用于具有独立驱动器的作业车辆的牵引控制方法和设备的制造方法
用于具有独立驱动器的作业车辆的牵引控制方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大致涉及作业机械，并且更具体地，涉及用于通过连接到车轮的独立驱动 器来控制车辆的牵引的方法和设备。
【【【【【背景技术】】】】】
[0002] 诸如装载机的作业机械经常构造有位于后轮后面的发动机和延伸超过前轮的装 载机部分。该布置允许发动机的重量抵消在装载机部分的铲斗中携带的载荷。该布置允许 由每个轴携带的重量的量发生较大变化。由于转矩单独地施加到每个车轮，因而这又被表 示为变化的车轮的有效直径和移动装载机所需的转矩。
[0003] 常规的四轮驱动装载机的动力系包括原动机，和用于将原动机与各个车轮机械地 连接的装置。常规的动力系构造通过侧向地或横向地，或同时侧向地和横向地机械地限制 车轮来控制过度的车轮空转。具有多个独立驱动马达（诸如电动马达）的作业车辆可以利 用电力牵引控制。
【【【【
【发明内容】
】】】】
[0004] 用于控制作业车辆上的牵引的本发明的系统和方法利用前部差速、后部差速和 前-后部差速。
[0005] 根据以下描述和附图，以上特征和其它特征将变得显而易见。
【【【【【附图说明】】】】】
[0006] 下面将参照附图对附图进行详细描述，其中：
[0007] 图1是根据本发明的实施例的作业机械的侧视图；
[0008] 图2A是用于控制图1所示的作业机械的牵引的方法的流程图；
[0009] 图2B是图1所示的动力传动系统的模型的示意图；
[0010] 图3是用于控制图1中示出的作业机械的牵引的方法的流程图；
[0011] 图4是说明本发明的各方面的示意性控制电路；
[0012] 图5是用于帮助描述本发明的各方面的曲线图；
[0013] 图6是驱动系统的方块图；以及
[0014]图7是铰接车辆（例如，图1的装载机）的示意图。
【【【【【具体实施方式】】】】】
[0015] 现在参照附图，并且特别是图1、6和7,其中示出了根据本发明的实施例的作业机 械10。作业机械10可以用于执行，例如，农业操作、工业操作、建筑业操作、林业作业和/或 采矿业操作，并且可以是铰接轮驱动的装载机10。作业机械10是通常以下述方式运载有效 载荷的有效载荷运载车辆：其中所述有效载荷暴露于元件并且是能够载荷运载部分中非常 快速地改变和/或以不均匀并且不可预测的方式分布的载荷。出于本申请的目的，装载机 车辆应该包括具有至少两个驱动单元的车辆，包括装载机、滑移装载机、反铲挖土机、叉式 起重机、自卸货车、集材拖拉机、伐木归堆机、木材收割机、木材传送机以及具有能够从地面 拾起载荷的设备的车辆。本发明的实施例还可以与能够从这种使用中获益的非装载机作业 车辆一起使用。
[0016] 装载机10包括容纳操作员以及用于控制装载机10的功能的控制装置的驾驶室 12。装载机10包括图示为装载机部分14的前部分和图示为动力部分16的后部分。装载机 部分14和动力部分16在铰接点处连接，并且通过铰接部分18围绕该点相对于彼此移动。 动力系统的部分可以位于任一部分14或16中。
[0017] 装载机10包括车轮20、22、24和26 ;所述每个车轮都分别由诸如马达21、23、25 和27的专用的驱动机构驱动。驱动系统28包括的牵引控制器60连接马达21、23、25和 27、操作员输入端62以及可选择的传感器34,该传感器可以集成到马达中。马达21、23、25 和27可以是电驱动的驱动单元（例如，开关磁阻、永磁体、感应），并且每个马达都与单个 的车轮20、22、24和26相关联的。除此以外，传感器34能够检测每个马达21、23、25和27 或车轮20、22、24和26的旋转速度。在另一实施例中，马达32由马达控制器和/或换流器 (inverter)控制，所述马达控制器和/或换流器能够提供关于马达21、23、25和27以及/ 或车轮20、22、24和26的旋转速度的信息。在其它的实施例中，马达21、23、25和27具有 用于确定马达速度的集成的传感装置。
[0018] 车轮20围绕轴线36旋转，车轮22围绕轴线38旋转，车轮24围绕轴线40旋转， 并且车轮26围绕轴线42旋转。轴线38和40可以是同轴的，并且轴线36和42可以以类 似的方式同轴。角度44可以被描述为存在于同轴的轴线之间，如图7所示。装载机部分14 的中心线46和动力部分16的中心线48形成的角度50是部分14与16之间的公知的铰接 角，该铰接角与角44相对应。
[0019] 在本发明的一个实施例中，动力部分16包括的发动机可以电连接到或液压连接 到每个车轮20、22、24和26中的驱动单元。虽然驱动单元可以是任何类型，但是为便于说 明，驱动单元将被认为是电驱动的马达，所述马达由从控制器60发出的命令以命令的转矩 独立地驱动。本发明给出了提供牵引控制系统的机会，该牵引控制系统允许独立地调节 前-后速度误差以及前部和后部的侧向速度误差。
