控制滑动的系统和方法

摘要

提供一控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统。该系统包括一实际滑动计算器，其操作来发出一对应于工作机器所经历的实际滑动的实际滑动信号。该系统还包括一地面条件选择器，其操作来发出一对应于选择的地面条件的地面条件信号。一要求的滑动计算器可根据地面条件信号操作来发出一要求的滑动信号。一滑动控制器偶联到实际滑动计算器和要求的滑动计算器。滑动控制器根据实际滑动信号和要求的滑动信号进行操作来发出一滑动控制信号。该滑动控制信号控制由工作机器经历的实际滑动以达到要求的滑动。

权利要求

1.一控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统，该系统包括：一实际滑动计算器，操作来发出一对应于工作机器所经历的实际滑动的实际滑动信号；

一地面条件选择器，操作来发出一对应于选择的地面条件的地面条件信号；

一牵拉效率选择器，操作来发出一对应于选择的牵拉效率的牵拉效率信号；

一要求的滑动计算器，可根据地面条件信号和牵拉效率信号进行操作以发出一要求的滑动信号；以及一滑动控制器，偶联到实际滑动计算器和要求的滑动计算器，滑动控制器根据实际滑动信号和要求的滑动信号进行操作以发出一滑动控制信号，其中，该滑动控制信号控制由工作机器经历的实际滑动以达到要求的滑动。

2.如权利要求1所述的控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统，其特征在于，要求的滑动计算器包括数据，该数据定义滑动与地面条件和对于特定工作机器结构的牵拉效率之间的关系。

3.如权利要求1所述的控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统，其特征在于，滑动控制信号包括一控制滑动的扭矩信号，以控制工作机器的推进系统的扭矩。

4.如权利要求3所述的控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统，其特征在于，还包括一扭矩控制器，所述扭矩控制器从滑动控制器中接受滑动控制扭矩信号，从速度控制器中接受速度控制扭矩信号，以及从马达扭矩限制器中接受马达限制扭矩信号，并根据滑动控制扭矩信号、速度控制扭矩信号和马达限制扭矩信号输出一最终的马达扭矩信号，最终的马达扭矩信号对应于由滑动控制扭矩信号、速度控制扭矩信号和马达限制扭矩信号指示的最小扭矩。

5.一包括如权利要求1-4中任何一项所述的控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统的工作机器。

6.一控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的方法，其包括：确定由工作机器经历的实际滑动；

接受一对应于选择的地面条件的地面条件信号和一对应于选择的牵拉效率的牵拉效率信号；

根据地面条件信号和牵拉效率信号确定一要求的滑动；以及

控制由工作机器经历的实际滑动来达到要求的滑动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，确定一要求的滑动包括定义滑动与地面条件和对于特定工作机器结构的牵拉效率之间的关系。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，控制由工作机器经历的实际滑动包括控制工作机器的推进系统的一扭矩。

说明书

控制滑动的系统和方法

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及控制一自推动工作机器的操作参数，具体来说，涉及优化一具有一电气驱动器的自推动工作机器的轮或履带的滑动。

背景技术

[0002] 诸如卡车、有轮拖拉机、履带型拖拉机和其它建筑车辆之类的自推动工作机器被用于各种任务。这些机器必须能在各种地面条件下有效地工作，例如，倾斜和不倾斜的天然地基和地面条件。在一工作机器中，称之为“拖拉效率”的一种操作效率的量度定义为：牵拉动力(即，拖拉机可供推或拉东西的动力)对机器马达的动力之比。牵拉动力是牵拉力的函数，它又取决于轮或履带速度(即，工作机器的理论速度(Vt))和机器在地面上的实际速度(Vact)之间的差。因其归结于轮或履带沿地面的滑动，所以该差值被称之为“滑动”。

[0003] 一种没有产生净牵拉力的情况可对应于零滑动的情况(Vact＝Vt)。如果机器以零滑动操作，则所有的马达动力用于克服地面摩擦和保持机器的当前速度。因此，没有产生净牵拉力。一定量的滑动伴随产生牵拉力，随着牵拉力的增加滑动量也增加。然而，牵拉力和滑动之间的关系是非线性的。当牵拉力增加时，牵拉力的每个连续的单位的增加是伴随渐进的较大的滑动的增加。最后，获得一最大的牵拉力。在此极限时，进一步企图增加牵拉力只会导致添加滑动，而没有增加牵拉力。这添加的滑动导致燃料不必要地消耗和机器的磨损。因此，为了有效地操作工作机器，需要控制滑动。

