IT202100026672A1 - Metodo e sistema di controllo di una trasmissione elettrica di una pala meccanica - Google Patents

Metodo e sistema di controllo di una trasmissione elettrica di una pala meccanica Download PDF

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Andrea Gravili
Stefano Liberti
Adriano Garramone
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?Metodo e sistema di controllo di una trasmissione elettrica di una pala meccanica?
Campo di applicazione dell?invenzione
La presente invenzione ? relativa al campo dei veicoli da lavoro elettrificati, ed in particolare del tipo comprendenti un motore elettrico collegato con almeno una ruota veicolare per consentire l?avanzamento o arretramento del veicolo.
Stato della tecnica
Il progressivo sviluppo tecnologico dei sistemi di alimentazione a batteria consente di progettare veicoli da lavoro elettrici.
Il comportamento dinamico di un veicolo elettrico ? completamente differente dal comportamento di un veicolo con motore termico dotato di trasmissione idraulica.
Quando la propulsione ? realizzata mediante motore termico la posizione del pedale dell?acceleratore individua un corrispondente numero di giri del motore termico e quando il valore della coppia resistente supera il valore massimo della coppia motrice, quest?ultima viene aumentata dalla trasmissione idraulica, attraverso l?aumento di cilindrata del motore idraulico e/o la riduzione della cilindrata della pompa idraulica.
Tuttavia, la trasmissione idraulica ? progettata in modo che la coppia massima non eccede mai un valore limite di slittamento delle ruote del veicolo.
Un veicolo con motore elettrico, invece, si caratterizza per il fatto che viene realizzata una strategia di controllo in velocit?, che implica che la posizione del pedale dell?acceleratore individua un corrispondente valore di velocit? del veicolo e quindi ? possibile avere una coppia motrice maggiore di quella che porta allo slittamento delle ruote del veicolo.
Ci? comporta disagi alla guida soprattutto durante la fase di ?digging? in cui la pala viene inserita in un cumulo di materiale da prelevare.
Il termine anglosassone ?digging? individua detta fase di carico e non ha un corrispondente termine in italiano.
In particolare, con una trasmissione elettrica controllata in velocit?, le ruote del veicolo potrebbero iniziare a slittare mentre la pala penetra nel cumulo di materiale da prelevare per via dell?elevata coppia erogata dal motore elettrico di propulsione e gestita dal controllo in ciclo chiuso.
Il controllo in velocit? del motore elettrico di propulsione in ciclo chiuso ? funzione di un valore di deflessione del pedale dell?acceleratore. La variabile controllata ? la coppia erogata dal motore elettrico allo scopo di inseguire un valore di velocit? del veicolo corrispondente al valore di deflessione del pedale di acceleratore.
Tutto ci? comporta un discomfort per l?operatore che ? costretto a dosare il pedale dell?acceleratore per non perdere la spinta mentre la pala penetra nel cumulo di materiale da prelevare e per evitare, inoltre, un eccessivo deterioramento degli pneumatici.
Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.
Sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di proporre un metodo e sistema di controllo di una trasmissione elettrica di una pala meccanica.
L?idea di base della presente invenzione ? quella di ridurre automaticamente la velocit? obiettivo del veicolo in condizioni di digging.
Preferibilmente, viene ridotto il rapporto di proporzionalit? tra il valore di deflessione del pedale di acceleratore e la velocit? obiettivo del veicolo.
Vantaggiosamente, il veicolo risulta molto pi? governabile durante le operazioni di inserimento della benna in un cumulo di materiale evitando lo slittamento delle ruote del veicolo.
La fase di digging ? riconosciuta al verificarsi contemporaneamente di una lista di condizioni di seguito elencata:
- La velocit? del veicolo ? al di sotto di una prima predeterminata soglia,
- La variazione della velocit? del veicolo ? al di sotto di una predeterminata soglia,
- La trasmissione ? in marcia avanti,
- Le funzioni idrauliche sono attive,
- La coppia motrice erogata dal motore di propulsione eccede una predeterminata soglia di coppia,
- La variazione della coppia motrice eccede una predeterminata soglia di variazione,
- Un valore di deflessione del pedale di acceleratore eccede una predeterminata soglia di deflessione,
- La posizione del braccio ? al di sotto di una predeterminata altezza,
- La posizione della pala o benna ? all?interno di un preordinato intervallo di angolazioni rispetto al braccio.
Quando almeno una delle seguenti condizioni ? verificata, il sistema ripristina il valore di velocit? obiettivo dipendente dal valore di deflessione del pedale di acceleratore ed in particolare il rapporto di proporzionalit? normale:
- Commutazione della trasmissione dalla marcia in avanti alla marcia in folle oppure alla marcia indietro;
- La velocit? del veicolo eccede una seconda preordinata soglia maggiore della prima.