[0020] 图2A和图2B图示了牵引控制系统和方法。在步骤200中，基于经由操作员输入 端62提供的期望转矩来确定马达的额定转矩分配。在一实施例中，在各个马达之中平均分 配所述期望转矩以确定所述额定转矩分配。在其它的实施例中，可以根据机械特性、操作特 性或用户参数来不同地分配所述期望转矩。转矩命令量值（magnitudes)可以被限定为马 达速度的函数，以便小于马达转矩曲线。接下来，所述命令可以被马达基准转矩成比例地缩 放。还可以将马达转矩命令从机械参照系转换到马达参照系。在机械参照系中，正转矩使 所述机械向前加速。在马达参照系中，当以输出轴为观察基准时，正转矩沿顺时针方向使所 述马达加速。
[0021] 如下文更详细地所述，在步骤210中，通过牵引控制校正来调节每个马达命令。图 2B示出了所公开的差速牵引控制系统的模型240。模型240参照具有止滑轴（limited slip axles)的常规动力传动系统示出了的本发明公开的系统。后轮250和252分别具有速度 252和256,并且前轮262和264分别具有速度262和264。速度252、256、262和266可以 包括铰接角补偿并且可基于所述作业机械或马达上的速度传感器或被提供马达控制器。所 公开的差速牵引控制系统利用差速部件去控制牵引。后部差速校正转矩258包括基于速度 252和256之间的差的后部侧向比例项。前部差速校正转矩268包括基于速度262和264 之间的差的前部侧向比例项。前-后部差速校正转矩270包括前-后部比例项和前-后部 积分项，这两个项都基于前平均速度262、264和后平均速度252、254之间的差。侧向差速 控制能够与传统的轮轴差速器相比。积分差速控制能够与扭转弹性联轴器相比，并且可呈 现出与动力传动系统停止工作时（windup)类似的行为特性，但是其可以如下文讨论的那 样被转动（wound)。
[0022] 校正转矩可以包括死区，如下文所述。用于后部马达的转矩命令基于额定转矩分 配、前-后部差速校正转矩270、和后部侧向差速校正转矩258。用于前部马达的转矩命令 基于额定转矩分配、前-后部差速校正转矩270、和后部侧向差速校正转矩268。
[0023] 在其它的实施例中，侧向差速校正转矩可以包括积分项。并且，比例项和积分项的 增益可以由用户（例如在用户显示器或其它的输入端上）选择，这使得能够基于操作员参 数禁用或改变分量（component)。
[0024] 在步骤220中，转矩命令被施加到马达21、23、25和27。然后方法返回到步骤210， 以基于正在改变的速度252、256、262和266进行进一步修改。当操作员命令一个不同的期 望转矩时，所述方法返回到步骤200。
[0025] 现在参照图3,牵引控制方法开始于确定中线速度的步骤300。用于牵引控制的速 度可以被修改为铰接角和铰接角速度的函数，使得转向时的期望差速为零。这些被称为中 线速度，因为它们表示根据每个马达速度估算出的轴中心的速度。假设铰接角为Θ，那么， 以千米/小时（kph)表示的被修改的马达速度是：
[0026]
[0027] 其中ω是以转/每分钟为单位的马达速度，rfd是最终驱动比，r是额定轮胎半径， W是胎面宽度，并且L是轴距。顶部算子对应于左马达，底部算子对应于右马达。铰接角速 度项，即顶部右项，是可以省略的。在步骤305中，右后部马达中线速度是νκκ，左后部马达 中线速度是右前部马达中线速度是vFK，并且左前部马达中线速度是V%。如上所述，马 达速度可以通过感测或以其它方式提供。铰接角也可以通过感测或以其它方式提供。轮胎 半径和胎面宽度可以设定为平均尺寸，但是这些参数也可以被输入到所述系统中。
[0028] 在步骤306中确定差速。牵引控制校正是对马达转矩命令做出的调节，以减少马 达的相对速度。以下是对前部差速Vf、后部差速Vk和前-后部差速V FA这三个目标的状态 反馈控制：
[0029] Vf= V FL-vFE
[0030] Vr - V EL_vEE
[0031] Vfa - V FL+VFR-Vel-Vrr
[0032] 其中，vFA是前部平均速度和后部平均速度之差的二倍。
[0033] 在步骤315中，一个或多个打滑目标（slip target(s)，其也可以被称之为死区速 度vdb)根据估算的地速V加以确定Vdb(多个vdb)，如图5所示。当打滑大于或小于容许的 打滑时，控制系统解决打滑问题。比例项和积分项的打滑目标可以相同或不同。打滑目标 可以在一查找表中提供。打滑目标可以是挖掘速度（digging speed)的较小百分比（例如 1%-3%)和运输速度的较大百分比（10%至20%)。此外，操作员可以调节死区速度或打 滑目标。
[0034] 在步骤310中，死区比例项Tp被确定，以用于前部侧向Tpf、后部侧向T pk和前-后 Tpfa。死区前-后部比例项（即，比例结果（proportional effort))TpFAS
[0035]
[0036] 可类似地确定侧向比例项。
[0037] 在步骤320中，确定前-后部死区积分项凡。积分项由两个累加算子 (accumul ators)组成，一个累加算子具有基准+Vdb并且被限定为正值，并且另一累加算子 具有基准-vdb并且被限定为负值。这些积分算子（integrators)共享一公共状态。随着额 定转矩命令按照下式减少，积分项也被朝向零减小：