[0004] 拖拉机中控制滑动的现有技术的系统包括已经开发的传统的推进系统。一个这样的系统描述在美国专利No.5,287,280中，其题为“控制履带式车辆的履带滑动的方法和装置”。在此系统中，根据车辆行驶速度和其履带移动速度之间的差来计算履带滑动比。当履带滑动比超过一预定值时，则通过燃料喷射控制器切断内燃机的功率输出。然而，这种功率控制技术不适用于具有电气驱动推进系统的机器。此外，‘280专利中所揭示的系统不能进行调整来对各种地面条件优化其滑动，或允许操作者对当前的操作选择一要求的牵拉效率。

[0005] 本发明揭示的滑动控制系统旨在解决一个或多个现有技术的滑动控制系统存在的那些缺点。

发明内容

[0006] 提供一控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的系统。该系统包括一实际滑动计算器，其操作来发出一对应于工作机器所经历的实际滑动的实际滑动信号。该系统还包括一地面条件选择器，其操作来发出一对应于选择的地面条件的地面条件信号。一要求的滑动计算器可根据地面条件信号操作来发出一要求的滑动信号。一滑动控制器偶联到实际滑动计算器和要求的滑动计算器。滑动控制器根据实际滑动信号和要求的滑动信号进行操作来发出一滑动控制信号。该滑动控制信号控制由工作机器经历的实际滑动以达到要求的滑动。

[0007] 在另一方面，提供一控制工作机器的接合地面的牵拉装置的滑动的方法。确定由工作机器经历的实际滑动。接受对应于选择的牵拉效率的牵拉效率信号。根据地面条件信号和/或牵拉效率信号确定一要求的滑动。控制由工作机器经历的实际滑动来达到要求的滑动。

[0008] 在另一方面，提供一工作机器。该工作机器包括一电气驱动的推进系统。一实际滑动计算器操作来发出一对应于工作机器所经历的实际滑动的实际滑动信号。一要求的滑动计算器可根据至少一个操作输入参数进行操作来发出一要求的滑动信号。一滑动控制器偶联到实际滑动计算器和要求的滑动计算器。滑动控制器根据实际滑动信号和要求的滑动信号进行操作来发出一滑动控制信号。根据滑动控制信号来变化电气驱动推进系统的扭矩输出，以控制由工作机器经历的实际滑动以达到要求的滑动。

[0009] 附图的简要说明

[0010] 图1是示出一示范工作机器的滑动、牵拉效率和牵拉力之间的关系的曲线图。

[0011] 图2是具有根据一示范实施例的电气驱动推进系统的自推进工作机器的示意图。

[0012] 图3是根据一示范实施例的滑动控制系统的示意图。

具体实施方式

[0013] 诸如一拖拉机的自推进工作机器的牵拉效率(TE)由下式给出：

[0014] TE＝PD/PM (1)，

[0015] 其中，PD是在机器20的牵拉或连接处提供的功率，而PM是推进系统推进该机器所消耗的功率。牵拉功率PD又是牵拉处提供的力(或，拉力)(FD)与机器20在地面上的实际速度(Vact)的乘积。由此：

[0016] TE＝FD×Vact/PM (2)。

[0017] 牵拉力FD和由此得出的牵拉效率T E取决于工作机器的理论速度和机器在地面上的实际速度之间的差。因其归结于轮或履带沿地面的滑动，所以该差值被称之为“滑动”(S)。滑动S可以表达为机器在地面上的实际速度Vact对理论速度Vt的正则化比：

[0018] S＝I-Vact/Vt (3)。

[0019] 图1示出工作在天然地基上的一示范工作机器的滑动S、牵拉效率TE和牵拉系数(COT)之间的关系。牵拉系数(COT)可表达为牵拉力FD比机器重量(W)：

[0020] COT＝FD/W (4)。

[0021] 示范的牵拉效率曲线12示出牵拉效率(y轴)和滑动(x轴)之间的关系。示范的滑动曲线14示出牵拉系数(y轴)和滑动(x轴)之间的关系。牵拉效率曲线12和滑动曲线14可根据以下情况变化：拖拉机的结构(踩踏类型、重量分布等)，以及拖拉机当前工作的地面条件(天然地基、倾斜地面、不倾斜地面等)。

[0022] 如图1所示，在零滑动处，没有产生净牵拉力(COT＝0)。相反，所有马达功率都用于克服地面摩擦和保持当前拖拉机的速度。牵拉力随着滑动S的增加而增加，直到拖拉机达到它所能产生的最大牵拉力(Fmax)。事实上，拖拉机所能产生的最大牵拉力被限制在机器重量的大约80％(COT＝0.8)。当接近该极限时，任何添加的滑动仅消耗燃料和磨损机器，而不实现有用功。

