RU2550408C1 - Electromechanical transmission of self-propelled vehicle - Google Patents
Electromechanical transmission of self-propelled vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2550408C1 RU2550408C1 RU2014109629/11A RU2014109629A RU2550408C1 RU 2550408 C1 RU2550408 C1 RU 2550408C1 RU 2014109629/11 A RU2014109629/11 A RU 2014109629/11A RU 2014109629 A RU2014109629 A RU 2014109629A RU 2550408 C1 RU2550408 C1 RU 2550408C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mechatronic
- traction
- self
- generator
- module
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к промышленным и сельскохозяйственным тракторам, бульдозерам, погрузчикам, автогрейдерам и другим гусеничным и колесным самоходным машинам с электромеханической трансмиссией, предназначенным для выполнения землеройных, строительных, дорожных, транспортных, сельскохозяйственных и других работ.The invention relates to industrial and agricultural tractors, bulldozers, loaders, graders and other tracked and wheeled self-propelled vehicles with an electromechanical transmission, designed to perform earthmoving, construction, road, transport, agricultural and other works.
Известна электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, содержащая тепловой двигатель, связанный с тяговым генератором, два тяговых электродвигателя, кинематически связанные через карданные передачи и задний мост со встроенными тормозами и конечные передачи с гусеницами противоположных бортов, и систему управления электрооборудованием. Тяговый генератор и тяговые электродвигатели выполнены синхронными, переменного тока. В системе управления электрооборудованием установлены преобразователь и микропроцессорный контроллер верхнего уровня [1].Known electromechanical transmission of a caterpillar tractor, comprising a heat engine connected to a traction generator, two traction motors kinematically connected via cardan gears and a rear axle with integrated brakes and final drives with tracks of opposite sides, and an electrical control system. The traction generator and traction motors are made synchronous, alternating current. A converter and a microprocessor controller of the upper level are installed in the control system for electrical equipment [1].
Недостатком этой трансмиссии является ее пониженная надежность, обусловленная сложностью кинематической схемы этой трансмиссии - наличием карданных передач и заднего моста со встроенными тормозами, а также раздельным конструктивным исполнением электрических машин и систем управления ими.The disadvantage of this transmission is its reduced reliability, due to the complexity of the kinematic scheme of this transmission - the presence of cardan gears and a rear axle with integrated brakes, as well as separate design of electric machines and their control systems.
Наиболее близкой к предложенной является электромеханическая трансмиссия, содержащая тепловой двигатель, тяговые устройства, электрические машины, электронные коммутаторы, силовые электрические шины, накопитель электрической энергии и блок управления. Одна электрическая машина кинематически соединена с тепловым двигателем, а прочие электрические машины кинематически соединены с тяговыми устройствами. Блок управления подключен к электронным коммутаторам, а накопитель электрической энергии - к силовым шинам. В качестве электрических машин применены реактивные индукторные машины, при этом электронные коммутаторы подключают их фазные обмотки к силовым шинам [1].Closest to the proposed one is an electromechanical transmission containing a heat engine, traction devices, electric machines, electronic switches, power busbars, an electric energy storage device and a control unit. One electric machine is kinematically connected to a heat engine, and other electric machines are kinematically connected to traction devices. The control unit is connected to electronic switches, and the electrical energy storage device is connected to power buses. As electric machines, reactive induction machines were used, while electronic switches connect their phase windings to power buses [1].
К недостатками известной трансмиссии относятся ее пониженная надежность, невысокие массогабаритные показатели, пониженная живучесть и ограниченные функциональные возможности в части реализации функций безопасности работы как самой трансмиссии, так и самоходной машины, на которой она используется.The disadvantages of the known transmission include its reduced reliability, low overall dimensions, reduced survivability and limited functionality in terms of the implementation of the safety functions of both the transmission and the self-propelled machine on which it is used.
Это обусловлено раздельным конструктивным исполнением электрических машин, электронного коммутатора и блока управления, а также централизацией управления трансмиссией. Наличие на самоходной машине достаточно большого количества электронных блоков, межблочных соединений, а также соединений между электронными блоками и электрическими машинами, ухудшает массогабаритные показатели трансмиссии и снижает ее надежность. В известной трансмиссии, в силу использования принципа централизованного управления, отказ блока управления приводит к нарушению всех функций трансмиссии, к возможной неконтролируемой работе электрических машин и, соответственно, к опасным перемещениям машины.This is due to the separate design of electrical machines, electronic switch and control unit, as well as the centralization of transmission control. The presence on a self-propelled vehicle of a sufficiently large number of electronic units, inter-unit connections, as well as connections between electronic units and electrical machines, worsens the overall dimensions of the transmission and reduces its reliability. In a known transmission, due to the use of the principle of centralized control, a failure of the control unit leads to a violation of all transmission functions, to the possible uncontrolled operation of electrical machines and, accordingly, to dangerous movements of the machine.
Задачей, решаемой изобретением, является создание электромеханической трансмиссии самоходной машины, в которой одновременно обеспечивается повышение надежности работы, улучшение массогабаритных показателей, повышение живучести и расширение функциональных возможностей в части реализации функций безопасности работы как самой трансмиссии, так и самоходной машины, на которой она установлена.The problem solved by the invention is the creation of an electromechanical transmission of a self-propelled machine, which at the same time provides increased reliability, improved overall dimensions, increased survivability and enhanced functionality in terms of implementing the safety functions of the transmission itself and the self-propelled machine on which it is installed.
Эти технические результаты достигаются за счет того, что электромеханическая трансмиссия самоходной машины содержит генераторный мехатронный модуль, функционально соединенный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и обеспечивающий преобразование механической энергии ДВС в электрическую энергию, тяговые мехатронные модули, соединенные силовыми шинами с генераторным мехатронным модулем и приспособленные для преобразования электрической энергии в механическую с возможностью раздельного привода каждого ведущего колеса или гусеницы левого и правого борта самоходной машины, а также панель оператора и органы управления трансмиссией, причем тяговые мехатронные модули, панель оператора и органы управления трансмиссией соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных.These technical results are achieved due to the fact that the electromechanical transmission of the self-propelled machine contains a mechatronic generator module, functionally connected to an internal combustion engine (ICE) and providing the conversion of ICE mechanical energy to electrical energy, mechatronic traction modules connected by power buses to the mechatronic generator module and adapted for converting electrical energy into mechanical energy with the possibility of separate drive of each drive wheel or tracks The port and starboard side of the self-propelled vehicle, as well as the operator panel and transmission controls, the mechatronic traction modules, the operator panel and transmission controls are connected by a serial digital data bus.