[0038] Tacdk1= max (-1500, min (0, K AcnidFNR))
[0039]
[0040] 前-后部死区积分项（即，积分结果）为
[0041]
[0042] 其中Ti0^是来自之前的时间步长（time step）的积分结果。其还以方块示意图 形式在图4中进行了图示，其中样本T被省略，但是可以被认为是积分增益的一部分。图4 中还省略了 。当FNR输入为零并且转矩命令为零时，积分结果被指数地向零展开， 以防止积分算子停止工作（wind up)，从而
[0043] Ti (k) = (I-Kunwind) Ti (k-1)，如果 FNR = 0 并且 Tcmd= 0,或如果制动踏板> 70% [0044] 基于操作员输入（例如，被命令的制动踏板或空挡）防止前-后部死区积分项溢 出。因此，如果满足特定的条件，则可以展开积分算子。在其它的实施例中，侧向死区积分 项可以被使用并且被类似地确定。
[0045] 在步骤325中，确定用于前部侧向、后部侧向和前-后部的牵引控制结果 (effort)。前部侧向结果被称为前部差速校正转矩TF，后侧向结果被称为后部差速校正转 矩TF，并且前-后部侧向结果被称为前-后部差速转矩Tfa。按照下述方式确定这些校正转 矩：
[0046] Tf= T pF
[0047] Te=Tpe
[0048] Tfa= TpFA+Ti
[0049] 在可替换的实施例中，侧向校正转矩可以包括积分项。用户还能够选择校正转矩 是否包括积分项或改变增益（例如，按钮或开关，按下所述按钮或开关以禁用/激活积分算 子；或用于改变增益的调节控制盘（dial))。
[0050] 在步骤330中，参照图2A的步骤200如上所述地确定车轮的额定转矩命令（TemdW F和TMdWK)。在步骤335中，每个车轮的专用转矩命令按照下述方式确定：
[0051] Tfl -T cmdWF+TF+TFA
[0052] Tfe - T cmdWF-TF+TFA
[0053] Tel - T cmdWR+TR-TFA
[0054] Tee - T cmdWR-TR-TFA
[0055] 用于前部和后部的额定转矩命令由不同的变量表示，以允许不同的转矩命令用于 前部和后部，但是它们也可以是相同的。此外，用于每个车轮的额定转矩命令可以具有独立 的变量。
[0056] 在步骤340中，用于每个车轮的专用转矩命令被施加到马达。在一些实施例中，只 要所有马达都处于激活状态，并且只要所有马达速度测量值都是有效的，就能够激活差速 牵引控制。只要铰接角传感器被校准并且数据有效，就可以激活侧向差速控制。
[0057] 在替换实施例中，差速控制方法和系统可以被用于调节正在打滑的汽车（set of wheels)，或者也可以被用于仅控制后轮。并且，侧向增益可以被共同地设置为零以禁用它 们或不使用/确定。在另一实施例中，前-后部差速可以被禁用或不使用/确定。侧向项 和前-后部项也可以具有不同的增益，或者所述增益可以被选择性地设定（例如，操作员按 下按钮以使禁用积分算子）。可替换地，积分算子可以被激活以用于侧向，这将使锁定侧向 差速显现出类似的行为特点。
[0058] 如本发明所述，马达是电动马达，但也可以是液压马达或能够根据实施例进行控 制的其它适当的马达。本发明是从车轮方面着手加以描述的，但是所公开的实施例也可以 与其它地面接合元件一起使用。
[0059] 尽管已经在附图中以及在之前的说明书中详细地图示并描述了本发明，但这些图 示和描述本质上是非限定性的，应该理解的是，已经示出和描述的一个或多个说明性实施 例以及落入本发明的实质范围内的所有变化和修改都应当落入本发明的保护范围。本发明 的可替换实施例可以不包括被描述的所有特征，然而仍然通过该特征的至少一些优点来获 益。本领域普通技术人员可以设计出他们自己的包含本发明的一个或多个特征并且应落入 随附权利要求的实质和范围内的实施方式。在一些实施例中，控制系统能够减少正在打滑 的车轮而不是增加其它车轮。
[0060] 本发明中使用的变量、公式和项的说明如下页所示，以供参考：
[0061]
【主权项】
1. 一种作业车辆，其包括： 左前轮； 左前部马达，所述左前部马达机械地连接到所述左前轮以向所述左前轮提供转矩； 右前轮； 右前部马达，所述右前部马达机械地连接到所述右前轮以向所述右前轮提供转矩； 左后轮； 左后部马达，所述左后部马达机械地连接到所述左后轮以向所述左后轮提供转矩； 右后轮； 右后部马达，所述右后部马达机械地连接到所述右后轮以向所述右后轮提供转矩；和 牵引控制器，所述牵引控制器电连接到所述左前部马达、所述右前部马达、所述左后部 马达和所述右后部马达，所述牵引控制器被配置成确定用于所述左前部马达、右前部马达、 左后部马达和右后部马达中的每个马达的专用转矩命令并且将所述专用转矩命令分别施 加到每个对应的马达， 所述左前部马达的专用转矩命令至少部分地基于被命令的转矩、前部侧向差速校正和 前-后部差速校正， 所述右前部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、所述前部侧向差 速校正和所述前-后部差速校正， 所述左后部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、后部侧向差速校 正和所述前-后部差速校正，以及 所述右后部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、所述后部侧向差 速校正和所述前-后部差速校正。