[0023] 图2示出一自推进工作机器20，诸如一拖拉机，其具有一根据本发明的示范实施例的滑动控制系统40。滑动控制系统40可控制机器20经历的滑动S，以在当前的地面条件下提供要求的牵拉效率。

[0024] 在所示的实施例中，自推进工作机器20具有一电气驱动的推进系统22。然而，本发明同样适用于具有诸如传统内燃机之类的传统推进系统的自推进工作机器。

[0025] 如图2所示，电气驱动的推进系统22可包括一偶联的内燃机24，以对发电机26提供动力。发电机26将内燃机24的机械功率转换为交流电，交流电的频率对应于内燃机的转速。为了产生与内燃机的转速无关的频率的功率，通过一发电机侧的功率变换器28，然后，通过马达侧的功率变换器30再转换为一交流电，由此发电机26的输出可转换为直流电。马达侧的功率变换器30的输出可连接到一电机32上。电机32转动一差动器34，其驱动一诸如轮或履带之类的地面接合牵拉装置36，从而在地面上推进车辆。

[0026] 一滑动控制系统40控制电机32的功率输出，以便使地面接合牵拉装置36在地面上形成一要求的滑动。通过控制马达侧功率变换器30产生的电流，滑动控制系统40可方便地控制电机32的功率输出。滑动控制系统40可控制滑动，以便在自推进工作机器20的当前操作条件下提供一选择的牵拉效率(TE)。

[0027] 图3是根据本发明的一揭示的实施例的滑动控制系统40的功能性方框图。如图3所示，地面速度传感器42输出一信号Vact，其表示自推进工作机器20在地面上的实际速度。实际速度可由本技术领域内的技术人员已知的各种传感器中的任何一种传感器予以确定。例如，地面速度可使用在地面探测的多普勒(Doppler)雷达进行探测。可以类似的方式使用多普勒激光。或者，也可使用非驱动的地面接合轮来检测地面速度。地面速度也可由测量拖拉机位置对时间的变化来加以确定，例如，使用一全球定位系统(GPS)接收机。

[0028] 一马达速度传感器44输出一指示机器20的理论速度的信号Vt。理论速度Vt对应于实际速度，该速度由零滑动处的机器20的地面接合牵拉装置36产生。理论速度Vt可以作为从动的轮或履带链轮的圆周、差动器的减速比以及马达的检测的转速(ωm)的函数进行计算。然而，理论速度Vt可以本技术领域内的技术人员已知的任何其它合适的方式予以确定。

[0029] 一实际滑动计算器46分别从传感器42和44接受实际的和理论的速度信号Vact和Vt，并输出对应于由自推进工作机器20经历的实际滑动的信号Sact。例如，Sact可利用上述方程3进行计算。

[0030] 在示范的实施例中，机器20的一操作者(未示出)可使用一个或多个输入装置来指示当前的操作条件。然后，在控制滑动时，滑动控制系统40可考虑特定的操作条件。

[0031] 一地面条件选择器48输出一信号G，其指示机器20操作的表面的类型或条件。地面条件选择器48可允许操作者在离散类型的地面条件之间选择。例如，地面条件选择器可允许在天然地基、倾斜地面或不倾斜地面之间选择(如图3所示)。或者，地面条件选择器48可以是一连续体，其允许操作者在诸如干和光滑的条件之间的范围内规定条件。然而，不同地面条件的描述无意于限制的作用，地面条件选择器48可在或多或少类型的地面条件之间提供选择。此外，可选择的地面条件可以其它的方式指示，例如，通过对于在拖拉机20的操作中受过训练的操作者是有意义的不同的项、比例和/或图标。

[0032] 一效率选择器50输出一指示操作者偏好的信号E，其化费牵拉力来使牵拉效率达到最大(Max TE)，或优化牵拉效率和牵拉力(Opt)，或不管机器操作效率的效果如何使牵拉力最大化(Max FD)。例如，优化的牵拉效率可定义为点51(见图1)，其中，在选择的地面条件下对特定的机器20，牵拉效率曲线12交叉于滑动曲线14。尽管效率选择器50显示为在离散的效率等级之间提供一选择，但效率选择器50可允许操作者沿着最大牵拉效率和最大牵拉力之间的一连续体选择一特定的效率等级。此外，可选择的效率等级可以其它的方式指示，例如，通过对受过训练的操作者是有意义的不同的项、比例和/或图标。