Кроме того, с целью достижения указанных технических результатов, в частных случаях реализации электромеханической трансмиссии самоходной машины:In addition, in order to achieve the indicated technical results, in particular cases of the implementation of the electromechanical transmission of a self-propelled machine:
а) тяговые мехатронные модули приспособлены для размещения внутри обвода гусениц или в ступицах колес самоходной машины;a) traction mechatronic modules are adapted for placement inside the contour of the tracks or in the wheel hubs of the self-propelled machine;
б) генераторный мехатронный модуль содержит вентильно-индукторный генератор с независимым возбуждением, силовой выпрямитель напряжения на его рабочих обмотках, подключенный к выходным силовым шинам, и электронный регулятор с силовым ключом, приспособленным для подключения выходного напряжения силового выпрямителя к обмотке возбуждения и широтно-импульсного регулирования тока в ней из условия поддержания заданного выходного напряжения генераторного мехатронного модуля. Электронный регулятор выполнен, в частности, на основе микропроцессорного контроллера (микроконтроллера) и имеет интерфейс шины последовательной цифровой передачи данных;b) the mechatronic generator module contains a valve-inductor generator with independent excitation, a power rectifier on its working windings connected to the output power buses, and an electronic regulator with a power switch adapted to connect the output voltage of the power rectifier to the field winding and pulse-width regulation current in it from the condition of maintaining a given output voltage of the mechatronic generator module. The electronic controller is made, in particular, on the basis of a microprocessor controller (microcontroller) and has a serial digital data bus interface;
в) генераторный мехатронный модуль содержит вентильно-индукторный генератор с самовозбуждением или синхронный генератор с постоянными магнитами на роторе, соединенный с силовым преобразователем и работающий под управлением микропроцессорного контроллера, а также датчик положения вала или ротора генератора, соединенный с микропроцессорным контроллером, и устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных, встроенное в микропроцессорный контроллер или подключенное к нему;c) the mechatronic generator module contains a self-excited valve-inductor generator or a synchronous generator with permanent magnets on the rotor connected to a power converter and operated by a microprocessor controller, as well as a generator shaft or rotor position sensor connected to the microprocessor controller, and a device for interfacing with serial digital data bus built into or connected to a microprocessor controller;
г) генераторный мехатронный модуль выполнен обратимым с возможность торможения самоходной машины двигателем внутреннего сгорания и/или запуска двигателя внутреннего сгорания от внешней электрической сети, подключаемой с использованием электрического кабеля;d) the mechatronic generator module is made reversible with the possibility of braking the self-propelled machine by an internal combustion engine and / or starting the internal combustion engine from an external electrical network connected using an electric cable;
д) генераторный мехатронный модуль дополнительно содержит встроенный мультипликатор;d) the mechatronic generator module further comprises an integrated multiplier;
е) генераторный мехатронный модуль содержит тормозной резистор и электронный ключ, осуществляющий подключение тормозного резистора к выходным шинам генераторного мехатронного модуля под управлением электронного регулятора или микропроцессорного контроллера в зависимости от напряжения на выходных шинах генераторного мехатронного модуля и/или сигналов управления, поступающих с шины последовательной цифровой передачи данных. Тормозной резистор и генератор размещены в общем корпусе генераторного мехатронного модуля и имеют общую систему жидкостного охлаждения;f) the mechatronic generator module contains a braking resistor and an electronic key that connects the braking resistor to the output buses of the mechatronic generator module under the control of an electronic controller or microprocessor controller depending on the voltage on the output buses of the mechatronic generator module and / or control signals from the serial digital bus data transmission. The braking resistor and generator are located in the common case of the mechatronic generator module and have a common liquid cooling system;
ж) тяговый мехатронный модуль содержит электрический двигатель, микропроцессорный контроллер, силовой преобразователь, соединенный с обмотками электрического двигателя, силовыми шинами питания и микропроцессорным контроллером, датчик положения вала или ротора электрического двигателя, соединенный с микропроцессорным контроллером, а также устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных, встроенное в микропроцессорный контроллер или подключенное к нему. При этом электрический двигатель выполнен вентильно-индукторным с пассивным ферромагнитным ротором, синхронным с постоянными магнитами на роторе или асинхронным;g) the traction mechatronic module contains an electric motor, a microprocessor controller, a power converter connected to the windings of the electric motor, power supply buses and a microprocessor controller, a position sensor of the shaft or rotor of the electric motor connected to the microprocessor controller, and also a device for interfacing with a serial digital transmission bus data embedded in or connected to a microprocessor controller. In this case, the electric motor is made of a valve-inductor with a passive ferromagnetic rotor synchronous with permanent magnets on the rotor or asynchronous;
з) тяговый мехатронный модуль дополнительно содержит встроенный электромагнитный тормоз, управляемый от микропроцессорного контроллера с помощью электронного ключа силового преобразователя в зависимости от сигнала, поступающего по шине последовательной цифровой передачи данных, или включаемый автоматически непосредственно после остановки вала электрического двигателя или через установленный интервал времени после этой остановки;h) the traction mechatronic module additionally contains a built-in electromagnetic brake, controlled from the microprocessor controller using the electronic key of the power converter, depending on the signal received via the serial digital data bus, or switched on automatically immediately after the shaft of the electric motor stops or after a set time interval after this stops;
и) тяговый мехатронный модуль дополнительно содержит тормозной резистор и электронный ключ, осуществляющий подключение этого тормозного резистора к шинам питания тягового мехатронного модуля под управлением микропроцессорного контроллера в зависимости от напряжения на шинах питания тягового мехатронного модуля и/или сигналов управления тормозным резистором, поступающих по шине последовательной цифровой передачи данных. Тормозной резистор и электрический двигатель, а также электромагнитный тормоз (при его наличии) размещены в общем корпусе тягового мехатронного модуля и имеют общую систему жидкостного охлаждения;i) the traction mechatronic module additionally contains a braking resistor and an electronic key that connects this braking resistor to the power buses of the traction mechatronic module under the control of a microprocessor controller depending on the voltage on the power buses of the traction mechatronic module and / or brake resistor control signals received via the serial bus digital data transmission. A braking resistor and an electric motor, as well as an electromagnetic brake (if any) are located in the common case of the traction mechatronic module and have a common liquid cooling system;
к) тяговый мехатронный модуль дополнительно содержит встроенную зубчатую передачу, например, бортовой редуктор, приспособленный для привода колеса или гусеницы самоходной машины;j) the mechatronic traction module further comprises a built-in gear train, for example, an final drive adapted to drive a wheel or track of a self-propelled machine;
л) генераторный и тяговые мехатронные модули имеют общую систему жидкостного охлаждения, объединенную с системой охлаждения ДВС;k) generator and traction mechatronic modules have a common liquid cooling system combined with an internal combustion engine cooling system;
м) шина последовательной цифровой передачи данных выполнена с физическим уровнем промышленной сети Controller Area Network, сокращенно CAN, определенным в стандарте ISO 11898, и протокола высокого уровня CANopen, или DeviceNet, или CAN Kingdom, или J1939;m) the serial digital data bus is implemented with the physical layer of the industrial area Controller Area Network, abbreviated CAN as defined in ISO 11898, and the high-level protocol CANopen, or DeviceNet, or CAN Kingdom, or J1939;
н) электромеханическая трансмиссия дополнительно содержит накопитель электрической энергии, подключенный к силовыми шинам и выполненный в виде батареи аккумуляторов и/или суперконденсаторов;m) the electromechanical transmission further comprises an electric energy storage device connected to the power buses and made in the form of a battery of accumulators and / or supercapacitors;
о) электромеханическая трансмиссия дополнительно содержит контроллер двигателя внутреннего сгорания и/или контроллер трансмиссии, соединенный с шиной последовательной цифровой передачи данных;o) the electromechanical transmission further comprises an internal combustion engine controller and / or a transmission controller connected to the serial digital data bus;
п) тяговый мехатронный модуль содержит блок микромеханических акселерометров и/или гироскопов, подключенный к микропроцессорному контроллеру, который приспособлен для определения параметров движения самоходной машины и последующего управления электрическим двигателем из условия ограничения какого-либо параметра движения машины и/или реализации какой-либо функции этого движения, причем максимально допустимое значение этого параметра и/или функция движения предварительно записаны в память микропроцессорного контроллера и/или получены с шины последовательной цифровой передачи данных. В частности, осуществляется ограничение буксования ведущего колеса или гусеницы; ограничение радиуса поворота самоходной машины в зависимости от скорости этого колеса или гусеницы; ограничение максимальной скорости ведущего колеса или гусеницы, стабилизация скорости борта самоходной машины с учетом буксования ведущего колеса или гусеницы; ограничение максимального линейного или углового ускорения этого борта; поддержание скорости движения самоходной машины, установленной в зависимости от величины вертикального ускорения, воздействующего на тяговый мехатронный модуль или стабилизация его тяговой мощности;o) the traction mechatronic module contains a block of micromechanical accelerometers and / or gyroscopes connected to a microprocessor controller that is adapted to determine the motion parameters of a self-propelled machine and then control an electric motor from the condition of restricting any parameter of the machine’s movement and / or implementing any function of this movement, and the maximum permissible value of this parameter and / or the motion function are pre-recorded in the memory of the microprocessor controller and / or floor data from serial digital bus. In particular, there is a limitation of slipping of the drive wheel or track; limiting the turning radius of the self-propelled machine depending on the speed of this wheel or track; limiting the maximum speed of the drive wheel or track, stabilizing the speed of the side of the self-propelled machine, taking into account slipping of the drive wheel or track; limiting the maximum linear or angular acceleration of this side; maintaining the speed of the self-propelled machine, installed depending on the magnitude of the vertical acceleration acting on the traction mechatronic module or stabilization of its traction power;
р) в память микропроцессорного контроллера тягового мехатронного модуля предварительно записана программа его автономной работы, а микропроцессорный контроллер приспособлен для автоматического запуска этой программы и управления электрическим двигателем по этой программе при выявлении отсутствия сигнала управления или ошибок в сигнале управления этим тяговым мехатронным модулем в шине последовательной цифровой передачи данных. В частности, микропроцессорный контроллер, работая в автономном режиме, управляет электрическим двигателем из условия поддержания прямолинейного движения самоходной машины;p) the autonomous operation program is pre-recorded in the memory of the microprocessor controller of the traction mechatronic module, and the microprocessor controller is adapted to automatically run this program and control the electric motor according to this program if there is no control signal or errors in the control signal of this traction mechatronic module in the serial digital bus data transmission. In particular, the microprocessor controller, working in standalone mode, controls the electric motor from the condition of maintaining the rectilinear motion of the self-propelled machine;
с) микропроцессорные контроллеры генераторного и тяговых мехатронных модулей осуществляют обмен данными о текущих величинах их мощности и далее реализуют управление электрическим генератором и электрическими двигателями из условия приведения в соответствие выходной мощности генераторного мехатронного модуля и суммарной мощности, потребляемой тяговыми мехатронными модулями, и/или поддержания предварительно установленного распределения тягового усилия между колесами передней и задней оси, и/или предотвращения паразитной циркуляции мощности, обусловленной различием длины пути каждого колеса или гусеницы при повороте самоходной машины;c) microprocessor controllers of the generator and traction mechatronic modules exchange data on the current values of their power and then control the electric generator and electric motors from the condition of matching the output power of the generator mechatronic module and the total power consumed by the traction mechatronic modules and / or maintaining the established distribution of traction between the wheels of the front and rear axles, and / or preventing parasitic circulation and power due to the difference in the path length of each wheel or track when turning a self-propelled vehicle;
т) панель оператора содержит графические, символьные и/или электромеханические устройства отображения информации о параметрах и режимах работы трансмиссии, рабочего оборудования и/или ДВС, звуковые и/или световые сигнализаторы их предельных состояний и органы управления панелью оператора, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием, и/или двигателем самоходной машины, соединенные с микропроцессорным контроллером панели оператора, содержащим блок энергонезависимой памяти, приспособленный для записи в него параметров работы трансмиссии, и/или рабочего оборудования, и/или ДВС, с возможностью считывания в случае необходимости, а также устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных;r) the operator panel contains graphic, symbolic and / or electromechanical devices for displaying information about the parameters and operating modes of the transmission, working equipment and / or ICE, sound and / or light signaling devices of their limit states and controls for the operator panel and / or transmission, and / or working equipment, and / or the motor of a self-propelled machine, connected to a microprocessor controller of the operator panel containing a non-volatile memory unit, adapted to record the parameters of the trans issii and / or working equipment and / or the internal combustion engine, capable of reading in case of need, as well as bus coupler serial digital data;
у) электромеханическая трансмиссия дополнительно содержит датчики параметров работы трансмиссии, рабочего оборудования и/или ДВС, подключенные к шине последовательной цифровой передачи данных, и/или контроллеру трансмиссии, и/или панели оператора, и/или генераторному мехатронному модулю, и/или тяговым мехатронным модулям;s) the electromechanical transmission further comprises sensors for the parameters of the transmission, working equipment and / or ICE connected to the serial digital data bus, and / or the transmission controller, and / or operator panel, and / or mechatronic generator module, and / or mechatronic traction modules
ф) органы управления трансмиссией выполнены в виде джойстиков или аппаратов управления скоростью и направлением движения самоходной машины.f) transmission control elements are made in the form of joysticks or devices for controlling the speed and direction of movement of a self-propelled vehicle.