2. 根据权利要求1所述的作业车辆，其中所述牵引控制器被配置成用于确定前-后部 差速； 其中所述前-后部差速校正包括前-后部死区积分项和前-后部死区比例项，所述 前-后部死区积分项至少部分地基于所述前-后部差速，并且所述前-后部死区比例项至 少部分地基于所述前-后部差速。3. 根据权利要求1或2所述的作业车辆，其中所述牵引控制器被构造成用于确定前部 侧向差速和用于确定后部侧向差速； 其中所述前部侧向差速校正包括前部侧向死区比例项，所述前部侧向死区比例项至少 部分地基于所述前部侧向差速；以及 其中所述后部侧向差速校正包括后部侧向死区比例项，所述后部侧向死区比例项至少 部分地基于所述后部侧向差速。4. 根据权利要求3所述的作业车辆，其中所述左前部马达的专用转矩命令等于左前部 马达额定转矩命令加上所述前部侧向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，所述右前部马达的专用转矩命令等于右前部马达额定转矩命令减去所述前部侧 向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，所述左后部马达的专用转矩命令等于左后部马达额定转矩命令加上所述后部侧 向差速校正减去所述前-后部差速校正；并且 其中，所述右后部马达的专用转矩命令等于右后部马达额定转矩命令减去所述后部侧 向差速校正减去所述前-后部差速校正。5. 根据权利要求4所述的作业车辆，其中所述左前部马达额定转矩命令等于所述右前 部马达额定转矩命令；并且 其中所述左后部马达额定转矩命令等于所述右后部马达额定转矩命令。6. 根据权利要求2-5中的任一项所述的作业车辆，其中所述前-后部死区积分项能够 被展开。7. -种作业车辆，其包括： 一对前部地面接合元件，所述前部地面接合元件由至少一个前部马达机械地驱动； 一对后部地面接合元件，所述后部地面接合元件由至少一个后部马达机械地驱动； 牵引控制器，所述牵引控制器被配置成用于确定转矩命令并且将所述转矩命令施加到 所述至少一个前部马达和所述至少一个后部马达，所述牵引控制器至少部分地基于前-后 部速度误差、前部侧向速度误差和后部侧向速度误差校正所述转矩命令。8. -种控制作业车辆的方法，所述方法包括下述步骤： 确定一组马达的额定转矩分配量，所述一组马达被连接到地面接合元件并且包括一组 前部马达和一组后部马达； 基于侧向差速校正和前-后部差速校正来修改额定转矩分配量以产生经修改的转矩 命令；以及 将所述经修改的转矩命令施加到所述一组马达。9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定前-后部差速的步骤； 其中所述前-后部差速校正包括前-后部死区积分项和前-后部死区比例项，所述 前-后部死区积分项至少部分地基于所述前-后部差速，并且所述前-后部死区比例项至 少部分地基于所述前-后部差速。10. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定前部侧向差速和确定后部侧向差速 的步骤； 其中所述前部侧向差速校正包括前部侧向死区比例项，所述前部侧向死区比例项至少 部分地基于所述前部侧向差速；以及 其中所述后部侧向差速校正包括后部侧向死区比例项，所述后部侧向死区比例项至少 部分地基于所述后部侧向差速。11. 根据权利要求10所述的方法，其中每对马达包括右马达和左马达，用于左前部马 达的经修改的转矩分配量等于左前部马达额定转矩命令加上所述前部侧向差速校正加上 所述前-后部差速校正； 其中，用于所述右前部马达的经修改的转矩命令等于右前部马达额定转矩命令减去所 述前部侧向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，用于所述左后部马达的经修改的转矩命令等于左后部马达额定转矩命令加上所 述后部侧向差速校正减去所述前-后部差速校正；以及 其中，用于所述右后部马达的经修改的转矩命令等于右后部马达额定转矩命令减去所 述后部侧向差速校正减去所述前-后部差速校正。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述左前部马达额定转矩命令等于所述右前部 马达额定转矩命令；并且
【专利摘要】一种车辆，其包括：用于驱动诸如车轮的地面接合元件的一组马达，和用于控制地面接合元件的牵引的控制器。本发明公开的用于控制作业车辆上的牵引的系统和方法利用前部差速、后部差速和前-后部差速。
【IPC分类】B60K17/356, B60K17/348
【公开号】CN104890508
【申请号】CN201510093734
【发明人】托德·F·维尔德, 埃里克·R·安德森