[0033] 选择器48和50可以利用本技术领域内的技术人员已知的任何的各种合适的输入装置来实施。例如，选择器48和50可使用开关、拨号、按钮、触摸屏等来实施。选择器48和50可各具有一缺省设置，其指示在正常操作中被认为最有用的选择。或者，一个或两个选择器48和50可被省略，而信号G和/或E可以是固定的硬拉线，或其它方式设定到一预定值。

[0034] 从选择器48和50得到的信号G和/或E可以输入到一要求的滑动计算器52。要求的滑动计算器52根据选择器48和50的设定而指示一要求的滑动信号Sdes。要求的滑动计算器52可包括一图形或公式，其确定在各种地面条件下对于特定的拖拉机结构的滑动和牵拉效率和/或滑动和牵拉力之间的关系。例如，要求的滑动计算器52可包含数据或公式，它们形成对于用地面条件选择器48选择的地面条件范围的牵拉效率曲线12和滑动曲线14。对于特定拖拉机结构的要求的滑动计算器52可以通过在不同的地面条件下特定拖拉机结构的试验用经验方法展开。或者，可利用计算机模拟技术对特定拖拉机结构的特性模型化，或通过经验试验和模拟的组合，来展开要求的滑动计算器52。

[0035] 要求的滑动信号Sdes对应于为达到在由选择器48指示的地面条件下由选择器50指示的牵拉效率所必须的滑动。要求的滑动信号Sdes因此对于给定的地面条件和牵拉效率指示一优化的滑动。例如，使用示范的图1的牵拉效率和滑动曲线，其代表在选择器48上选定的地面条件下的特定的自推进机器20的特性，如果选择最大牵拉效率，则Sdes对应于大约0.075的滑动，如果选择最大牵拉力，则近似为0.40，如果选择优化的牵拉效率，则近似为0.25。

[0036] 从实际滑动计算器46得到的实际滑动信号Sact和从要求的滑动计算器52得到的要求的滑动信号Sdes可输入到第一修正器54内。第一修正器54可确定这两个信号Sact和Sdes之间的差，并传输一对应于该差值的滑动误差信号Serr。

[0037] 一滑动控制器56接受由第一修正器54传输的滑动误差信号Serr，并传输一滑动控制信号，该信号可用来控制由工作机器经历的实际滑动Sact以达到要求的滑动Sdes。例如，滑动控制器56可确定一马达扭矩，其为达到由滑动误差信号Serr指示的滑动变化并传输对应于确定扭矩的滑动控制扭矩信号τs所必须。在滑动误差信号Serr指示出实际滑动Sact小于对于给定的地面条件和要求的牵拉效率的优化值的情形中，滑动控制器56可指示扭矩的增加。在滑动误差信号Serr指示出实际滑动Sact大于优化值的情形中，滑动控制器56可指示扭矩的减小。在一实施例中，滑动控制器56可以是一正比-积分-导数(PID)控制器，但也可使用本技术领域内的技术人员已知的任何各种合适的控制器。

[0038] 为了防止追逐，即，由滑动控制器56指示一振荡的扭矩值，一死区过滤器(未示出)可加在第一修正器54和滑动控制器56之间，以在正和负扭矩修正之间提供滞后作用。仅当滑动误差信号Serr值大于预定值时，死区过滤器可以构造成传输滑动误差信号Serr。如果滑动误差信号Serr值小于预定值，则死区过滤器可传输具有值为零的信号。因此，滑动可控制在要求的滑动Sdes的范围内。

[0039] 滑动控制扭矩信号τs可输出到一扭矩控制器58。扭矩控制器58的功能讨论如下。

[0040] 除了输入到实际滑动计算器46内之外，马达速度传感器44的理论速度输出Vt也可输入到一第二修正器60内。第二修正器60从自推进机器20的节流器62中接受一操作者指令的速度信号Vop。第二修正器60确定这两个信号Vop和Vt之间的差，并传输一对应于该差值的速度误差信号Verr。或者，代替理论的机器速度Vt，实际机器速度Vact可输入到第二修正器内。

[0041] 一机器速度控制器64接受由第二修正器60发出的速度误差信号Verr。机器速度控制器64可确定一马达扭矩，其为达到由速度误差信号Verr指示的机器速度变化并传输对应于确定扭矩的速度控制的扭矩信号τv所必须。在一实施例中，机器速度控制器64可以是一正比-积分-导数(PID)控制器。然而，也可使用本技术领域内的技术人员已知的任何各种其它合适的控制器。速度控制的扭矩信号τv从机器速度控制器发送到扭矩控制器58。