Preferibilmente, la riduzione del rapporto di proporzionalit? ? settabile attraverso una interfaccia uomo macchina, ad esempio un display tattile.
Secondo una variante preferita dell?invenzione, la riduzione ed il ripristino del rapporto di proporzionalit? ? operato gradualmente in modo da evitare un brusco calo o incremento delle prestazioni del veicolo.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nella figura 1 ? mostrato un esempio di pala meccanica implementante la presente invenzione;
nella figura 2 ? mostrata una trasmissione elettrica implementante la presente invenzione;
nella figura 3 ? mostrato un diagramma temporale della velocit? del veicolo, funzione del valore di deflessione del pedale di acceleratore, modificato secondo la presente invenzione.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti o funzioni.
Si dovrebbe anche notare che i termini "primo", "secondo", "terzo", "superiore", "inferiore" e simili possono essere usati come etichette per distinguere vari elementi. Questi termini non implicano un ordine spaziale, sequenziale o gerarchico per gli elementi modificati a meno che non sia specificatamente indicato o desumibile dal testo.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
La figura 1 mostra un veicolo da lavoro CWL, una pala meccanica, con un braccio B azionato dall?attuatore idraulico A1 ed una pala T, collegata al braccio B ed azionata dal relativo attuatore A2.
Il funzionamento degli attuatori idraulici ? subordinato all?attivazione delle ?funzionalit? idrauliche?. Senza tale attivazione, il circuito idraulico che alimenta gli attuatori A1 e A2 resta disattivato.
Il veicolo CWL ? dotato di un pacco batterie BAT ed un motore elettrico M connesso alla trasmissione e ad almeno una ruota W veicolare.
Una unit? di elaborazione UCM, schematizzata in figura 2, ? operativamente collegata con una pluralit? di sensori tra cui
- Un sensore di deflessione del pedale dell?acceleratore, il quale, per comodit?, viene indicato con lo stesso pedale dell?acceleratore AP, - Un sensore di velocit? del veicolo, generalmente associato alla trasmissione veicolare,
- Un sensore di posizione ?Boom Position Sensor? del braccio, generalmente associato all?attuatore A1 disposto per movimentare il braccio B,
- Un sensore di posizione angolare ?Bucket Position Sensor? della pala T, generalmente associato all?attuatore A2 disposto per movimentare la pala, - Un sensore associato alla leva di selezione della marcia avanti, folle oppure retromarcia ?FNR Switch?, - Un sensore di coppia erogata dal motore elettrico M di propulsione,
- Un sensore di abilitazione delle funzioni idrauliche ?Hydraulic Function Switch? sintentizzato con l?acronimo HFS.
Dal momento che il braccio e/o la benna ed eventualmente anche ulteriori organi ausiliari possono essere attivati mediante un circuito elettro-idraulico, allora, secondo la presente invenzione, un tasto o comunque una interfaccia uomo-macchina consente di abilitare o disabilitare il circuito elettro-idraulico di controllo del braccio e/o benna. Il sensore HFS permette di rilevare se le funzionalit? idrauliche, asservite al braccio e/o benna sono attive o disattive.
Il sensore di coppia pu? essere sostituito da un modello del motore elettrico, il quale sulla base di tensioni e correnti di alimentazione ? in grado di stimare la coppia erogata dal motore elettrico.
L?unit? di elaborazione UCM ? configurata per controllare il motore elettrico M sulla base dei segnali generati dai suddetti sensori.
In particolare, l?unit? di elaborazione ? configurata per eseguire un controllo di velocit? sul motore elettrico.
Quando l?unit? esegue un controllo di velocit?, ad una deflessione del pedale dell?acceleratore corrisponde una velocit? del veicolo. L?angolo di deflessione e la velocit? del veicolo sono proporzionali. Cosicch?, per esempio, al 10% della deflessione, rispetto ad una condizione di rilascio, dell?acceleratore, la velocit? del veicolo ? il 10% della velocit? nominale. La proporzionalit? pu? essere lineare oppure pu? essere esponenziale. Una proporzionalit? esponenziale risulta vantaggiosa per avere maggior controllo del veicolo a bassa velocit?.
Un controllo in retroazione fa in modo che il veicolo raggiunge una velocit? corrispondente alla posizione del pedale, indipendentemente dal valore di coppia resistente che contrasta l?avanzamento del veicolo. Cosicch?, in salita od in discesa, il veicolo avanza alla medesima velocit? indicata dalla deflessione del pedale di acceleratore.
