CN101445102B - 传动系控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传动系控制系统。所述传动系具有动力源，所述动力源能够操作地连接到变速器上以将功率输出传递给所述至少一个牵引装置。所述传动系还具有控制器，用来调控所述功率输出，以便当所述至少一个牵引设备以最大速度运动时，产生的所述输出功率是所述动力源和所述变速器能够产生的最大输出功率。

Description

传动系控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别是一种传动系的控制系统。

背景技术

机器，例如轮式装载机、推土机、反铲挖土机、翻斗车和其它重型设备用于执行许多任务。为了有效地完成这些任务，这些机器需要发动机，所述发动机通过变速器提供足够的扭矩给一个或多个接地设备。这样的发动机通常以单一发动机速度产生最大功率输出。通常，为增加发动机效率，这些机器利用自动变速器，例如连续可变化变速器(CVT)，所述自动变速器在它们的档位比内提供无穷数目的输出比。

目前CVT控制系统中典型使用的现有的控制策略根据车辆的加速请求做出响应，维持相关的发动机以产生最大功率输出的速度工作，同时增加变速器传动比。随着车辆的速度增加，发动机速度保持恒定，直到变速器传动比到达最大值。如果这时还没有达到车辆的最大速度，则现有的控制策略会增加发动机速度。

另一根据车辆的加速请求做出响应的CVT控制策略在2000年5月23日公告的Ito等人的美国专利6,066,070(‘070号专利)中披露。当收到加速请求时，在‘070号专利公开的控制系统参考加速度图。根据该图，控制系统以与车辆速度的增加成比例地增加发动机速度。同时，CVT的变速比被操作以产生期望的扭矩输出。控制系统继续加速操作，直到加速请求被终止或已经到达了最大的发动机速度和变速器比。另外，发动机在加速操作结束时的速度被维持，直到收到另一个加速请求或减速请求为止。

虽然‘070号专利中公开的控制策略及其它现有的CVT控制策略能够在车辆速度较低时控制动力系统，但在车辆的速度较高时这些控制策略会产生迟滞现象。特别是，因为发动机速度变化，而不再被设置在产生最大发动机功率的速度上。因此，变速器的功率输出减少了。如果车辆遇到增加的外部阻力例如斜坡时，变速器就无法维持最大速度。另外，由于车辆的速度增加，滚动阻力和轮轴内部摩擦也增加，从而阻止变速器的功率输出。

发明内容

下面公开的系统用于克服上面指出的一个或多个问题。

一方面，当前公开的内容涉及一种传动系。该传动系包括动力源，该动力源可操作地连接到变速器上以将功率输出传递给至少一个牵引装置。该传动系还包括控制器，该控制器用来调控所述功率输出，以便当所述至少一个牵引设备以最大速度移动时，产生的功率输出是动力源和变速器能够产生的最大功率输出。

与本发明另一方面一致，还提供了一种操作传动系的方法。该方法包括感测表示动力源速度的第一参量和感测表示变速器操作条件的第二参量。该方法还包括感测表示相关的机器速度的第三参量。该方法还包括调控动力源及变速器的功率输出，以便当机器以最大速度移动时，产生的功率输出是动力源和变速器能够产生的最大功率输出。

附图说明

图1是显示出一种公开的示例性的机器的示意图；

图2是显示出与图1中机器一起使用的示例性操作员室的示意图；

图3是显示出与图1中机器一起使用的示例性传动系的示意图；

图4是与图3中传动系的控制系统一起使用的示例性控制图；以及

图5是描述操作图3中传动系的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1所示是具有合作完成某种任务的多个系统和组件的示例性机器10。所述机器10完成的任务与特定的产业相关，例如采矿、建筑、农耕、运输、发电或已知的其它产业。例如，机器10可以是移动机器，例如图1中的轮式装载机、公共汽车、高速公路拖车或者本领域已知的其它移动机器。机器10还可包括操作员室12、一个或多个牵引设备14和可操作地连接用来驱动所述至少一个牵引设备14的传动系16。

