專利名稱：基于功率的低速控制的制作方法
技術領域：
一般地，本發明涉及控制CVT變速箱的系統和方法，更具體地，涉及用于具有CVT 變速箱的機器的防停頓(anti-lugging)系統和方法。
背景技術：
大部分引擎包括多個旋轉部件，因此具有其功率輸出最佳的理想速度范圍。這個 理想的范圍可相應于例如根據RPM展現峰值扭矩輸出的范圍。更大的容許速度范圍包含這 個理想范圍并且包括引擎可運行的更大和更小的速度，即使在次最佳方式下。最后，這個容 許速度范圍以外的速度使得引擎不能夠提供持續運行。例如，比容許速度范圍內的最大速 度更大的速度可引起引擎、變速箱、或工具系統的極大加速或毀滅性故障。在比更大范圍的底限更低的速度，引擎可能停止旋轉。具體地，大部分引擎經由慣 性驅動周期來運行，其中先前的燃燒事件經由引擎的旋轉慣性將引擎朝向隨后的燃燒事件 驅動。當引擎速度下降到某一低限度以下時，引擎的旋轉慣性不足以使得引擎達到隨后燃 燒事件。基于這個原理的最低可靠運行速度的實例是引擎“怠速”速度。典型地，更低的引 擎速度是可能的，但是將怠速速度設置為允許引擎速度略微降低而不會導致引擎失去持久 燃燒范圍的值。在典型的機器設置中，引擎慣性不僅必須足以克服促使隨后燃燒事件的內部阻 力，而且要克服由傳動系施加的任何外部阻力。例如，當機器掛擋時，必須克服在移動機器 時涉及的慣性、摩擦力、或其他阻力。因此，在機器靜止時怠速速度為實際底限，而運行中的 機器可具有提高的底限，在這個提高的底限之下引擎不具有足夠的動力來加速或甚至繼續 當前操作。當引擎速度下降超過這個底限時，引擎被稱為“停頓”或“停滯”，并且會危及持 續的可靠操作。在傳統驅動的機器中，引擎通常經由扭矩轉換器鏈接至機器的傳動系和其他動力 接收器。在這些系統中，通過扭矩轉換器的自然加載特征自動地減輕更大的阻力(所需的 扭矩)，由此防止引擎停頓和失速。然而，在CVT驅動機器(“CVT”指的是無極變速器)中， 通常不存在扭矩轉換器，并且在缺少外部控制機構的情況下，機器阻力將能夠使得引擎停 頓和失速。典型地，針對停頓/失速問題而監視引擎，并且例如在電子控制模塊(ECM)中經 由軟件引擎低速算法(EUA)主動控制變速箱，以避免停頓/失速，并迫使引擎以期望的最佳 速度狀況運行。換句話說，EUA用于防止失速，并隨后還可用于將引擎返回至其峰值動力點。典型的EUA降低了動力傳統系統變速箱速度需求，以回應在實際引擎速度和期望 引擎速度(例如“速度標準”)之間的差，這是響應于改變的狀況從用戶接口或從引擎控制 組件檢測的。盡管發明人發現了期望解決現有技術的缺陷，但是這樣的解決并非公開的原理的 重要或主要限制。此外，呈現這個背景技術部分，便于并非本領域普通技術人員的讀者。然 而，可理解，這個部分太簡短，以至于無法嘗試精確地和完整地概述現有技術。因此，先前背 景技術的描述是簡化和傳聞式的敘述，并不是要取代本領域印刷的參考文獻。在印刷領域
3的所示狀態和以上敘述之間存在不一致或省略的情況下，以上敘述并不是要解決這種不一 致或省略。相反，申請人遵守印刷領域的所示狀態。
發明內容