Secondo la presente invenzione, viene ridotto il fattore di proporzionalit? tra le velocit? del veicolo ed il valore di deflessione del pedale dell?acceleratore, quando si verificano contemporaneamente le seguenti condizioni:
- una velocit? del veicolo Vehicle Speed ? al di sotto di una prima predeterminata soglia Sth1,
- una variazione della velocit? del veicolo DVS ? al di sotto di una predeterminata soglia DVSth di variazione di velocit? del veicolo,
- La trasmissione ? in marcia avanti F = ON,
- Le funzioni idrauliche sono attive HFS = ON,
- un valore di coppia motrice TK erogata dal motore elettrico eccede una predeterminata soglia di coppia motrice Tth,
- una variazione della coppia motrice DT eccedere una predeterminata soglia di variazione di coppia motrice DTth,
- un valore di deflessione ? del pedale di acceleratore AP eccede una predeterminata soglia di deflessione ?th,
- una posizione h del braccio B ? al di sotto di una predeterminata altezza hth,
- una posizione ? della pala o benna T ? all?interno di un preordinato intervallo di posizioni angolazioni ?r rispetto al braccio.
Ridurre il fattore di proporzionalit?, secondo la presente invenzione significa che il nuovo valore di proporzionalit? ? inferiore al precedente, ma comunque sempre maggiore di zero.
Le condizioni da rispettare per causare la suddetta riduzione sono pertanto:
- Vehicle Speed < Sth1
- DVS < DVSth
- F = ON
- HFS = ON
- TK > Tth
- DT > DTth
- ? > ?th
- h < hth
- ? ? all?interno dell?intervallo ?r
Viceversa, il ripristino del fattore di proporzionalit? ? eseguito quando la procedura di digging ? riconosciuta come terminata, in particolare quando almeno una delle seguenti condizioni ? verificata:
- F = OFF
- Vehicle Speed > Sth2, con Sth1 < Sth2.
Secondo una variante preferita dell?invenzione, la riduzione ed il ripristino del fattore di proporzionalit? sono effettuati gradualmente nel tempo.
La figura 3 mostra un esempio di riduzione del fattore di proporzionalit? tra il valore di deflessione del pedale di acceleratore ?Pedal position? e la velocit? obiettivo ?Speed set Point?.
A partire dall?istante zero, il valore di deflessione del pedale di accelerazione cresce fino ad un predeterminato valore indicato con ?90 Pct? e successivamente si mantiene costante.
Si nota che la curva di velocit? obiettivo cresce proporzionalmente fino a 15 km/h e poi si stabilizza a valore costante, con andamenti molto simili a quelli del valore di deflessione del pedale dell?acceleratore.
La velocit? effettiva del veicolo ? indicata con la curva ?Measured Speed?. Essa, bench? pi? arrotondata, segue l?andamento della curva di velocit? obiettivo fino al riconoscimento dell?evento ?Dig Detection? in cui viene rilevata la fase di digging.
Ebbene, secondo la presente invenzione, in conseguenza di tale riconoscimento, il fattore di proporzionalit? tra valore di deflessione del pedale dell?acceleratore e velocit? obiettivo viene ridotto drasticamente. Nell?esempio il valore del rapporto di riduzione ? del (14,5/15)*100% = 96% circa.
Evidentemente possono essere individuati valori di riduzione pi? adatti alle circostanze.
A tale proposito, l?operatore pu? impostare il valore del rapporto di riduzione che gli consente di evitare lo slittamento delle ruote senza pregiudicare la produttivit? del veicolo.
Secondo una variante preferita dell?invenzione, la riduzione mantiene un rapporto di proporzionalit? con il valore di deflessione del pedale di acceleratore.