[0042] 除了接受滑动控制的扭矩信号τs和速度控制的扭矩信号τv之外，扭矩控制器58还从一马达扭矩限制器66中接受一马达限制的扭矩信号τ1。马达限制的扭矩信号τ1可用来防止对电气驱动系统22的操作参数之外的扭矩的要求。例如，马达扭矩限制器66可指示由电气驱动系统22产生的最大和/或最小扭矩，而不会对机器的操作和/或机器的损坏造成不利影响。马达扭矩限制器66可根据从各种传感器(未示出)的输入来修正马达限制的扭矩信号τ1。例如，马达扭矩限制器66可根据马达32或其它部件(发动机24、发电机26、泵等)的转速ωm来修正马达限制的扭矩信号τ1，以便防止速度过低的情况或速度过高的情况。马达扭矩限制器66还可根据电气驱动系统22的各种部件和/或流体的热力情况来修正马达限制的扭矩信号τ1。

[0043] 扭矩控制器58可从滑动控制器56中接受滑动扭矩信号τs，从速度控制器64中接受速度控制扭矩信号τv，以及从马达扭矩限制器66中接受马达限制扭矩信号τ1，并根据信号τs、τv和τ1输出一最终的马达扭矩信号τm。最终的马达扭矩信号τm可对应于由信号τs、τv和τ1指示的最小扭矩。

[0044] 例如，在由速度控制扭矩信号τv指示的扭矩小于由滑动扭矩信号τs指示的扭矩，且还小于由马达限制的扭矩信号τ1指示的扭矩的情形中，最终的马达扭矩信号可指示对应于由速度控制扭矩信号τv指示的扭矩的一扭矩，以便产生操作者要求的速度。在由滑动扭矩信号τs指示的扭矩小于由速度控制扭矩信号τv指示的扭矩，且还小于由马达限制的扭矩信号τi指示的扭矩的情形中，最终的马达扭矩信号可指示对应于由滑动扭矩信号τs指示的扭矩的一扭矩，以便满足操作者要求的牵拉效率。以及在由马达限制的扭矩信号τi指示的扭矩小于由滑动扭矩信号τs指示的扭矩，且还小于由速度控制扭矩信号τv指示的扭矩的情形中，最终的马达扭矩信号可指示对应于由马达限制的扭矩信号τ1指示的扭矩的一扭矩，以避免损坏电气驱动系统22的部件。

[0045] 最终的马达扭矩信号τm可发送到扭矩-电流转换器68，扭矩-电流转换器68可包括一图形或公式，它们形成输入电流和马达32的输出扭矩之间的关系。扭矩-电流转换器68从该关系中可确定一对应于最终的马达扭矩信号τm的马达控制电流。特定的马达32的扭矩-电流关系可以是线性的或非线性的，并可以由经验方法或通过模型化进行确定。

[0046] 通过将马达控制电流信号Im提供到对应于确定的马达控制电流的马达侧的功率转换器30，扭矩-电流转换器68可控制马达的功率输出。与此响应地，马达侧的功率转换器30提供指示的电流到马达32，然后，马达32产生一对应于马达控制电流信号Im的马达速度ωm，以及由此对应于最终马达扭矩信号τm的马达扭矩。

[0047] 然后，一对应于马达转速的信号ωm可反馈到马达速度传感器44。其结果，滑动控制系统40可提供闭环的滑动控制、机器速度和牵拉效率。

[0048] 工业应用

[0049] 本发明的滑动控制系统可适用于各种自推进的工作机器，包括带有电气驱动推进系统或传统的驱动系统的工作机器。通过提供对电机扭矩的直接控制，本发明的滑动控制系统允许控制具有电气驱动推进系统的工作机器的滑动。在操作中，本发明的滑动控制系统提供对应于当前地面条件和/或操作者要求的牵拉效率的优化的轮或履带的滑动。通过提供这样的优化，本发明的滑动控制系统可允许诸如拖拉机的自推进工作机器在各种类型的操作条件下更有效地进行操作。因此，本发明的滑动控制系统克服了诸如‘280专利中揭示的系统的现有技术的滑动控制系统的诸多不足。

[0050] 考虑本说明书并实践本文所揭示的本发明，本技术领域内的技术人员将会明白本发明的其它实施例。本说明书和实例应被认为仅是示范而已，本发明的真正范围由附后的权利要求书予以指明。