Реализация указанных признаков независимого и зависимых пунктов формулы изобретения приводит к созданию электромеханической трансмиссии самоходной машины на основе интеллектуальных мехатронных модулей в виде распределенной системы с прямым цифровым управлением ее отдельных устройств.The implementation of these signs of the independent and dependent claims leads to the creation of an electromechanical transmission of a self-propelled machine based on intelligent mechatronic modules in the form of a distributed system with direct digital control of its individual devices.
В этой трансмиссии реализовано не только непосредственное цифровое управление от микроконтроллера ключами силового преобразователя генератора и электрических двигателей, но и обеспечен цифровой обмен информацией между мехатронными модулями, реализована возможность прямого ввода в микроконтроллеры сигналов обратных связей, в том числе формируемых встроенными датчиками, с их последующей программно-аппаратной обработкой микроконтроллерами.This transmission implements not only direct digital control from the microcontroller by the keys of the power converter of the generator and electric motors, but also provides a digital exchange of information between mechatronic modules, it is possible to directly input feedback signals to microcontrollers, including those generated by built-in sensors, with their subsequent software - hardware processing by microcontrollers.
Децентрализованное (распределенное) управление трансмиссией предусматривает распределение функций управления по отдельным устройствам трансмиссии, при котором для выработки воздействия на элементы каждого устройства необходима информация о состоянии только этого устройства и реализуемой им функции. Трансмиссия фактически представляет собой совокупность объединенных цифровой линией связи автономно работающих устройств - мехатронных модулей, органов управления, панели оператора и т.д., каждое из которых обладает собственной информационной, алгоритмической и технической базой.Decentralized (distributed) transmission control provides for the distribution of control functions among individual transmission devices, in which information on the status of only this device and the functions it implements is required to generate an impact on the elements of each device. The transmission is actually a combination of autonomously working devices connected by a digital communication line - mechatronic modules, controls, operator panels, etc., each of which has its own information, algorithmic and technical base.
Объединение множества механических и электронных устройств трансмиссии, в том числе редукторов и тормозов, в интеллектуальные мехатронные модули обеспечивает повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей трансмиссии за счет сокращения количества и длины внешних механических и электрических связей между отдельными устройствами трансмиссии, сокращения количества их оболочек (корпусов), реализации общей системы жидкостного охлаждения и т.д.The combination of many mechanical and electronic transmission devices, including gearboxes and brakes, into intelligent mechatronic modules provides increased reliability and improved overall dimensions of the transmission by reducing the number and length of external mechanical and electrical connections between individual transmission devices, reducing the number of their shells (cases) implementation of a general liquid cooling system, etc.
Реализация трансмиссии в виде функционально распределенной системы без использования центрального (главного) управляющего контроллера обеспечивает достижение повышенных показателей общей живучести и безопасности работы как трансмиссии, так и самоходной машины, на которой она установлена, поскольку отказ одного устройства приводит к потере лишь ограниченного числа функций трансмиссии, а наличие параллельных и дублирующих каналов управления, обусловленное применением микроконтроллеров в каждом их этих устройств, обеспечивает сохранение наиболее ответственных функций трансмиссии при частичных или полных отказах ее отдельных устройств.The implementation of the transmission in the form of a functionally distributed system without the use of a central (main) control controller ensures the achievement of increased overall survivability and operational safety of both the transmission and the self-propelled machine on which it is installed, since failure of one device leads to the loss of only a limited number of transmission functions, and the presence of parallel and duplicate control channels, due to the use of microcontrollers in each of these devices, ensures the most critical transmission functions with partial or complete failures of its individual devices.
Например, отказ панели оператора не оказывает влияния на работу тяговых мехатронных модулей и не нарушает управление движением самоходной машины. В случае отсутствия сигналов управления одним из тяговых мехатронных модулей, например, по причине обрыва шины CAN, а также при наличии ошибок (сбоев) в этой линии связи, мехатронный тяговый модуль переходит на работу в автономном режиме, оценивая параметры работы трансмиссии и самоходной машины с помощью встроенных датчиков, например, блока акселерометров и гироскопов, и реализуя наиболее безопасные режимы работы трансмиссии и самоходной машины.For example, a failure of the operator panel does not affect the operation of the traction mechatronic modules and does not violate the control of the movement of the self-propelled machine. In the absence of control signals by one of the mechatronic traction modules, for example, due to a CAN bus break, and also if there are errors (malfunctions) in this communication line, the mechatronic traction module switches to stand-alone operation, evaluating the parameters of the transmission and the self-propelled machine with using built-in sensors, for example, a block of accelerometers and gyroscopes, and implementing the safest modes of transmission and self-propelled machines.
Дополнительно причинно-следственные связи между признаками предложенного изобретения и достигаемыми техническими результатами показаны при описании примеров реализации предложенной электромеханической трансмиссии.Additionally, causal relationships between the features of the proposed invention and the achieved technical results are shown in the description of examples of the implementation of the proposed electromechanical transmission.
На чертеже представлена упрощенная схема электромеханической трансмиссии самоходной машины.The drawing shows a simplified diagram of an electromechanical transmission of a self-propelled machine.
Она содержит генераторный мехатронный модуль 1, механически соединенный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 2, тяговые мехатронные модули 3, 4 (по числу ведущих колес или гусениц 5, 6 самоходной машины), соединенные силовыми шинами 7 с генераторным мехатронным модулем 1, а также панель оператора 8 и органы управления 9 трансмиссией.It contains a generator mechatronic module 1, mechanically connected to an internal combustion engine (ICE) 2, traction mechatronic modules 3, 4 (according to the number of driving wheels or tracks 5, 6 of a self-propelled machine) connected by power buses 7 to the generator mechatronic module 1, and operator panel 8 and transmission controls 9.
Мехатронные модули 1, 3, 4, панель оператора 8, орган управления трансмиссией 9 и другие указанные далее устройства трансмиссии, содержащие микропроцессорные контроллеры (микроконтроллеры), соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных, выполненной, в частности, с физическим уровнем промышленной сети CAN (Controller Area Network), определенным в стандарте ISO 11898, и протокола высокого уровня CANopen, или DeviceNet, или CAN Kingdom, или J1939. Возможно также применение интерфейса цифровой передачи данных LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), Л 850 (SAE), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (СОМ - порт), RS-485 (Recommended Standard 485), «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д.The mechatronic modules 1, 3, 4, the operator panel 8, the transmission control 9 and the other transmission devices listed below, containing microprocessor controllers (microcontrollers), are interconnected by a serial digital data bus, made, in particular, with the physical layer of the industrial CAN network (Controller Area Network) defined in ISO 11898, and CANopen, or DeviceNet, or CAN Kingdom, or J1939 high-level protocol. It is also possible to use the LIN digital interface (Local Interconnect Network - an interface for automotive systems), L 850 (SAE), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (COM - port), RS-485 (Recommended Standard 485) , "Current loop", MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB, etc.