一方面，提供一種調節引擎驅動的機器的操作以避免引擎低速(imderspeed)的 方法。所述方法包括接收初始命令，其指定與期望扭矩相關的值；以及將接收的命令轉換 成功率命令。當感測到引擎低速狀況，所述系統將所述功率命令縮減(reduce)成低速處理 的功率命令；以及將所述低速處理的功率命令轉換成與所述初始命令的單元相同的單元。 最后，向所述機器的一部分發出轉換的低速處理的功率命令，以緩解引擎低速狀況。另一方面，提供一種調節引擎驅動的機器的操作以避免引擎低速的控制器。在這 一方面，所述控制器包括在計算機可讀介質上的計算機可讀指令，包括用于接收初始命令 的指令，所述初始命令指定與期望扭矩相關的值；以及將接收的命令轉換成功率命令的指 令。依據進一步的指令，當感測到引擎低速狀況，所述控制器將所述功率命令縮減成低速處 理的功率命令；將所述低速處理的功率命令轉換成與所述初始命令的單元相同的單元；以 及向所述機器的一部分發出轉換的低速處理的功率命令，以緩解引擎低速狀況。另一方面，提供具有功率域低速功能的引擎驅動的機器。所述機器具有引擎和鏈 接至引擎的變速箱。控制器從引擎接收數據以及向變速箱發送命令。控制器適于檢測引擎 低速狀況，以及將第一域中的接收命令轉換成功率命令，并對該功率命令執行低速處理以 生成縮減的功率命令。將縮減的功率命令轉換成第一域中的最終命令。
圖1是根據公開原理的在其中可采用引擎低速算法的傳動系系統的系統示意圖；圖2是根據公開原理的傳動系系統的系統數據流示意圖；圖3是概括示出根據公開原理的用戶命令和自動生成的命令的處理流的數據流 示意圖；圖4是示出根據公開原理的在功率域中執行低速處理的數據流示意圖；圖5是根據公開原理的用于創建修簡的功率命令的修簡邏輯的圖形視圖；圖6是示出根據公開原理的PI增益調度的數據流示意圖；圖7是根據公開原理的示例性低速模塊的實現的邏輯視圖；以及圖8是示出根據公開原理的基于功率的低速校正的處理的流程圖。
具體實施例方式典型的EUA系統通過感測在請求的引擎速度和實際引擎速度之間的差超過預定 閾值來運行。當檢測到符合的差時，EUA降低變速箱、工具、和/或寄生動力需求。操作員可 能期望機器或引擎速度或動力的快速增加，并因此請求相關參數的階躍變化。機載EUA用 于例如通過降低引擎上的負載來使得引擎免于由于停頓(低速)而引起的失速。不具有公開的改進的EAU在低油門和低負載操作下可引起某些性能缺陷，并且可 以抹殺EUA的防停頓特征，但這將導致在某些條件下不期望的引擎停頓。相反，在一實施例 中，通過期望的功率塑形的技術來優化機器性能，隨后將對其進行描述。期望的功率塑形的技術限制了機器所需的功率，以避免停頓(例如低速狀況)。如隨后所述，公開的原理可通過傳統PID(比例-積分-微分)控制器來實現，其 可以是最小化處理變量和變量的設定點之間的錯誤的控制循環反饋機構。通常，公開實施 例中的PID控制器通過導出適當的校正行為并由此調節機器操作來運行。盡管可使用其他適合的反饋校正機構，但是PID控制器可采用比例、積分和微分 參數。比例參數確定系統對于當前不精確性的反應，積分參數確定系統對于近來錯誤的反 應，微分參數確定系統對于錯誤改變率的反應。這些參數的函數用于最小化被跟蹤的變量 和針對該變量的設定點之間的距離。在一實施例中，由于微分函數可能對于測量噪聲是敏 感的，所以PI控制器(其省略了微分參數)可替代地可用于避免不穩定的性能或矯枉過 正。參照附圖，圖1中示意性示出傳動系系統輸入和元件之間的交互。系統10包括引 擎11、變速箱12、和負載13。負載可以是引擎11的慣性或重量或相關的機器自身，或某些 其他負載。系統10還包括控制器14和用戶接口 15。用戶接口可包括在傳統機器中可見的 典型用戶接口元件，例如用于控制油門和/或速度和/或扭矩的搖桿移動命令設備和踏板 或操縱桿致動器。控制器14從用戶接口 15接收關于例如期望的機器速度和/或功率的輸入。