如图2所示，操作员室12包括接受来自操作员的表示期望的机器行驶动作的输入设备。特别地，操作员室12可包括一个或多个靠近操作员位置20处的操作员界面设备18。操作员界面设备18会通过产生的表示期望的机器行驶动作的信号启动机器10的运作。在一种实施方式中，操作员界面设备18可包括左脚踏板22和右脚踏板24。当操作员操作左脚踏板22和/或右脚踏板24时(即，左脚和/或右脚踏板22和24偏离中间位置)，操作员希望并使机器进行相应的行驶运动。可预料的是，如果需要的话，除去脚踏板之外的其它操作员界面设备，例如控制杆、杠杆、开关、旋钮、方向盘和本领域已知的其它设备可以额外地或可选地用在操作员室12之中，以控制机器10的运动。

牵引设备14(参考图1)可具体体现为位于机器10每侧的轮子(仅显示一侧)。替代地，牵引设备14可包括履带、传送带或者其它已知的牵引设备。可驱动和/或操纵的机器10的车轮的任何组合都是可想到的。

如图3所示，传动系16可以是整体的成套设备，用于产生和传递功率给牵引设备14。特别是，传动系16还包括可操作地产生功率输出的动力源26；连接到牵引设备14、接受功率输出并以有用的方式将功率输出传递给牵引设备14的变速器28(参考图1)；和控制模块30，用于响应于一个或多个输入来调控动力源26和变速器28的操作。

动力源26可包括一具有协作产生机械能或电能输出的多个子系统的内燃机。为描述本发明的目的，动力源26被作为四冲程柴油发动机进行描述和说明。本领域技术人员会认识到，动力源26可以是任何类型的内燃机，例如，汽油机或者气体燃料发动机。动力源26中的子系统还包括，例如燃油系统、进气系统、排气系统、润滑系统、冷却系统及其它合适的子系统。

传感器32同动力源26联在一起并感测后者的输出速度。在一个例子中，传感器32具体是磁感应型传感器，其中磁体被埋置在传动系16的一个旋转部件例如曲轴或飞轮内。在动力源26运行时，传感器32会感测磁体产生的旋转磁场和产生与动力源26的旋转速度相对应的信号。

变速器28具体可为，例如连续可变化变速器(CVT)。变速器28可以是任何类型的连续可变化变速器，例如，液力CVT、液力-机械CVT、电动CVT或者其它对本领域技术人员来说可想到的配置。另外，变速器28还可包括驱动元件34和被驱动元件36。

在图3示意性的电动CVT中，驱动元件34是发电机，例如三相永磁交变磁场型发电机，被驱动元件36是电动机，例如永磁交变磁场型电动机，用于从驱动元件34接受功率。驱动元件34的发电机可与被驱动元件36连接并通过功率电子装置38中的电流驱动被驱动元件36的电动机以响应被驱动元件36的扭矩信号。在某些情形中，被驱动元件36的电动机可通过功率电子装置38交替地反向驱动所述驱动元件34的发电机。可想到的是，在使用液力连续可变化变速器的例子中，驱动元件34可以是一个泵，例如变容泵，并且被驱动元件36可以是一个马达，例如一个变容马达。通过从驱动元件34供应流体给被驱动元件36或从被驱动元件36回流到驱动元件34的管道，被驱动元件36被流体地连接到驱动元件34，从而通过液压有效地驱动被驱动元件36。

功率电子装置38还包括与发电机有关的组件以及与电动机有关的组件。例如，功率电子装置38可包括一个或多个推进变换器(未示出)，用于将三相交流功率转化为直流功率，或做相反转化。推进变换器可具有多种电子元件，包括绝缘栅双极晶体管(IGBTs)、微处理器、电容器、记忆存贮设备和用于操作驱动元件34和被驱动元件36的任何类似元件。其它与推进变换器相关的组件包括各组件之间的动力供应电路、信号调节电路和电磁线圈驱动电路。另外，功率电子装置38还包括发电机吸热器(未示出)和电动机吸热器(未示出)，分别与驱动元件34和被驱动元件36连接。每台吸热器吸收各自功率电子装置38中各组件的热量并传递给一个冷却系统(未示出)。