Панель оператора 8 выполнена на основе микроконтроллера и содержит графические, символьные и/или электромеханические (стрелочные) устройства отображения информации о параметрах и режимах работы трансмиссии, рабочего оборудования и/или ДВС, а также звуковые и/или световые сигнализаторы их предельных состояний. На панели оператора 8 могут быть установлены органы управления этой панелью, использующиеся, например, для переключения отображаемых параметров, а также отдельные (вспомогательные, сервисные, дублирующие) органы управления трансмиссией, рабочим оборудованием и/или ДВС, выполненные, например, в виде бесконтактных или квазисенсорных клавиш и кнопок.The operator panel 8 is made on the basis of a microcontroller and contains graphic, symbolic and / or electromechanical (arrow) devices for displaying information about the parameters and operating modes of the transmission, working equipment and / or ICE, as well as sound and / or light signaling devices of their limit states. On the operator panel 8, controls for this panel can be installed, used, for example, to switch the displayed parameters, as well as separate (auxiliary, service, backup) controls for the transmission, working equipment and / or ICE, made, for example, in the form of contactless or quasi-touch keys and buttons.
Микроконтроллер панели оператора 8 в общем случае содержит блок энергонезависимой памяти (блок памяти регистратора параметров), приспособленный для записи в него параметров работы трансмиссии, рабочего оборудования и/или ДВС, с возможностью считывания записанной информации путем ее вывода на графическое устройство отображения информации (графическую панель) или перезаписи на мобильный носитель информации, приспособленный для подключения к персональному компьютеру с целью последующей обработки и анализа этой информации.The microcontroller of the operator panel 8 generally comprises a non-volatile memory unit (parameter recorder memory block) adapted to record the operation parameters of the transmission, working equipment and / or internal combustion engine, with the ability to read the recorded information by outputting it to a graphic information display device (graphic panel ) or dubbing to a mobile storage medium adapted for connection to a personal computer for the purpose of subsequent processing and analysis of this information.
Каждый из органов управления 9 выполнен в виде джойстика, аппарата управления, пульта или переключателя и предназначен для формирования сигналов управления скоростью и/или направлением движения самоходной машины. Он содержит, например, механический приводной элемент (рукоятку, рычаг), датчик положения этого элемента и микроконтроллер, осуществляющий обработку выходных сигналов этого датчика. В частности, орган управления 9 может быть выполнен в виде джойстика с магниточувствительным датчиком положения его рукоятки, соединенным с микроконтроллером, который формирует сигналы управления движением машины вперед/назад и поворота влево/вправо при отклонении оператором рукоятки джойстика соответственно вперед/назад и влево/вправо.Each of the controls 9 is made in the form of a joystick, control apparatus, remote control or switch and is designed to generate control signals for the speed and / or direction of movement of the self-propelled vehicle. It contains, for example, a mechanical drive element (handle, lever), a position sensor of this element and a microcontroller that processes the output signals of this sensor. In particular, the control 9 can be made in the form of a joystick with a magnetically sensitive sensor for the position of its handle connected to a microcontroller that generates control signals for moving the machine forward / backward and turning left / right when the operator rejects the handle of the joystick forward / backward and left / right, respectively .
Тяговые мехатронные модули 3, 4, предпочтительно, имеют конструктивное исполнение и массогабаритные параметры, позволяющие их разместить внутри обвода гусениц или в ступицах колес 5, 6 самоходной машины.The mechatronic traction modules 3, 4 preferably have a design and weight and size parameters that allow them to be placed inside the track circumference or in the wheel hubs 5, 6 of the self-propelled machine.
Электромеханическая трансмиссия в данном примере ее реализации содержит также контроллер ДВС 10, накопитель электрической энергии 11, выполненный в виде батареи аккумуляторов и/или суперконденсаторов, и тормозной резистор 12, подключенные к силовыми шинам 7, а также контроллер трансмиссии 13 (может отсутствовать) и датчики 14 параметров работы трансмиссии, рабочего оборудования и ДВС.The electromechanical transmission in this example of its implementation also contains an internal combustion engine controller 10, an electric energy storage device 11 made in the form of a battery of batteries and / or supercapacitors, and a braking resistor 12 connected to the power buses 7, as well as a transmission controller 13 (may be absent) and sensors 14 parameters of the transmission, working equipment and ICE.
Тормозной резистор 12 может быть встроен в любой из мехатронных модулей 1, 3, 4 или выполнен в виде автономного блока (показано на чертеже). Он содержит силовой резистор (резистивный элемент), предназначенный для поглощения энергии торможения самоходной машины, и электронный ключ, осуществляющий подключение этого резистора к силовым шинам 7 в зависимости от напряжения на этих шинах. Управление электронным ключом может осуществляться также от микроконтроллера в зависимости от сигналов управления тормозным резистором, поступающих с шины CAN. Если тормозной резистор 12 встроен в мехатронных модуль 1, 3, 4, то управление этим резистором осуществляется от микроконтроллера мехатронного модуля через соответствующий электронный ключ силового преобразователя.The braking resistor 12 can be built into any of the mechatronic modules 1, 3, 4 or made in the form of an autonomous unit (shown in the drawing). It contains a power resistor (resistive element) designed to absorb the braking energy of the self-propelled machine, and an electronic switch that connects this resistor to the power bus 7 depending on the voltage on these tires. The electronic key can also be controlled from the microcontroller depending on the brake resistor control signals from the CAN bus. If the braking resistor 12 is built into the mechatronic module 1, 3, 4, then this resistor is controlled from the microcontroller of the mechatronic module through the corresponding electronic key of the power converter.
Контроллер ДВС 10, контроллер трансмиссии 13 и датчики 14, в случае необходимости, имеют устройства сопряжения с шиной CAN.The internal combustion engine controller 10, the transmission controller 13, and the sensors 14, if necessary, have CAN interface devices.
В качестве датчиков 14 могут использоваться датчики продольного и поперечного наклона самоходной машины, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей жидкости, скорости движения или величины перемещения рабочих органов, например, положения отвала бульдозера, датчик наличия оператора в кресле или в кабине самоходной машины, используемый для блокирования работы трансмиссии при отсутствии оператора, и другие датчики, необходимость установки которых определяется особенностями конструкции самоходной машины и технологического процесса, для выполнения которого она предназначена. Датчики 14 могут быть подключены к контроллеру трансмиссии 13, панели оператора 8, органам управления 9, контроллеру 10 ДВС или к мехатронным модулям 1, 3, 4.As the sensors 14, the longitudinal and transverse tilt sensors of the self-propelled machine, the ambient temperature, coolant temperature, speed of movement or the magnitude of the movement of the working bodies, for example, the position of the blade of the bulldozer, the sensor of the presence of the operator in the chair or in the cab of the self-propelled machine used to block transmission operation in the absence of an operator, and other sensors, the need for installation of which is determined by the design features of the self-propelled machine and technological equipment the process for which it is intended. The sensors 14 can be connected to the transmission controller 13, the operator panel 8, the controls 9, the internal combustion engine controller 10, or to the mechatronic modules 1, 3, 4.
Генераторный и тяговые мехатронные модули 1, 3, 4 и тормозной резистор 12 имеют общую систему жидкостного охлаждения 15 (на чертеже условно показаны трубопроводы с теплоносителем), объединенную с системой охлаждения ДВС 2.The generator and traction mechatronic modules 1, 3, 4 and the braking resistor 12 have a common liquid cooling system 15 (piping with a coolant are conventionally shown in the drawing), combined with the ICE 2 cooling system.
Генераторный мехатронный модуль 1 содержит вентильно-индукторный генератор с независимым возбуждением 16, силовой выпрямитель (силовой преобразователь переменного напряжения в постоянное) 17 и электронный регулятор с силовым ключом, приспособленным для подключения выходного напряжения силового выпрямителя к обмотке возбуждения (на чертеже условно не показана) и широтно-импульсного регулирования тока в ней из условия поддержания заданного выходного напряжения генераторного мехатронного модуля 1. Электронный регулятор может быть выполнен на основе микроконтроллера 18 и оснащен устройством сопряжения с шиной CAN.The mechatronic generator module 1 contains a valve-inductor generator with independent excitation 16, a power rectifier (AC to DC power converter) 17 and an electronic controller with a power switch adapted to connect the output voltage of the power rectifier to the field winding (not shown conventionally in the drawing) and pulse-width current regulation in it from the condition of maintaining a given output voltage of the generator mechatronic module 1. The electronic controller can be performed based on microcontroller 18 and is equipped with a device for interfacing with the CAN bus.