【申请人】迪尔公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
【技术领域】
[0001] 本发明大致涉及作业机械，并且更具体地，涉及用于通过连接到车轮的独立驱动 器来控制车辆的牵引的方法和设备。
【【【【【背景技术】】】】】
[0002] 诸如装载机的作业机械经常构造有位于后轮后面的发动机和延伸超过前轮的装 载机部分。该布置允许发动机的重量抵消在装载机部分的铲斗中携带的载荷。该布置允许 由每个轴携带的重量的量发生较大变化。由于转矩单独地施加到每个车轮，因而这又被表 示为变化的车轮的有效直径和移动装载机所需的转矩。
[0003] 常规的四轮驱动装载机的动力系包括原动机，和用于将原动机与各个车轮机械地 连接的装置。常规的动力系构造通过侧向地或横向地，或同时侧向地和横向地机械地限制 车轮来控制过度的车轮空转。具有多个独立驱动马达（诸如电动马达）的作业车辆可以利 用电力牵引控制。
【【【【
【发明内容】
】】】】
[0004] 用于控制作业车辆上的牵引的本发明的系统和方法利用前部差速、后部差速和 前-后部差速。
[0005] 根据以下描述和附图，以上特征和其它特征将变得显而易见。
【【【【【附图说明】】】】】
[0006] 下面将参照附图对附图进行详细描述，其中：
[0007] 图1是根据本发明的实施例的作业机械的侧视图；
[0008] 图2A是用于控制图1所示的作业机械的牵引的方法的流程图；
[0009] 图2B是图1所示的动力传动系统的模型的示意图；
[0010] 图3是用于控制图1中示出的作业机械的牵引的方法的流程图；
[0011] 图4是说明本发明的各方面的示意性控制电路；
[0012] 图5是用于帮助描述本发明的各方面的曲线图；
[0013] 图6是驱动系统的方块图；以及
[0014]图7是铰接车辆（例如，图1的装载机）的示意图。
【【【【【具体实施方式】】】】】
[0015] 现在参照附图，并且特别是图1、6和7,其中示出了根据本发明的实施例的作业机 械10。作业机械10可以用于执行，例如，农业操作、工业操作、建筑业操作、林业作业和/或 采矿业操作，并且可以是铰接轮驱动的装载机10。作业机械10是通常以下述方式运载有效 载荷的有效载荷运载车辆：其中所述有效载荷暴露于元件并且是能够载荷运载部分中非常 快速地改变和/或以不均匀并且不可预测的方式分布的载荷。出于本申请的目的，装载机 车辆应该包括具有至少两个驱动单元的车辆，包括装载机、滑移装载机、反铲挖土机、叉式 起重机、自卸货车、集材拖拉机、伐木归堆机、木材收割机、木材传送机以及具有能够从地面 拾起载荷的设备的车辆。本发明的实施例还可以与能够从这种使用中获益的非装载机作业 车辆一起使用。
[0016] 装载机10包括容纳操作员以及用于控制装载机10的功能的控制装置的驾驶室 12。装载机10包括图示为装载机部分14的前部分和图示为动力部分16的后部分。装载机 部分14和动力部分16在铰接点处连接，并且通过铰接部分18围绕该点相对于彼此移动。 动力系统的部分可以位于任一部分14或16中。
[0017] 装载机10包括车轮20、22、24和26 ;所述每个车轮都分别由诸如马达21、23、25 和27的专用的驱动机构驱动。驱动系统28包括的牵引控制器60连接马达21、23、25和 27、操作员输入端62以及可选择的传感器34,该传感器可以集成到马达中。马达21、23、25 和27可以是电驱动的驱动单元（例如，开关磁阻、永磁体、感应），并且每个马达都与单个 的车轮20、22、24和26相关联的。除此以外，传感器34能够检测每个马达21、23、25和27 或车轮20、22、24和26的旋转速度。在另一实施例中，马达32由马达控制器和/或换流器 (inverter)控制，所述马达控制器和/或换流器能够提供关于马达21、23、25和27以及/ 或车轮20、22、24和26的旋转速度的信息。在其它的实施例中，马达21、23、25和27具有 用于确定马达速度的集成的传感装置。
[0018] 车轮20围绕轴线36旋转，车轮22围绕轴线38旋转，车轮24围绕轴线40旋转， 并且车轮26围绕轴线42旋转。轴线38和40可以是同轴的，并且轴线36和42可以以类 似的方式同轴。角度44可以被描述为存在于同轴的轴线之间，如图7所示。装载机部分14 的中心线46和动力部分16的中心线48形成的角度50是部分14与16之间的公知的铰接 角，该铰接角与角44相对应。
[0019] 在本发明的一个实施例中，动力部分16包括的发动机可以电连接到或液压连接 到每个车轮20、22、24和26中的驱动单元。虽然驱动单元可以是任何类型，但是为便于说 明，驱动单元将被认为是电驱动的马达，所述马达由从控制器60发出的命令以命令的转矩 独立地驱动。本发明给出了提供牵引控制系统的机会，该牵引控制系统允许独立地调节 前-后速度误差以及前部和后部的侧向速度误差。