控制 器14還從引擎和變速箱12接收輸入，其指示這些元件的操作狀態，例如引擎速度/扭矩和 變速箱速度/扭矩。控制器14還可從其他系統(例如工具和其他寄生負載)接收輸入。基 于這些各種輸入，控制器14以計算的方式控制引擎11和變速箱12、工具19a和其他寄生設 備19b的操作，以執行符合系統限制的從用戶接口 15接收的命令，例如防停頓、防超速等。在圖2的示意性概況圖中示出系統元件之間的數據流。用戶接口 15向引擎11發 送期望的功率信號15，但是該期望的功率信號15被攔截并進一步處理。(期望的功率信號 15指示或可被處理以指示期望的功率)。在EAU 16(其可位于控制器14中或可以是其一部分)中，功率限制算法17接收期 望的功率信號15。功率塑形算法17修改期望的功率信號15，以創建修改的功率命令。然 后，EUA 16向傳動系控制18以及適當地還向引擎11提供修改的功率命令。可理解，引擎 11或傳動系控制18或兩者可影響由機器使用的功率。圖3是在抽象層面示出一實施例中用戶命令和自動生成的命令的處理流的數據 流程圖。圖3和4的圖示是在圖1和圖2中所述的元件和系統組件的環境中給出。可看出， 轉換和控制處理對于原始扭矩命令20進行操作，所述原始扭矩命令20是由用戶接口 15提 供，或可選地從先前值(例如原始速度命令27)導出。將原始扭矩命令20處理成功率域的 值，為了在低速階段28處的低速控制的目的，該值被縮減或以其他方式修改。在功率域中 執行了低速控制之后，將修改的功率域的值重新轉換到扭矩域，并且作為處理后扭矩命令 26輸出。將處理后扭矩命令26，或可選地，進一步的處理后速度命令29提供至傳動系控制 19 (和/或工具控制和/或寄生負載控制)。圖4是詳細示出圖3的功率域低速控制過程(階段28)的數據流視圖。將原始扭 矩命令20處理成原始功率命令21，將其修剪(clip)以限制請求功率，將修剪的功率命令 22提供至EUA 16。可理解，各個功率命令可涉及機器運動功率、工具功率、和/或寄生負載 功率。以下參照另一附圖分別討論在實施例中使用的用以生成修剪的功率命令22的修剪過程。仍舊參照圖4的數據流程圖，為了低速控制的目的將修剪的功率命令22縮減，以 生成低速處理的功率命令23。在隨后將參照圖7更詳細地討論系統操作的這個方面。在功率域中執行低速控制后，將處理的功率命令23重新轉換到扭矩域，由逆轉換 的扭矩命令24表示。基于機器傳動系因子來縮放逆轉換的扭矩命令24，以生成輸出軸轉換 的扭矩命令25。最后，可選地處理輸出軸轉換的扭矩命令25，(例如當傳動系不能夠遵守扭矩/速 度命令時減輕極端的引擎停頓)，以生成處理后的扭矩命令26。這個處理后可涉及發出實 際上系統不可達成的，但是使得變速箱盡可能卸載的命令，例如當挖鏟撞擊巖石或土堆時。 如上所述，將處理后扭矩命令26提供至傳動系控制19 (和/或工具控制和/或寄生負載控 制)，接受控方式實現原始扭矩命令20。圖5中圖形地示出創建修剪的功率命令22的修剪邏輯。具體地，當引擎低速狀況 在時間 \(30)開始時，修剪原始功率命令21。可看出，引擎速度31隨著負載增加而減少， 直到超過閾值32，在這點處診斷出低速狀況。直到這個點T1 (30)，在修剪的功率命令22中 遵循原始功率命令21的增加。然而，在點 \(30)診斷出引擎低速狀況之后，在修剪的功率 命令22中不再遵循原始功率命令21的進一步增加。在一實施例中，僅當引擎經歷低速或 停頓狀況時執行圖5中所示的修剪。一旦原始功率命令21落回到在其修剪的水平以下，則修剪的功率命令22再次遵 循原始功率命令21。