Генератор 16 может быть также вентильно-индукторным с самовозбуждением или синхронным с постоянными магнитами на роторе. В этом случае микропроцессорный контроллер 18 управляет силовым преобразователем (коммутатором) 17, реализованном на силовых IGBT транзисторах, с использованием датчика 19 положения вала или ротора генератора.The generator 16 may also be a valve-inductor with self-excitation or synchronous with permanent magnets on the rotor. In this case, the microprocessor controller 18 controls the power converter (switch) 17, implemented on the power IGBT transistors, using the sensor 19 of the position of the shaft or rotor of the generator.
Генераторный мехатронный модуль 1 может содержать встроенный мультипликатор (повышающий редуктор), благодаря которому работа этого мехатронного модуля осуществляется на более высоких скоростях вращения ротора, что приводит к улучшению его массогабаритных показателей.Generator mechatronic module 1 may contain a built-in multiplier (step-up gear), due to which the operation of this mechatronic module is carried out at higher rotor speeds, which leads to an improvement in its overall dimensions.
Генераторный мехатронный модуль может 1 быть выполнен обратимым - с возможностью его работы в качестве тягового модуля. Благодаря этому обеспечивается возможность торможения самоходной машины двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 2, а также запуска ДВС от внешней электрической сети, подключаемой с использованием электрического кабеля (на чертеже условно не показан).The mechatronic generator module 1 can be made reversible - with the possibility of its operation as a traction module. This makes it possible to brake a self-propelled machine with an internal combustion engine (ICE) 2, as well as start the ICE from an external electrical network connected using an electric cable (not shown conventionally in the drawing).
Каждый из тяговых мехатронных модулей 3, 4 содержит электрический двигатель (электромотор) 20, 21, микропроцессорный контроллер, предпочтительно, цифровой сигнальный процессор 22, 23, силовой преобразователь 24, 25, соединенный с обмотками электрического двигателя 20, 21, силовыми шинами питания 7 и микропроцессорным контроллером 22, 23 и датчик положения вала или ротора 26, 27 электрического двигателя, а также устройство сопряжения с шиной CAN, встроенное в микропроцессорный контроллер или подключенное к нему,Each of the mechatronic traction modules 3, 4 contains an electric motor (electric motor) 20, 21, a microprocessor controller, preferably a digital signal processor 22, 23, a power converter 24, 25 connected to the windings of the electric motor 20, 21, power supply buses 7 and the microprocessor controller 22, 23 and the position sensor of the shaft or rotor 26, 27 of the electric motor, as well as a CAN bus coupler integrated in or connected to the microprocessor controller,
Электрический двигатель 20, 21 может быть вентильно-индукторным (вентильным индукторно-реактивным) с пассивным ферромагнитным ротором (без постоянных магнитов и обмоток на роторе), именуемым в зарубежной технической литературе как «Switched Reluctance Motor» (SRM), синхронным с постоянными магнитами на роторе, именуемым в зарубежной технической литературе как «Permanent Magnet Synchronous Motor» (PMSM) (реже используется название «BrushLess Direct Current motor» (BLDC), что переводится, как «Бесщеточный мотор постоянного тока»), или асинхронным.The electric motor 20, 21 can be a valve-inductor (valve inductor-reactive) with a passive ferromagnetic rotor (without permanent magnets and windings on the rotor), referred to in the foreign technical literature as "Switched Reluctance Motor" (SRM), synchronous with permanent magnets on a rotor, referred to in the foreign technical literature as “Permanent Magnet Synchronous Motor” (PMSM) (less commonly used is the name “BrushLess Direct Current motor” (BLDC), which translates as “Brushless DC Motor”), or asynchronous.
Тяговый мехатронный модуль может содержать встроенный электромагнитный тормоз 28, 29. В этом случае силовой преобразователь 24, 25 содержит электронный ключ, соединенный с микроконтроллером 22, 23 и обеспечивающий управление включением/отключением этого тормоза в зависимости от сигнала, поступающего по шине CAN. Возможна также реализация микроконтроллером 22, 23 алгоритма автоматического включения этого электромагнитного тормоза непосредственно после остановки вала электрического двигателя 20, 21 или через установленный интервал времени после этой остановки (по сигналам датчика 26, 27).The traction mechatronic module may contain an integrated electromagnetic brake 28, 29. In this case, the power converter 24, 25 contains an electronic key connected to the microcontroller 22, 23 and provides control of the on / off of this brake depending on the signal received via the CAN bus. It is also possible that the microcontroller 22, 23 implements an algorithm for automatically activating this electromagnetic brake immediately after the shaft of the electric motor 20, 21 stops, or after a set time interval after this stop (according to the signals of the sensor 26, 27).
Дополнительно тяговый мехатронный модуль 3, 4 может содержать встроенную зубчатую передачу, например, планетарный бортовой редуктор 30, 31, обеспечивающий привод колеса или гусеницы 5, 6 самоходной машины непосредственно от тягового мехатронного модуля без использования дополнительных передач.Additionally, the traction mechatronic module 3, 4 may contain an integrated gear transmission, for example, a planetary final drive 30, 31, which provides the drive of a wheel or track 5, 6 of a self-propelled machine directly from the traction mechatronic module without the use of additional gears.
Бортовые редукторы 30, 31 могут выполнены обратимыми с возможностью приведения во вращение ротора электрической машины (электромотора) 20, 21 при замедлении, буксировке машины или при ее движении под уклон. В этом случае электрические машины 20, 21 работают в режиме генераторов, обеспечивая возможность рекуперации энергии - заряда накопителя энергии 11, а также торможения самоходной машины.On-board gearboxes 30, 31 can be made reversible with the possibility of bringing the rotor of the electric machine (electric motor) 20, 21 into rotation when slowing down, towing the machine or when it moves downhill. In this case, the electric machines 20, 21 operate in the generator mode, providing the possibility of energy recovery - the charge of energy storage 11, as well as braking of the self-propelled machine.
Тяговый мехатронный модуль 3, 4 может содержать датчики параметров работы самого тягового мехатронного модуля и самоходной машины, на которой он установлен. В нем кроме датчика положения ротора 27, 27 могут быть установлены датчики температуры обмоток электрических двигателей 20, 21 и охлаждающей жидкости 15, датчики тока в обмотках электрических двигателей 20, 21, блок микромеханических акселерометров и гироскопов и т.д., подключенные к микропроцессорному контроллеру 22, 23.The traction mechatronic module 3, 4 may contain sensors of operation parameters of the traction mechatronic module and the self-propelled machine on which it is installed. In addition to the rotor position sensor 27, 27, it can be equipped with temperature sensors for the windings of electric motors 20, 21 and coolant 15, current sensors in the windings of electric motors 20, 21, a block of micromechanical accelerometers and gyroscopes, etc., connected to a microprocessor controller 22, 23.
Электромеханическая трансмиссия работает следующим образом.Electromechanical transmission works as follows.
ДВС 2 непосредственно или через повышающий редуктор (мультипликатор) приводит во вращение вал (ротор) генератора 16 генераторного мехатронного модуля 1. Силовой преобразователь 17, реализованный с использованием диодов или силовых IGBT транзисторов, управляемых микроконтроллером 18 с использованием сигналов датчика 19 положения ротора генератора 16, выполняет функции выпрямителя. Если генератор 16 выполнен вентильно-индукторным с независимым возбуждением, то с помощью силового преобразователя 17 и микроконтроллера 18, либо электронного регулятора и силового ключа, осуществляется регулирование тока возбуждения генератора 16.ICE 2 directly or through an up-converter (multiplier) drives the shaft (rotor) of the generator 16 of the mechatronic generator 1. The power converter 17, implemented using diodes or power IGBT transistors controlled by a microcontroller 18 using the signals of the sensor 19 of the position of the rotor of the generator 16, acts as a rectifier. If the generator 16 is made of a valve-inductor with independent excitation, then using the power converter 17 and the microcontroller 18, or an electronic controller and a power switch, the excitation current of the generator 16 is regulated.
Напряжение постоянного тока, например 550 В, с выхода генераторного мехатронного модуля 1 по силовым шинам 7 поступает на тяговые мехатронные модули 3, 4, накопитель энергии 11 и управляемый тормозной резистор 12 (для реализации режима торможения самоходной машины).DC voltage, for example 550 V, from the output of the mechatronic generator module 1 via power buses 7 is supplied to the mechatronic traction modules 3, 4, an energy storage device 11 and a controlled braking resistor 12 (for implementing the braking mode of a self-propelled vehicle).