变速器28至少还可由左脚踏板22和右脚踏板24进行部分地控制。即，在操作员操纵左脚踏板22和右脚踏板24时，这些脚踏板会产生表示期望的被驱动元件输出的电信号，例如期望扭矩输出和/或期望的速度限制。例如，左脚踏板22和右脚踏板24可具有最小位置并可移动地通过一系列档位位置到达最大位置。还可提供与左脚踏板22和右脚踏板24分别关联的传感器40和42，用于感测其位置变化并产生与位置变化对应的信号。传感器40和42可以是任何能够感测脚踏板22和24位置变化的传感器，例如，开关或者电位器。每个传感器40和42的位移信号可直接通过控制模块30传递给变速器28来控制被驱动元件36的扭矩输出。

传感器44可与变速器28和/或牵引设备14(参考图1)联系在一起来感测机器10的移动速度。在一个例子中，传感器44可具体为磁感应型传感器，其中磁体被埋置在传动系16的一个旋转部件，例如变速器的输出轴46内。在机器10运行时，传感器44会感测磁体产生的磁场的转动并产生与变速器28的转速和/或机器10的移动速度相对应的信号。

控制模块30可具体是单个微处理器或多个微处理器，用来根据收到的信号控制传动系16的操作。许多市场买得到的微处理器可用来完成控制模块30的功能。应该理解的是，控制模块30可具体是能够控制多个机器功能的一个总的机器微处理器。控制模块30可包括存储器、辅助存储设备、处理器和其它用于应用软件的任何组件。还有多种其它的电路与控制模块30有关，例如动力供给电路、信号调节电路、电磁线圈驱动电路及其它类型的电路。

图4所示为存储在控制模块30的存储器内的控制图48，用于响应于功率输出请求调控传动系16的功率输出。控制模块30可参考控制图48，响应于驾驶员的输入，例如表示右脚踏板24致动的信号、表示左脚踏板22致动的信号和任何其它表示操作员界面设备18致动的信号来启动功率输出请求。控制图48包括代表机器10的接地速度的X轴和代表传动系16功率输出的Y轴。另外，控制图48还可包括接地速度限制50和功率输出限制52。

接地速度限制50是当传动系16产生的功率输出最大时机器10的接地速度。通过利用最大变速器比和动力源26以最大功率产生速度工作可使功率输出最大。应该理解的是，接地速度限制50可能不是传动系16能够产生的最大接地速度。可以设想，在需要最大速度输出而不是最大功率输出的场合，控制模块30可允许机器10的接地速度超出接地速度限制50。为将机器10的接地速度保持为接地速度限制50或低于这一速度，可以使用任何数量的、设计用来调控动力源26的速度和/或变速器28的变速比的设备或算法。

功率输出限制52是对于任何给定的机器10的接地速度，允许传动系16产生的最大功率输出。参考控制图48，控制模块30调控动力源速度和变速器28的变速比，以便使传动系16的功率输出不能超出功率输出限制52。如图4所示，功率输出限制52可随着机器10接地速度增加而增加，并被划分成逐渐增加部分54、迅速增加部分56和发生在逐渐增加部分54和迅速增加部分56之间的过渡部分58。

功率输出限制52的逐渐增加部分54支配了传动系16对于接地速度的最大功率输出，其中滚动阻力和牵引设备14轮轴之间的内部摩擦对传动系16功率输出的影响要大于最小影响。特别地，逐渐增加部分54开始于滚动阻力和内部摩擦开始对传动系16的性能有大于最小影响的较大影响的接地速度，并结束于与接地速度限制50基本上相等的接地速度。控制模块30可以与滚动阻力和内部摩擦的增加成比例地增加功率输出限制52。例如，如果滚动阻力和内部摩擦随接地速度线性地增加，逐渐增加部分54的最大功率输出可由下面的线性方程1表示：

方程 $1y=\left(\frac{y_{\max }-b}{x_{\max }}\right)x+b$

其中，y是特定接地速度下的功率输出；y_max是当机器10以与接地速度限制50基本相等的接地速度移动时，传动系16所能产生的最大功率输出；x_max是接地速度限制50；x是机器10当前移动的接地速度；y是以接地速度x移动时传动系16被允许产生的最大功率输出；b是如果逐渐增加部分延伸到接地速度大约为零时允许的最大功率输出。可选地，可设想到功率输出限制52的增率的速度还可基于包括或除了滚动阻力和内部摩擦的增率之外的其它因素。