因此，在所示實例中，當原始功率命令21在1^(33)落回到在其修剪的 水平以下時，修剪的功率命令22再次開始遵循原始功率命令21。如果在Τ2(33)之后，原始 功率命令21增加，則計算修剪的功率命令22的新水平。新值可能與初始的修剪的功率命 令22值不同。再次臨時參照圖3，將回憶起，為了低速控制的目的而對修剪的功率命令22進行 修改，以生成低速處理的功率命令23。在一實施例中，與某些PI/PID處理一致地執行這個 修改處理。現在參照圖6，示出用于PI增益調度的數據流40。這個技術可結合圖3的邏輯 流使用，以創建低速處理的功率命令23。作為一個輸入，數據流具有引擎低速錯誤41。存在多個方式來表征和識別引擎低 速，但是在一個實例中，將引擎速度與靜態或動態閾值相比較，并且使用差值來指示引擎低 速的程度，其中大于閾值量的差導致引擎低速的診斷。P_Gain錯誤調度42接收引擎低速錯 誤41，并提供P_Gain信號，這與引擎低速錯誤41成比例，并與引擎低速錯誤41相乘以產 生P輸出43。P_Gain錯誤調度42在圖示的實例中被塑形，使得錯誤增加(例如從垂直軸 的距離增加)導致校正程度增加。I_Gain錯誤調度48接收引擎低速錯誤41，并提供與引擎低速錯誤41的積分相關 的I_Gain信號。計算I_Gain信號和引擎低速錯誤41的乘積的積分，以生成I輸出49。對 于I輸出49和P輸出43求和，以生成PI值。同時，PI_Gain輸出速度調度44接收變速箱輸出速度信號45作為輸入。PI_Gain 輸出速度調度44提供塑形輸出46，其與PI值相乘以建立縮減信號47。PI_Gain輸出速度 調度在所示實施例中塑形，從而縮減低輸出速度時的總體系統增益，因為在低輸出速度時 很小的功率改變會產生大的扭矩改變。
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在實施例中，經由低速算法進一步處理縮減信號47，以適應最大低速功率差和在 用于建立低速處理的功率命令23之前的整體重置。圖7示出示例性低速模塊50的邏輯視 圖形式的方案。低速模塊50根據以下原理運行如果工具使得引擎速度經歷瞬時下降，則 在零速時請求零功率可導致機器在斜坡上實際向后滾動。同時，低速模塊50允許在較高對 地速度推遲命令(當沒有向后滾動的風險時)，以在變速箱12沒有完全遵循命令的功率時 考慮到引擎11的極端加載條件。因此，高度推遲命令迫使變速箱12使其能力飽和，以降低 對于引擎11的負載。經驗地，基于變速箱12的能力確定最大推遲水平，以遵循命令的功率。 例如，緊密遵循命令(例如電驅動)的變速箱可將這個值設置為接近零的功率限制。因此，低速模塊50經由增益曲線51轉換變速箱輸出速度信號45，以生成最大低速 功率限制52。限制器53將最大低速功率限制52與縮減信號47相比較，并提供限制后的低 速命令54。從修剪的功率命令22減去限制后的低速命令54，以生成低速處理的功率命令 23。本領域普通技術人員應理解，如果期望，可經由分數乘法器而不是減法步驟執行對于修 剪的功率命令22的功率縮減。圖8是示出用于基于功率的低速校正的處理60的流程圖。在處理60的階段61， 接收扭矩或速度命令。在階段62，將初始命令轉換成功率命令。在階段63，縮減功率命令， 以緩解引擎低速。在階段64可進一步處理縮減的功率命令，確保將極端的引擎停頓緩解到 可能的程度。在階段65，將縮減的和處理后的命令轉換回其原始域(例如速度或扭矩)，并 發送至機器的相關(多個)部分。