Электрические двигатели 20, 21, получающие электрическую энергию от силовых преобразователей 24, 25, преобразуют ее в механическую энергию и передают вращающий момент на бортовые редукторы 30, 31 и далее на ведущие колеса или звездочки 5, 6, обеспечивая движение самоходной машины.Electric motors 20, 21, receiving electric energy from power converters 24, 25, convert it to mechanical energy and transmit torque to final drives 30, 31 and further to drive wheels or sprockets 5, 6, providing the movement of a self-propelled machine.
Режимы работы генераторного 1 и тяговых 3, 4 мехатронных модулей устанавливаются в зависимости от информационных сигналов, присутствующих в шине последовательной цифровой передачи данных CAN, либо самостоятельно микроконтроллерами этих мехатронных модулей.The operating modes of generator 1 and traction 3, 4 mechatronic modules are set depending on the information signals present in the serial CAN digital data bus, or independently by microcontrollers of these mechatronic modules.
Во время работы самоходной машины скорость ее движения устанавливается органами управления 9. Если мощности ДВС 2 достаточно для поддержания этой скорости при текущем значении тяговой нагрузки самоходной машины, то самоходная машина движется с заданной скоростью.During the operation of the self-propelled machine, its speed is set by the control bodies 9. If the power of the engine 2 is sufficient to maintain this speed at the current value of the traction load of the self-propelled machine, then the self-propelled machine moves at a given speed.
При увеличении тяговой нагрузки самоходной машины возрастает необходимый крутящий момент электрических двигателей 20, 21. Если этот момент не может быть реализован при заданной скорости вращения их роторов, то микроконтроллеры 22, 23 осуществляют управление силовыми преобразователями 24, 25 из условия снижения скорости вращения роторов электродвигателей при одновременном повышении их крутящего момента.When the traction load of the self-propelled machine increases, the required torque of electric motors 20, 21 increases. If this moment cannot be realized at a given speed of rotation of their rotors, then the microcontrollers 22, 23 control the power converters 24, 25 from the condition of reducing the speed of rotation of the electric motor rotors at while increasing their torque.
При уменьшении тягового усилия самоходной машины микроконтроллеры 23, 24 автоматически увеличивают скорость вращения роторов электродвигателей 20, 21 и, соответственно, скорость движения самоходный машины возрастает до величины, заданной оператором с помощью органов управления 9.When the traction of the self-propelled machine decreases, the microcontrollers 23, 24 automatically increase the rotational speed of the rotors of the electric motors 20, 21 and, accordingly, the speed of the self-propelled machine increases to a value specified by the operator using the controls 9.
Таким образом, электромеханическая трансмиссия обеспечивает автоматическое регулирования тягового усилия и скорости движения самоходной машины при полном использовании мощности ДВС 1.Thus, the electromechanical transmission provides automatic control of the tractive effort and speed of the self-propelled machine with full use of the power of the engine 1.
Для реализации поворота тяговые мехатронные модули 3, 4 (их микроконтроллеры 22, 23) после получения информации о величине радиуса поворота с шины CAN, устанавливают различные угловые скорости вращения роторов электродвигателей 20, 21, обеспечивая поворот самоходной машины.To implement the rotation, the traction mechatronic modules 3, 4 (their microcontrollers 22, 23), after receiving information about the radius of rotation from the CAN bus, set various angular rotational speeds of the rotors of the electric motors 20, 21, ensuring the rotation of the self-propelled machine.
Одновременно микропроцессорные контроллеры 18, 22, 23 генераторного 1 и тяговых 3, 4 мехатронных модулей обмениваются данными о текущих величинах их мощностей по шине CAN и далее управляют силовыми преобразователями 17, 24, 25 из условия приведения в соответствие выходной мощности генераторного мехатронного модуля 1 и суммарной мощности, потребляемой тяговыми мехатронными модулями 3, 4, а также из условия поддержания предварительно установленного распределения тягового усилия между колесами передней и задней оси, либо из условия предотвращения паразитной циркуляции мощности, обусловленной различием длины пути каждого колеса или гусеницы при повороте самоходной машины.At the same time, microprocessor controllers 18, 22, 23 of generator 1 and traction 3, 4 mechatronic modules exchange data on the current values of their capacities on the CAN bus and then control power converters 17, 24, 25 from the condition of matching the output power of the generator mechatronic module 1 and the total the power consumed by the traction mechatronic modules 3, 4, as well as from the condition of maintaining a predetermined distribution of traction between the wheels of the front and rear axles, or from the condition of preventing arazitnoy circulation of power, due to the difference in the path length of each wheel or track when turning a self-propelled machine.
В процессе своей работы микроконтроллеры 22, 23 тяговых мехатронных модулей 3, 4 с помощью встроенных датчиков контролируют как параметры работы самих мехатронных модулей, так и параметры движения самоходной машины, на которой они установлены. Для этого, в частности, используется навигационный блок из трехосевого микромеханического акселерометра и трехосевого гироскопа. Далее микроконтроллеры 22, 23 реализуют управление электрическими двигателями 20, 21 из условия ограничения установленных параметров или функций движения самоходной машины. При этом максимально допустимые значения этих параметров и указанные функциональные зависимости предварительно определены в зависимости от конструкции самоходной машины и записаны в память микропроцессорных контроллеров 22, 23, либо передаются в тяговые мехатронные модули 3, 4 по шине CAN.In the process of their work, the microcontrollers 22, 23 of the traction mechatronic modules 3, 4 use the built-in sensors to control both the operation parameters of the mechatronic modules themselves and the motion parameters of the self-propelled machine on which they are installed. For this, in particular, a navigation unit from a three-axis micromechanical accelerometer and a three-axis gyroscope is used. Next, the microcontrollers 22, 23 implement the control of electric motors 20, 21 from the condition of limiting the set parameters or the motion functions of the self-propelled machine. In this case, the maximum permissible values of these parameters and the indicated functional dependencies are pre-determined depending on the design of the self-propelled machine and stored in the memory of microprocessor controllers 22, 23, or transferred to the mechatronic traction modules 3, 4 via the CAN bus.
В частности, микропроцессорные контроллеры могут осуществлять ограничение буксования каждого ведущего колеса или гусеницы самоходной машины, реализацию радиуса поворота самоходной машины в зависимости от скорости этого колеса или гусеницы, либо ограничение максимальной скорости ведущего колеса или гусеницы. Возможна также реализация алгоритмов автоматической стабилизации скорости борта самоходной машины с учетом буксования ведущего колеса или гусеницы, алгоритмов ограничения максимального линейного или углового ускорения этого борта, поддержания скорости движения самоходной машины, установленной в зависимости от величины вертикального ускорения, воздействующего на тяговый мехатронный модуль, либо стабилизации его тяговой мощности.In particular, microprocessor controllers can limit the slipping of each drive wheel or track of a self-propelled vehicle, realize the turning radius of the self-propelled machine depending on the speed of the wheel or track, or limit the maximum speed of the drive wheel or track. It is also possible to implement algorithms for automatic stabilization of the speed of the board of a self-propelled machine, taking into account slipping of the drive wheel or track, algorithms for limiting the maximum linear or angular acceleration of this side, maintaining the speed of the self-propelled machine, established depending on the magnitude of the vertical acceleration acting on the traction mechatronic module, or stabilization its traction power.
В случае отказа органов управления 9 управление тяговыми мехатронными модулями 3, 4 осуществляется от дублирующих органов управления, расположенных на панели оператора 8.In the event of a failure of the controls 9, the control of the traction mechatronic modules 3, 4 is carried out from the duplicate controls located on the operator panel 8.
В память микропроцессорных контроллеров 18, 22, 23 генераторного 1 и тяговых 3, 4 мехатронного модуля предварительно записаны также программы их автономной работы. Если в процессе движения самоходной машины на какой-либо микропроцессорный контроллер перестали поступать сигналы управления с шины CAN, либо возникли ошибки в этих сигналах, то микропроцессорный контроллер автоматически переходит к выполнению программы автономной работы.Programs of their autonomous work are also pre-recorded in the memory of microprocessor controllers 18, 22, 23 of the generator 1 and traction 3, 4 mechatronic modules. If during the movement of the self-propelled machine the control signals from the CAN bus ceased to come to any microprocessor controller, or errors occurred in these signals, the microprocessor controller automatically proceeds to run the autonomous work program.
При этом, благодаря наличию встроенных датчиков, обеспечивается максимальная безопасность самоходной машины. Например, если во время движения самоходной машины произошло отключение сигналов управления тягового мехатронного модуля одного из бортов, то его микропроцессорный контроллер переходит в режим управления электрическим двигателем из условия поддержания прямолинейного движения самоходной машины, контролируя при помощи гироскопа направление движения самоходной машины. В этом случае скорость работоспособного борта самоходной машины будет снижаться по сигналам органа управления 9, а тяговый мехатронный модуль борта с отсутствующим сигналом управления автоматически снизит свою скорость, копируя движение противоположного борта.At the same time, thanks to the presence of built-in sensors, the maximum safety of the self-propelled machine is ensured. For example, if the control signals of the traction mechatronic module of one of the sides turned off during the movement of the self-propelled machine, then its microprocessor controller switches to the electric motor control mode from the condition of maintaining the rectilinear motion of the self-propelled machine, controlling the direction of movement of the self-propelled machine using a gyroscope. In this case, the speed of the efficient board of the self-propelled machine will decrease according to the signals of the control 9, and the traction mechatronic module of the board with a missing control signal will automatically reduce its speed by copying the movement of the opposite side.
