Aufbringen auf das durchrutschende Rad zu bestimmen, und zwar unter Verwendung einer Pro portional-Integral-Derivativ-(PID-)Steuerung mit PID-Verstärkungswerten K_p, K_i und K_d.