[0020] 图2A和图2B图示了牵引控制系统和方法。在步骤200中，基于经由操作员输入 端62提供的期望转矩来确定马达的额定转矩分配。在一实施例中，在各个马达之中平均分 配所述期望转矩以确定所述额定转矩分配。在其它的实施例中，可以根据机械特性、操作特 性或用户参数来不同地分配所述期望转矩。转矩命令量值（magnitudes)可以被限定为马 达速度的函数，以便小于马达转矩曲线。接下来，所述命令可以被马达基准转矩成比例地缩 放。还可以将马达转矩命令从机械参照系转换到马达参照系。在机械参照系中，正转矩使 所述机械向前加速。在马达参照系中，当以输出轴为观察基准时，正转矩沿顺时针方向使所 述马达加速。
[0021] 如下文更详细地所述，在步骤210中，通过牵引控制校正来调节每个马达命令。图 2B示出了所公开的差速牵引控制系统的模型240。模型240参照具有止滑轴（limited slip axles)的常规动力传动系统示出了的本发明公开的系统。后轮250和252分别具有速度 252和256,并且前轮262和264分别具有速度262和264。速度252、256、262和266可以 包括铰接角补偿并且可基于所述作业机械或马达上的速度传感器或被提供马达控制器。所 公开的差速牵引控制系统利用差速部件去控制牵引。后部差速校正转矩258包括基于速度 252和256之间的差的后部侧向比例项。前部差速校正转矩268包括基于速度262和264 之间的差的前部侧向比例项。前-后部差速校正转矩270包括前-后部比例项和前-后部 积分项，这两个项都基于前平均速度262、264和后平均速度252、254之间的差。侧向差速 控制能够与传统的轮轴差速器相比。积分差速控制能够与扭转弹性联轴器相比，并且可呈 现出与动力传动系统停止工作时（windup)类似的行为特性，但是其可以如下文讨论的那 样被转动（wound)。
[0022] 校正转矩可以包括死区，如下文所述。用于后部马达的转矩命令基于额定转矩分 配、前-后部差速校正转矩270、和后部侧向差速校正转矩258。用于前部马达的转矩命令 基于额定转矩分配、前-后部差速校正转矩270、和后部侧向差速校正转矩268。
[0023] 在其它的实施例中，侧向差速校正转矩可以包括积分项。并且，比例项和积分项的 增益可以由用户（例如在用户显示器或其它的输入端上）选择，这使得能够基于操作员参 数禁用或改变分量（component)。
[0024] 在步骤220中，转矩命令被施加到马达21、23、25和27。然后方法返回到步骤210， 以基于正在改变的速度252、256、262和266进行进一步修改。当操作员命令一个不同的期 望转矩时，所述方法返回到步骤200。
[0025] 现在参照图3,牵引控制方法开始于确定中线速度的步骤300。用于牵引控制的速 度可以被修改为铰接角和铰接角速度的函数，使得转向时的期望差速为零。这些被称为中 线速度，因为它们表示根据每个马达速度估算出的轴中心的速度。假设铰接角为Θ，那么， 以千米/小时（kph)表示的被修改的马达速度是：
[0026]
[0027] 其中ω是以转/每分钟为单位的马达速度，rfd是最终驱动比，r是额定轮胎半径， W是胎面宽度，并且L是轴距。顶部算子对应于左马达，底部算子对应于右马达。铰接角速 度项，即顶部右项，是可以省略的。在步骤305中，右后部马达中线速度是νκκ，左后部马达 中线速度是右前部马达中线速度是vFK，并且左前部马达中线速度是V%。如上所述，马 达速度可以通过感测或以其它方式提供。铰接角也可以通过感测或以其它方式提供。轮胎 半径和胎面宽度可以设定为平均尺寸，但是这些参数也可以被输入到所述系统中。
[0028] 在步骤306中确定差速。牵引控制校正是对马达转矩命令做出的调节，以减少马 达的相对速度。以下是对前部差速Vf、后部差速Vk和前-后部差速V FA这三个目标的状态 反馈控制：
[0029] Vf= V FL-vFE
[0030] Vr - V EL_vEE
[0031] Vfa - V FL+VFR-Vel-Vrr
[0032] 其中，vFA是前部平均速度和后部平均速度之差的二倍。
[0033] 在步骤315中，一个或多个打滑目标（slip target(s)，其也可以被称之为死区速 度vdb)根据估算的地速V加以确定Vdb(多个vdb)，如图5所示。当打滑大于或小于容许的 打滑时，控制系统解决打滑问题。比例项和积分项的打滑目标可以相同或不同。打滑目标 可以在一查找表中提供。打滑目标可以是挖掘速度（digging speed)的较小百分比（例如 1%-3%)和运输速度的较大百分比（10%至20%)。此外，操作员可以调节死区速度或打 滑目标。
[0034] 在步骤310中，死区比例项Tp被确定，以用于前部侧向Tpf、后部侧向T pk和前-后 Tpfa。死区前-后部比例项（即，比例结果（proportional effort))TpFAS
[0035]
[0036] 可类似地确定侧向比例项。
[0037] 在步骤320中，确定前-后部死区积分项凡。积分项由两个累加算子 (accumul ators)组成，一个累加算子具有基准+Vdb并且被限定为正值，并且另一累加算子 具有基准-vdb并且被限定为负值。这些积分算子（integrators)共享一公共状态。随着额 定转矩命令按照下式减少，积分项也被朝向零减小：
[0038] Tacdk1= max (-1500, min (0, K AcnidFNR))