功率输出限制52的迅速增加部分56支配传动系16的最大功率输出，由于在一部分接地速度上滚动阻力和内部摩擦对传动系16的性能影响最小。不同于传动系16在逐渐增加部分54处的功率输出限制，迅速增加部分56允许传动系16为机器10的地面移动速度产生可能的最大功率。例如，在图4所示示意性控制图中，y_max大约是175kW，x_max大约是40k/h，并且b大约是130kW。如果滚动阻力和内部摩擦开始对传动系16的性能的最小影响有较大影响时，对应的接地速度是8k/h，在逐渐增加部分54开始处计算的最大允许功率输出大约是137kW。所以，迅速增加部分56会终止于传动系16产生的最大功率输出为137kW的第一接地速度。例如，传动系16能够产生大约137kW的起始接地速度大约是5k/h。

对于发生在迅速增加部分56的终点和逐渐增加部分54的起点之间的接地速度，功率输出限制52的过渡部分58支配传动系16最大功率输出。参考过渡部分58，功率输出限制56保持基本相同。即，过渡部分58开始时功率输出限制52的数值与过渡部分58终止时功率输出限制52的数值基本相同。

图5所示是的一种控制动力系统16的示例性方法。特别地，图5是表示由于机器10地面移动速度的增加，调控传动系16功率输出的示例性方法的流程图。下面将进一步讨论图5，说明该公开的系统及其操作。

工业实用性

公开的控制系统足以操作车辆在轮轴处产生滚动阻力和内部摩擦的速度移动。另外，当遇到外部阻力例如斜坡时，公开的控制系统足以操作车以更高的速度移动。特别地，公开的控制系统会制约车辆的功率输出和最大速度，以便传动系能在车辆最高速度时产生最大功率输出。对传动系16的操作在下面进行说明。

如图5所示，该方法开始于当控制模块30从操作员界面设备18收到增加传动系16的功率输出请求时(步骤100)。这种信号可从显示左脚踏板22致动的传感器40收到，或从显示右脚踏板24致动的传感器42收到，或从任何能够显示操作员界面设备18致动而启动一个功率输出请求的其它来源处收到。在收到表明操作员功率请求的信号后，控制模块30会从传感器32和44获取当前机器状态数据(步骤102)。这样的数据可包括，例如，当前动力源速度和机器10的当前接地速度。

在收到当前机器状态数据后，控制模块30会确定机器10的当前接地速度是否对应于输出功率限制52的迅速增加部分56(步骤104)。例如，接地速度等于或低于最初接地速度，即传动系16能够产生的最大功率输出基本上与逐渐增加部分54允许的最低的最大功率输出一样时的最初接地速度，则对应于迅速增加部分56。在示例性控制图48中(参考图4)，逐渐增加部分54允许的最低的最大功率输出54大约是130kW。传动系16能够产生130kW功率时的初始接地速度大约是5k/h。所以，任何5k/h或之下的速度均对应于迅速增加部分56。如果控制模块30确定机器10的当前接地速度对应于迅速增加部分56(步骤104：是)，则对于使机器10可以运行的接地速度，控制模块30会允许传动系16产生任意大小的操作员请求功率直到最大功率(步骤106)。在产生请求的功率以后，步骤100会被重复(即，控制模块30可从一个致动的请求传动系16输出功率增加的操作员界面设备18接收信号)。

如果控制模块30确定机器10的当前接地速度不对应于迅速增加部分56(步骤104：否)，控制模块30会确定机器10的当前接地速度是否对应于过渡部分58(步骤108)。例如，迅速增加部分56的最大速度与牵引设备14的滚动阻力和轮轴内部摩擦开始对传动系16性能的最小影响较大影响时的接地速度之间的接地速度。在示例性控制图48中(参考图4)，滚动阻力和内部摩擦开始对传动系16的性能有比最小影响大的影响时的接地速度大约是8k/h。所以，在大约5k/h和大约8k/h之间的接地速度对应于过渡部分58。

如果控制模块30确定机器10的当前接地速度对应于过渡部分58(步骤108：是)，控制模块30会设置和维持传动系16被允许的最大功率，以产生与迅速增加部分56可能产生的最大功率在同一水平上的功率输出(步骤110)。在示例性控制图48中(参考图4)，在迅速增加部分56可能产生的最大功率大约是130kW。所以，在当前接地速度对应于过渡部分58时，控制模块30会设置和维持传动系16被允许产生的最大功率大约为130kW。在设置和维持被允许的最大功率等级后，步骤100步会被重复(即，控制模块30可从一个致动的请求传动系16输出功率增加的操作员接口的设备18接收信号)。