В режиме торможения тяговые мехатронные модули 3, 4 переходят в генераторный режим, передавая энергию в накопитель энергии 11, осуществляя торможение самоходной машины. Избыток энергии поглощается тормозным резистором 12.In the braking mode, the traction mechatronic modules 3, 4 go into the generator mode, transferring energy to the energy storage 11, braking the self-propelled machine. Excess energy is absorbed by the braking resistor 12.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов электромеханической трансмиссии самоходной машины возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.For specialists in this field of technology it is clear that in addition to the described options for the electromechanical transmission of a self-propelled machine, other options for its implementation are also possible based on the features set forth in the claims.
Claims (9)
а) генераторный мехатронный модуль содержит вентильно-индукторный генератор с независимым возбуждением или с самовозбуждением, или синхронный генератор с постоянными магнитами на роторе, силовой выпрямитель или силовой преобразователь, соединенный с рабочими обмотками генератора и с выходными шинами генераторного мехатронного модуля, а также электронный регулятор с силовым ключом, приспособленным для подключения выходного напряжения силового выпрямителя к обмотке возбуждения, или микропроцессорный контроллер, датчик положения вала или ротора генератора и устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных, встроенное в микропроцессорный контроллер или подключенное к нему, при этом силовой преобразователь соединен с микропроцессорным контроллером, к которому подключен датчик положения вала или ротора генератора;
б) генераторный мехатронный модуль выполнен обратимым с возможностью реализации торможения самоходной машины двигателем внутреннего сгорания и/или запуска двигателя внутреннего сгорания от внешней электрической сети, подключаемой с использованием электрического кабеля;
в) генераторный мехатронный модуль содержит встроенный мультипликатор;
г) генераторный мехатронный модуль содержит тормозной резистор, электронный регулятор или микропроцессорный контроллер и электронный ключ, приспособленный для подключения тормозного резистора к выходным шинам генераторного мехатронного модуля, причем электронный регулятор или микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью управления электронным ключом в зависимости от напряжения на выходных шинах генераторного мехатронного модуля и/или сигналов управления тормозным резистором, поступающих с шины последовательной цифровой передачи данных;
д) тяговый мехатронный модуль содержит электрический двигатель, микропроцессорный контроллер, силовой преобразователь, соединенный с обмотками электрического двигателя, силовыми шинами питания и микропроцессорным контроллером, датчик положения вала или ротора электрического двигателя, соединенный с микропроцессорным контроллером, а также устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных, встроенное в микропроцессорный контроллер или подключенное к нему, причем электрический двигатель выполнен вентильно-индукторным с пассивным ферромагнитным ротором, или синхронным с постоянными магнитами на роторе, или асинхронным;
е) тяговый мехатронный модуль содержит встроенный электромагнитный тормоз, электронный ключ и микропроцессорный контроллер, соединенный с электронным ключом и приспособленный для управления электронным ключом и соединенным с ним электромагнитным тормозом в зависимости от сигнала, поступающего по шине последовательной цифровой передачи данных, и/или для автоматического включения электромагнитного тормоза непосредственно после остановки вала электрического двигателя или через установленный интервал времени после этой остановки;
ж) тяговый мехатронный модуль содержит тормозной резистор, электронный ключ, приспособленный для подключения тормозного резистора к шинам питания тягового мехатронного модуля, и микропроцессорный контроллер, выполненный с возможностью управления электронным ключом в зависимости от напряжения на шинах питания тягового мехатронного модуля и/или сигналов управления тормозным резистором, поступающих по шине последовательной цифровой передачи данных;
з) тяговый мехатронный модуль содержит электрический двигатель, а также электромагнитный тормоз и/или тормозной резистор, которые размещены в общем корпусе тягового мехатронного модуля и имеют общую систему жидкостного охлаждения;
и) тяговый мехатронный модуль содержит встроенную зубчатую передачу или бортовой редуктор, приспособленный для привода колеса или гусеницы самоходной машины;
к) генераторный и тяговые мехатронные модули имеют общую систему жидкостного охлаждения;
л) шина последовательной цифровой передачи данных выполнена с физическим уровнем промышленной сети Controller Area Network (CAN), определенным в стандарте ISO 11898, и протокола высокого уровня CANopen, или DeviceNet, или CAN Kingdom, или J1939;
м) тяговый мехатронный модуль содержит микропроцессорный контроллер и по меньшей мере один микромеханический акселерометр и/или гироскоп, подключенный к микропроцессорному контроллеру, который приспособлен для определения параметров движения самоходной машины и последующего управления электрическим двигателем из условия ограничения по меньшей мере одного параметра движения машины и/или реализации по меньшей мере одной функции этого движения;
н) генераторный и тяговые мехатронные модули содержат микропроцессорные контроллеры, которые приспособлены для обмена данными о текущих величинах их мощности, а также для управления электрическим генератором и электрическими двигателями из условия приведения в соответствие выходной мощности генераторного мехатронного модуля и суммарной мощности, потребляемой тяговыми мехатронными модулями, и/или поддержания предварительно установленного распределения тягового усилия между колесами передней и задней оси, и/или из условия предотвращения паразитной циркуляции мощности, обусловленной различием длины пути каждого колеса или гусеницы при повороте самоходной машины;
о) панель оператора содержит графические, и/или символьные, и/или электромеханические устройства отображения информации о параметрах и режимах работы трансмиссии, и/или рабочего оборудования, и/или двигателя внутреннего сгорания самоходной машины, звуковые и/или световые сигнализаторы их предельных состояний и органы управления панелью оператора, и/или трансмиссией, и/или рабочим оборудованием, и/или двигателем внутреннего сгорания самоходной машины, соединенные с микропроцессорным контроллером панели оператора, содержащим блок энергонезависимой памяти, приспособленный для записи в него параметров работы трансмиссии, и/или рабочего оборудования, и/или двигателя внутреннего сгорания самоходной машины, с возможностью считывания в случае необходимости, а также устройство сопряжения с шиной последовательной цифровой передачи данных;
п) электромеханическая трансмиссия дополнительно содержит датчики параметров работы трансмиссии, и/или рабочего оборудования, и/или двигателя внутреннего сгорания самоходной машины, подключенные к шине последовательной цифровой передачи данных, и/или контроллеру трансмиссии, и/или панели оператора, и/или генераторному мехатронному модулю, и/или к органам управления, и/или контроллеру двигателя внутреннего сгорания, и/или тяговым мехатронным модулям.1. Electromechanical transmission of a self-propelled machine, comprising a mechatronic generator module, operatively connected to an internal combustion engine and configured to convert at least a portion of the mechanical energy of the internal combustion engine to electrical energy, mechatronic traction modules, the number of which is equal to the number of drive wheels or tracks of the self-propelled engine connected by power buses to a mechatronic generator module and adapted to convert electrical energy into mechanical with the possibility of driving wheels or tracks of the left and right side of the self-propelled machine, an operator panel and at least one transmission control element, the mechatronic traction modules, the operator panel and the transmission control element being connected by a serial digital data bus, characterized in that it has implemented at least one of the following technical solutions:
a) the generator mechatronic module contains a valve-inductor generator with independent excitation or self-excitation, or a synchronous generator with permanent magnets on the rotor, a power rectifier or power converter connected to the working windings of the generator and with the output buses of the generator mechatronic module, as well as an electronic controller with power switch adapted to connect the output voltage of the power rectifier to the field winding, or microprocessor controller, VA position sensor or a generator rotor and a bus coupler serial digital data embedded in a microprocessor controller or connected thereto, wherein the power converter is coupled to the microprocessor controller to which the shaft position or generator rotor connected sensor;
b) the mechatronic generator module is made reversible with the possibility of braking the self-propelled machine by an internal combustion engine and / or starting an internal combustion engine from an external electrical network connected using an electric cable;
c) the mechatronic generator module contains an integrated multiplier;
d) the mechatronic generator module contains a braking resistor, an electronic controller or microprocessor controller and an electronic switch adapted to connect a brake resistor to the output buses of the mechatronic module, the electronic controller or microprocessor controller being configured to control the electronic switch depending on the voltage on the generator output buses mechatronic module and / or brake resistor control signals from digital serial bus data;
e) the traction mechatronic module contains an electric motor, a microprocessor controller, a power converter connected to the windings of the electric motor, power supply buses and a microprocessor controller, a position sensor of the shaft or rotor of the electric motor connected to the microprocessor controller, as well as a device for interfacing with a serial digital transmission bus data built into the microprocessor controller or connected to it, moreover, the electric motor is made of valve-ind with a passive ferromagnetic rotor, or synchronous with permanent magnets on the rotor, or asynchronous;