La presente invenzione pu? essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando questo programma ? eseguito su di un computer. Pertanto, si intende che l?ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando detto programma ? eseguito su di un computer.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Metodo di controllo di una trasmissione elettrica di una pala meccanica (CWL) dotata di un braccio (B) e di una pala o benna (T), la trasmissione comprendendo un motore elettrico (M) di propulsione, il metodo comprendendo,
- acquisizione di un valore di una deflessione (?) di un pedale di acceleratore (AP) ed
- un processo di controllo del motore elettrico (M) in modo da realizzare un controllo di velocit? in ciclo chiuso, in cui un valore di velocit? obiettivo ? funzione di detto valore di deflessione secondo un preordinato rapporto di proporzionalit?, e
- riduzione impostabile di detto preordinato rapporto di proporzionalit? fintanto che una operazione di digging ? riconosciuta.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto riconoscimento della operazione di digging ? causato dal verificarsi simultaneamente di tutte le seguenti condizioni:
- una velocit? del veicolo (Vehicle Speed) ? al di sotto di una prima predeterminata soglia (Sth1),
- una variazione della velocit? del veicolo (DVS) ? al di sotto di una predeterminata soglia (DVSth) di variazione di velocit? del veicolo,
- La trasmissione ? in marcia avanti (F = ON),
- Le funzioni idrauliche sono attive (HFS = ON),
- un valore di coppia motrice (TK) erogata dal motore elettrico eccede una predeterminata soglia di coppia motrice (Tth),
- una variazione della coppia motrice (DT) erogata dal motore elettrico eccede una predeterminata soglia di variazione di coppia motrice (DTth),
- un valore di deflessione (?) del pedale di acceleratore (AP) eccede una predeterminata soglia di deflessione (?th),
- una posizione (h) del braccio (B) ? al di sotto di una predeterminata altezza (hth),
- una posizione (?) della pala o benna (T) ? all?interno di un preordinato intervallo di angolazioni (?r) rispetto al braccio.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto preordinato rapporto di proporzionalit? ? ripristinato quando almeno una delle seguenti condizioni ? verificata:
- La trasmissione ? in folle o in marcia indietro (F = OFF)
- Un valore di velocit? del veicolo (Vehicle Speed) eccede una seconda soglia di velocit? (Sth2) maggiore di detta prima soglia di velocit? (Sth1).
4. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 1 - 3, in cui una riduzione o ripristino di detto rapporto di proporzionalit? ? realizzato gradualmente.
5. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 4, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.
6. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 4, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.
7. Pala meccanica (CWL) elettrificata, dotata di
- un braccio (B) e di una pala o benna (T),
- di una trasmissione comprendente un motore elettrico (M) di propulsione, e di
- un?unit? di controllo (UCM) configurata per acquisire un valore di una deflessione (?) di un pedale di acceleratore (AP) ed eseguire un processo di controllo del motore elettrico (M) in modo da realizzare un controllo di velocit? in ciclo chiuso, in cui un valore di velocit? obiettivo ? funzione di detto valore di deflessione secondo un preordinato rapporto di proporzionalit?, e configurata per ridurre detto preordinato rapporto di proporzionalit? quando riconosce una operazione di digging.
8. Veicolo secondo la rivendicazione 7, ulteriormente comprendente
- Un sensore di deflessione (AP) del pedale dell?acceleratore,
- Un sensore di velocit? del veicolo,
- Un sensore di posizione ?Boom Position Sensor? del braccio,
- Un sensore di posizione angolare ?Bucket Position Sensor? della pala (T) rispetto al braccio (B),
- Un sensore associato alla leva di selezione della marcia avanti, folle oppure retromarcia ?FNR Switch?, - Un sensore di coppia erogata dal motore elettrico (M), - Un sensore di abilitazione delle funzioni idrauliche ?HFS?,
ed in cui detti sensori sono operativamente collegati con detta unit? di elaborazione (UCM) ed in cui l?unit? di elaborazione ? configurata per riconoscere detta operazione di digging quando
- una velocit? del veicolo (Vehicle Speed) ? al di sotto di una prima predeterminata soglia (Sth1),
- una variazione della velocit? del veicolo (DVS) ? al di sotto di una predeterminata soglia (DVSth) di variazione di velocit? del veicolo,
- La trasmissione ? in marcia avanti (F = ON),
- funzioni idrauliche sono attive (HFS = ON),
- un valore di coppia motrice (TK) erogata dal motore elettrico eccede una predeterminata soglia di coppia motrice (Tth),
- una variazione della coppia motrice (DT) eccedere una predeterminata soglia di variazione di coppia motrice (DTth),
- un valore di deflessione (?) del pedale di acceleratore (AP) eccede una predeterminata soglia di deflessione (?th),
- una posizione (h) del braccio (B) ? al di sotto di una predeterminata altezza (hth),
- una posizione (?) della pala o benna (T) ? all?interno di un preordinato intervallo di angolazioni (?r) rispetto al braccio.
9. Veicolo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detta unit? di controllo (UCM) ? configurata per ripristinare detto preordinato rapporto di proporzionalit? quando almeno una delle seguenti condizioni ? verificata:
- La trasmissione ? in folle o in marcia indietro (F = OFF)
- Un valore di velocit? del veicolo (Vehicle Speed) eccede una seconda soglia di velocit? (Sth2) maggiore di detta prima soglia di velocit? (Sth1).
10. Veicolo secondo una qualunque delle rivendicazioni 7 ? 9, in cui detta unit? di elaborazione ? configurata per operare detta riduzione o ripristino di detto rapporto di proporzionalit? gradualmente.
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