如果控制模块30确定机器10的当前接地速度不对应于过渡部分58(步骤108：否)，当前接地速度可对应于逐渐增加部分54。控制模块30会根据与滚动阻力和内部摩擦大小相应的算法，设置传动系16被允许的最大功率输出，并且将最大接地速度限制为传动系16能够产生最大功率的速度(步骤112)。例如，如果滚动阻力和内部摩擦与机器10的接地速度成比例地增加，则最大被允许的功率也可设置为与机器10的接地速度成比例地增加。此外，在示例性控制图48中(参考图4)，传动系16产生的最大可能功率大约是175kW。该功率产生于在机器10以大约40k/h的速度移动时。因此，控制模块30会将机器10的最大接地速度限制到大约40k/h。根据与滚动阻力和内部摩擦的大小对应的算法，设置允许的最大功率输出，并且限定机器10的最大接地速度后，步骤100可被重复(即，控制模块30可从一个致动的请求传动系16输出功率增加的操作员接口的设备18接收信号)。

由于被公开的控制系统会限制传动系产生的功率的大小，将接地速度限制为低于最大接地速度，从而提高了传动系更高速时的性能。特别是，限制传动系产生的功率的数量，以便使最大功率输出能随着接地速度增加而增加，从而使传动系克服较高速度时的滚动阻力和内部摩擦损失。

很显然，在不脱离本发明公开的范围内本领域技术人员可进行各种修改和改变。对本领域技术人员来说，考虑过这里公开的说明做出的其它实施例是可以想到的。各种说明和实施例仅作示例之用，真正的保护范围由所附权利要求及其等同物标明。

Claims (8)

1.一种传动系，包括：

动力源，能够操作地连接到变速器上以将功率输出传递给至少一个牵引装置；和

控制器，用来：

调控所述功率输出，以便当所述至少一个牵引设备以接地速度限制运动时，产生的所述功率输出是所述动力源和所述变速器的功率输出限制，

将所述至少一个牵引设备的所述接地速度限制设定为由所述动力源和所述变速器的功率输出限制进行限制的速度，

根据所述至少一个牵引设备的接地速度来限制所述功率输出。

2.如权利要求1所述的传动系，其中所述控制器还用于随着所述至少一个牵引设备的速度增加而增大所述功率输出限制。

3.如权利要求2所述的传动系，其中所述控制器还用于随着所述至少一个牵引设备受到的滚动阻力和/或内部摩擦的增加而增大所述功率输出限制。

4.如权利要求3所述的传动系，其中所述控制器还用于当所述滚动阻力和内部摩擦对所述传动系的性能有最小影响时，允许所述动力源和所述变速器产生处于极限的功率输出。

5.如权利要求4所述的传动系，其中所述控制器还用于当滚动阻力和内部摩擦对所述传动系的性能有最小影响时，限制所述动力源和所述变速器的功率输出，以及当滚动阻力和内部摩擦对所述传动系的性能具有大于最小影响的较大影响时，所述动力源和所述变速器的功率输出限制被所施加的所述最小功率输出限制超过。

6.一种操作传动系的方法，包括：

感测表示机器的动力源的速度的第一参量；

感测表示机器的变速器的操作状态的第二参量；

感测表示机器的接地速度的第三参量；

调控所述动力源及所述变速器的功率输出，以便当所述机器以接地速度限制运动时，产生的所述输出功率是所述动力源和所述变速器的功率输出限制；

将所述接地速度限制设定为由所述动力源和所述变速器的功率输出限制进行限制的速度，

根据机器的所述接地速度来限制所述功率输出。

7.如权利要求6所述的操作传动系的方法，还包括根据滚动阻力和内部摩擦对所述动力源和所述变速器的性能有大于最小影响的较大影响来增大功率输出限制。

8.如权利要求7所述的操作传动系的方法，还包括当滚动阻力和内部摩擦对所述动力源和所述变速器的性能有最小影响时，允许所述动力源和所述变速器产生处于极限的功率输出。