f) the traction mechatronic module contains an integrated electromagnetic brake, an electronic key and a microprocessor controller connected to the electronic key and adapted to control the electronic key and the electromagnetic brake connected to it, depending on the signal received via the serial digital data bus, and / or for automatic turning on the electromagnetic brake immediately after the shaft of the electric motor stops, or after a set time interval after this stop;
g) the traction mechatronic module contains a braking resistor, an electronic key adapted to connect a braking resistor to the power buses of the traction mechatronic module, and a microprocessor controller configured to control the electronic key depending on the voltage on the power buses of the traction mechatronic module and / or brake control signals a resistor coming in via a serial digital bus;
h) the traction mechatronic module contains an electric motor, as well as an electromagnetic brake and / or braking resistor, which are located in the common housing of the traction mechatronic module and have a common liquid cooling system;
i) the traction mechatronic module contains a built-in gear train or final drive adapted to drive a wheel or track of a self-propelled machine;
j) generator and traction mechatronic modules have a common liquid cooling system;
k) the serial digital data bus is made with the physical level of the industrial area controller Area Network (CAN) defined in the ISO 11898 standard and the high-level protocol CANopen, or DeviceNet, or CAN Kingdom, or J1939;
m) the traction mechatronic module contains a microprocessor controller and at least one micromechanical accelerometer and / or gyroscope connected to a microprocessor controller that is adapted to determine the motion parameters of the self-propelled machine and subsequent control of the electric motor from the condition of limiting at least one motion parameter of the machine and / or the implementation of at least one function of this movement;
m) the generator and traction mechatronic modules contain microprocessor controllers that are adapted to exchange data on the current values of their power, as well as to control an electric generator and electric motors from the condition of matching the output power of the generator mechatronic module and the total power consumed by the traction mechatronic modules, and / or maintaining a predetermined distribution of traction between the wheels of the front and rear axles, and / or from preventing scheniya circulation parasitic capacity due to the path length difference of each wheel or caterpillar when turning the self-propelled machine;
n) the operator panel contains graphic and / or symbolic and / or electromechanical devices for displaying information about the parameters and operating modes of the transmission and / or working equipment and / or the internal combustion engine of the self-propelled machine, sound and / or light signaling devices of their limit states and controls of the operator panel, and / or transmission, and / or working equipment, and / or the internal combustion engine of the self-propelled machine, connected to a microprocessor controller of the operator panel containing the power unit onezavisimoy memory adapted for recording therein the transmission parameters of operation and / or working equipment and / or the internal combustion engine is a self-propelled machine capable of reading in case of need, as well as bus interface unit with serial digital data transmission;
o) the electromechanical transmission further comprises sensors for the parameters of the transmission, and / or working equipment, and / or the internal combustion engine of the self-propelled machine, connected to the serial digital data bus, and / or the transmission controller, and / or the operator panel, and / or the generator mechatronic module, and / or to the controls, and / or the controller of the internal combustion engine, and / or traction mechatronic modules.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014109629/11A RU2550408C1 (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014109629/11A RU2550408C1 (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2550408C1 true RU2550408C1 (en) | 2015-05-10 |
Family
ID=53293974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014109629/11A RU2550408C1 (en) | 2014-03-12 | 2014-03-12 | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2550408C1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2605957C1 (en) * | 2015-08-20 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Self-propelled vehicle electromechanical transmission |
| RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
| RU2648652C1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electromechanical transmission of the machine with internal combustion engine |
| RU2658654C2 (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донские технологии" | Method of sensorless control of linear reciprocating valve-inductor pair-phase generator |
| RU2701084C1 (en) * | 2019-03-15 | 2019-09-24 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electromechanical traction module of caterpillar vehicle |
| RU2706865C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Self-propelled machine with internal combustion engine and electromechanical transmission |
| RU2726881C2 (en) * | 2018-04-05 | 2020-07-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Electromechanical two-flow drive of transport machine with onboard turning method |
| RU201852U1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Русэлпром" (ООО "Инжиниринговый центр "Русэлпром") | TWO-AXLE AUTOMOTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
| RU2771464C2 (en) * | 2017-12-08 | 2022-05-04 | Цф Фридрихсхафен Аг | Method for control of gear shift, as well as motor trackless vehicle |
| RU212125U1 (en) * | 2021-11-15 | 2022-07-07 | Публичное акционерное общество "КАМАЗ" | ASSEMBLY ASSEMBLY OF THE COOLING SYSTEM OF A MINING DUMP TRUCK WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU20184U1 (en) * | 2001-04-25 | 2001-10-20 | Закрытое акционерное общество "ОРЛЭКС" | THERMAL RELAY FOR REFRIGERATORS |
| RU2008132748A (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-20 | Андрей Юрьевич Холин (RU) | THERMOMETRIC BRAID AND ITS CALIBRATION METHOD |
| RU2394701C2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-07-20 | Кейтерпиллар Инк. | Electric power drive for working machine |
-
2014
- 2014-03-12 RU RU2014109629/11A patent/RU2550408C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU20184U1 (en) * | 2001-04-25 | 2001-10-20 | Закрытое акционерное общество "ОРЛЭКС" | THERMAL RELAY FOR REFRIGERATORS |
| RU2394701C2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-07-20 | Кейтерпиллар Инк. | Electric power drive for working machine |
| RU2008132748A (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-20 | Андрей Юрьевич Холин (RU) | THERMOMETRIC BRAID AND ITS CALIBRATION METHOD |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2605957C1 (en) * | 2015-08-20 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Self-propelled vehicle electromechanical transmission |
| RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
| RU2658654C2 (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донские технологии" | Method of sensorless control of linear reciprocating valve-inductor pair-phase generator |
| RU2648652C1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electromechanical transmission of the machine with internal combustion engine |
| RU2771464C2 (en) * | 2017-12-08 | 2022-05-04 | Цф Фридрихсхафен Аг | Method for control of gear shift, as well as motor trackless vehicle |
| RU2726881C2 (en) * | 2018-04-05 | 2020-07-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Electromechanical two-flow drive of transport machine with onboard turning method |
| RU2706865C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Self-propelled machine with internal combustion engine and electromechanical transmission |
| RU2701084C1 (en) * | 2019-03-15 | 2019-09-24 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electromechanical traction module of caterpillar vehicle |
| RU201852U1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Русэлпром" (ООО "Инжиниринговый центр "Русэлпром") | TWO-AXLE AUTOMOTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
| RU212125U1 (en) * | 2021-11-15 | 2022-07-07 | Публичное акционерное общество "КАМАЗ" | ASSEMBLY ASSEMBLY OF THE COOLING SYSTEM OF A MINING DUMP TRUCK WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2550408C1 (en) | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle | |
| US10440880B2 (en) | Control systems and methods for electric drive utility vehicles | |
| US8668036B2 (en) | Control systems and methods for electric drive utility vehicles | |
| US9038759B2 (en) | Hybrid work vehicle | |
| CN101990505B (en) | Operating machine | |
| US9102331B2 (en) | Multi-functional electric module for a vehicle | |
| CN101489847B (en) | Micro-hybrid system for motor vehicle incorporating a piloting strategies module | |
| JP6450761B2 (en) | System and method for controlling a vehicle | |
| RU2540679C1 (en) | Self-moving working machine with electromechanical transmission | |
| JP5727290B2 (en) | Work vehicle | |
| CN105829177A (en) | Motor vehicle | |
| US20200114769A1 (en) | Methods and system for disconnecting an axle | |
| CN101767542A (en) | Intelligent drive platform for four wheels of electric automobile | |
| JP2011512117A (en) | Creep control of motor system | |
| CN102431555B (en) | One-sided detection and disabling of integrator wind up for speed control in a vehicle | |
| CN111806362B (en) | Vehicle control interface and vehicle system | |
| CN104044588A (en) | Phasing of traction control based on vehicle speed and road slope | |
| CN105739491A (en) | Electric intelligent vehicle dual-driving dual-control system based on braking intervention and control method | |
| CN112969635A (en) | Method and control device for operating a modular vehicle | |
| RU2558416C1 (en) | Engine transmission unit of work machine | |
| CN113165711B (en) | Method and control device for assembling a vehicle | |
| CN110114255A (en) | Equipment for activation/deactivated driving device shunting movement in hybrid vehicle | |
| JP5848727B2 (en) | Hybrid wheel loader | |
| CN102401117A (en) | Use of a clutch proportional-integral controller to assist a state observer during a vehicle shift event | |
| CN103661400A (en) | Vehicle and vehicle electric machine control strategy |