[0039]
[0040] 前-后部死区积分项（即，积分结果）为
[0041]
[0042] 其中Ti0^是来自之前的时间步长（time step）的积分结果。其还以方块示意图 形式在图4中进行了图示，其中样本T被省略，但是可以被认为是积分增益的一部分。图4 中还省略了 。当FNR输入为零并且转矩命令为零时，积分结果被指数地向零展开， 以防止积分算子停止工作（wind up)，从而
[0043] Ti (k) = (I-Kunwind) Ti (k-1)，如果 FNR = 0 并且 Tcmd= 0,或如果制动踏板> 70% [0044] 基于操作员输入（例如，被命令的制动踏板或空挡）防止前-后部死区积分项溢 出。因此，如果满足特定的条件，则可以展开积分算子。在其它的实施例中，侧向死区积分 项可以被使用并且被类似地确定。
[0045] 在步骤325中，确定用于前部侧向、后部侧向和前-后部的牵引控制结果 (effort)。前部侧向结果被称为前部差速校正转矩TF，后侧向结果被称为后部差速校正转 矩TF，并且前-后部侧向结果被称为前-后部差速转矩Tfa。按照下述方式确定这些校正转 矩：
[0046] Tf= T pF
[0047] Te=Tpe
[0048] Tfa= TpFA+Ti
[0049] 在可替换的实施例中，侧向校正转矩可以包括积分项。用户还能够选择校正转矩 是否包括积分项或改变增益（例如，按钮或开关，按下所述按钮或开关以禁用/激活积分算 子；或用于改变增益的调节控制盘（dial))。
[0050] 在步骤330中，参照图2A的步骤200如上所述地确定车轮的额定转矩命令（TemdW F和TMdWK)。在步骤335中，每个车轮的专用转矩命令按照下述方式确定：
[0051] Tfl -T cmdWF+TF+TFA
[0052] Tfe - T cmdWF-TF+TFA
[0053] Tel - T cmdWR+TR-TFA
[0054] Tee - T cmdWR-TR-TFA
[0055] 用于前部和后部的额定转矩命令由不同的变量表示，以允许不同的转矩命令用于 前部和后部，但是它们也可以是相同的。此外，用于每个车轮的额定转矩命令可以具有独立 的变量。
[0056] 在步骤340中，用于每个车轮的专用转矩命令被施加到马达。在一些实施例中，只 要所有马达都处于激活状态，并且只要所有马达速度测量值都是有效的，就能够激活差速 牵引控制。只要铰接角传感器被校准并且数据有效，就可以激活侧向差速控制。
[0057] 在替换实施例中，差速控制方法和系统可以被用于调节正在打滑的汽车（set of wheels)，或者也可以被用于仅控制后轮。并且，侧向增益可以被共同地设置为零以禁用它 们或不使用/确定。在另一实施例中，前-后部差速可以被禁用或不使用/确定。侧向项 和前-后部项也可以具有不同的增益，或者所述增益可以被选择性地设定（例如，操作员按 下按钮以使禁用积分算子）。可替换地，积分算子可以被激活以用于侧向，这将使锁定侧向 差速显现出类似的行为特点。
[0058] 如本发明所述，马达是电动马达，但也可以是液压马达或能够根据实施例进行控 制的其它适当的马达。本发明是从车轮方面着手加以描述的，但是所公开的实施例也可以 与其它地面接合元件一起使用。
[0059] 尽管已经在附图中以及在之前的说明书中详细地图示并描述了本发明，但这些图 示和描述本质上是非限定性的，应该理解的是，已经示出和描述的一个或多个说明性实施 例以及落入本发明的实质范围内的所有变化和修改都应当落入本发明的保护范围。本发明 的可替换实施例可以不包括被描述的所有特征，然而仍然通过该特征的至少一些优点来获 益。本领域普通技术人员可以设计出他们自己的包含本发明的一个或多个特征并且应落入 随附权利要求的实质和范围内的实施方式。在一些实施例中，控制系统能够减少正在打滑 的车轮而不是增加其它车轮。
[0060] 本发明中使用的变量、公式和项的说明如下页所示，以供参考：
[0061]
【主权项】
1. 一种作业车辆，其包括： 左前轮； 左前部马达，所述左前部马达机械地连接到所述左前轮以向所述左前轮提供转矩； 右前轮； 右前部马达，所述右前部马达机械地连接到所述右前轮以向所述右前轮提供转矩； 左后轮； 左后部马达，所述左后部马达机械地连接到所述左后轮以向所述左后轮提供转矩； 右后轮； 右后部马达，所述右后部马达机械地连接到所述右后轮以向所述右后轮提供转矩；和 牵引控制器，所述牵引控制器电连接到所述左前部马达、所述右前部马达、所述左后部 马达和所述右后部马达，所述牵引控制器被配置成确定用于所述左前部马达、右前部马达、 左后部马达和右后部马达中的每个马达的专用转矩命令并且将所述专用转矩命令分别施 加到每个对应的马达， 所述左前部马达的专用转矩命令至少部分地基于被命令的转矩、前部侧向差速校正和 前-后部差速校正， 所述右前部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、所述前部侧向差 速校正和所述前-后部差速校正， 所述左后部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、后部侧向差速校 正和所述前-后部差速校正，以及 所述右后部马达的专用转矩命令至少部分地基于所述被命令的转矩、所述后部侧向差 速校正和所述前-后部差速校正。2. 根据权利要求1所述的作业车辆，其中所述牵引控制器被配置成用于确定前-后部 差速； 其中所述前-后部差速校正包括前-后部死区积分项和前-后部死区比例项，所述 前-后部死区积分项至少部分地基于所述前-后部差速，并且所述前-后部死区比例项至 少部分地基于所述前-后部差速。3. 根据权利要求1或2所述的作业车辆，其中所述牵引控制器被构造成用于确定前部 侧向差速和用于确定后部侧向差速； 其中所述前部侧向差速校正包括前部侧向死区比例项，所述前部侧向死区比例项至少 部分地基于所述前部侧向差速；以及 其中所述后部侧向差速校正包括后部侧向死区比例项，所述后部侧向死区比例项至少 部分地基于所述后部侧向差速。4. 根据权利要求3所述的作业车辆，其中所述左前部马达的专用转矩命令等于左前部 马达额定转矩命令加上所述前部侧向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，所述右前部马达的专用转矩命令等于右前部马达额定转矩命令减去所述前部侧 向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，所述左后部马达的专用转矩命令等于左后部马达额定转矩命令加上所述后部侧 向差速校正减去所述前-后部差速校正；并且 其中，所述右后部马达的专用转矩命令等于右后部马达额定转矩命令减去所述后部侧 向差速校正减去所述前-后部差速校正。5. 根据权利要求4所述的作业车辆，其中所述左前部马达额定转矩命令等于所述右前 部马达额定转矩命令；并且 其中所述左后部马达额定转矩命令等于所述右后部马达额定转矩命令。6. 根据权利要求2-5中的任一项所述的作业车辆，其中所述前-后部死区积分项能够 被展开。7. -种作业车辆，其包括： 一对前部地面接合元件，所述前部地面接合元件由至少一个前部马达机械地驱动； 一对后部地面接合元件，所述后部地面接合元件由至少一个后部马达机械地驱动； 牵引控制器，所述牵引控制器被配置成用于确定转矩命令并且将所述转矩命令施加到 所述至少一个前部马达和所述至少一个后部马达，所述牵引控制器至少部分地基于前-后 部速度误差、前部侧向速度误差和后部侧向速度误差校正所述转矩命令。8. -种控制作业车辆的方法，所述方法包括下述步骤： 确定一组马达的额定转矩分配量，所述一组马达被连接到地面接合元件并且包括一组 前部马达和一组后部马达； 基于侧向差速校正和前-后部差速校正来修改额定转矩分配量以产生经修改的转矩 命令；以及 将所述经修改的转矩命令施加到所述一组马达。9. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定前-后部差速的步骤； 其中所述前-后部差速校正包括前-后部死区积分项和前-后部死区比例项，所述 前-后部死区积分项至少部分地基于所述前-后部差速，并且所述前-后部死区比例项至 少部分地基于所述前-后部差速。10. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定前部侧向差速和确定后部侧向差速 的步骤； 其中所述前部侧向差速校正包括前部侧向死区比例项，所述前部侧向死区比例项至少 部分地基于所述前部侧向差速；以及 其中所述后部侧向差速校正包括后部侧向死区比例项，所述后部侧向死区比例项至少 部分地基于所述后部侧向差速。11. 根据权利要求10所述的方法，其中每对马达包括右马达和左马达，用于左前部马 达的经修改的转矩分配量等于左前部马达额定转矩命令加上所述前部侧向差速校正加上 所述前-后部差速校正； 其中，用于所述右前部马达的经修改的转矩命令等于右前部马达额定转矩命令减去所 述前部侧向差速校正加上所述前-后部差速校正； 其中，用于所述左后部马达的经修改的转矩命令等于左后部马达额定转矩命令加上所 述后部侧向差速校正减去所述前-后部差速校正；以及 其中，用于所述右后部马达的经修改的转矩命令等于右后部马达额定转矩命令减去所 述后部侧向差速校正减去所述前-后部差速校正。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述左前部马达额定转矩命令等于所述右前部 马达额定转矩命令；并且
【专利摘要】一种车辆，其包括：用于驱动诸如车轮的地面接合元件的一组马达，和用于控制地面接合元件的牵引的控制器。本发明公开的用于控制作业车辆上的牵引的系统和方法利用前部差速、后部差速和前-后部差速。
【IPC分类】B60K17/356, B60K17/348
【公开号】CN104890508
【申请号】CN201510093734
【发明人】托德·F·维尔德, 埃里克·R·安德森
【申请人】迪尔公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
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