工業實用性本發明適用于可能會引擎停頓的具有CVT驅動的變速箱或其他直接驅動變速箱 的機器。在這些類型的變速箱中，通常在適當位置存在控制，以確保引擎不會在負載下停 頓。這些控制通常分析請求的油門增加，以確定引擎是否沒有遵循所請求的增加。如果引 擎沒有遵循所請求的增加，則引擎低速算法可降低總體被請求的系統功率，幫助引擎速度 響應。公開的原理允許系統通過操作基于功率的參數，而非單獨的基于速度的參數，或單獨 的基于扭矩的參數，來執行更加有效的低速處理。可理解，以上說明書提供了公開的系統和技術的實例。然而，可認識到，本發明的 其他方案可能在細節上與以上實例不同。對說明書及其實例的所有參照旨在參照此時討論 的特定實例，而不是要暗示關于一般的本發明的范圍的任何限制。對于某些特征的區別和 不同的所有語言用于指出不存在那些特征的偏好，并且不排除在完全公開的本發明的范圍 之外，除非特別指出。這里的值的范圍的列舉僅用作分別引用落入范圍內的每個單值的速記法，除非這 里特別指出，每個單值被引入到說明書中，如同在本文中分別列舉。這里所述的方法可通過 任意適合的順序來執行，除非另有指出或與上下文明顯抵觸。由此，本發明包括在所附權利要求中列舉的主題的所有修改和等同物，這是適當 法律所允許的。此外，本發明涵蓋了在其所有可能變型中的上述元素的任意組合，除非另有 指出或與上下文明顯抵觸。
權利要求
一種調節引擎驅動的機器(10)的操作以避免引擎低速的方法，所述方法包括接收(61)初始命令(20，27)，其指定與期望扭矩相關的值；將接收的命令(20，27)轉換成(62)功率命令(21)；感測引擎低速狀況；將所述功率命令(21)縮減成(63)低速處理的功率命令(23)；將所述低速處理的功率命令(23)轉換為(65)與所述初始命令(20，27)的單元相同的單元；以及向所述機器(10)的一部分發出(65)轉換的低速處理的功率命令，以緩解引擎低速狀況。
2.如權利要求1所述的方法，其中與所述期望扭矩相關的值是扭矩值。
3.如權利要求1所述的方法，其中與所述期望扭矩相關的值是速度值。
4.如權利要求1所述的方法，其中感測引擎低速狀況包括檢測引擎(11)的速度(31) 下降到預定閾值(32)以下。
5.如權利要求1所述的方法，還包括縮減(64)所述低速處理的功率命令(23)，以緩 解極端引擎停頓。
6.如權利要求1所述的方法，其中向所述機器的一部分發出(65)轉換的低速處理的功 率命令包括向所述機器(10)的變速箱(12)發出轉換的低速處理的功率命令(26)。
7.如權利要求1所述的方法，其中將所述功率命令(21)縮減成(63)低速處理的功 率命令(23)包括以檢測到低速狀況時所述功率命令(21)所在的水平修剪所述功率命令 (21)，從而使得，如果功率命令(21)上升到檢測到低速狀況時其所在的水平(31)以上，則 修剪功率命令(21)，否則不修改。
8.如權利要求7所述的方法，其中將所述功率命令(21)縮減成(63)低速處理的功 率命令(23)還包括當檢測到低速狀況時，應用I_Gain錯誤調度(48)、P_Gain錯誤調度 (42)、和PI_Gain輸出速度調度(44)。
9.一種執行權利要求1-8中任一項的方法的控制器(14)。
10.一種具有根據權利要求9的控制器(4)的引擎驅動機器(10)。
全文摘要
一種調節引擎驅動的機器(10)的操作以避免引擎低速的方法需要將接收的速度或扭矩命令(22，20)轉換成(62)功率命令(21)。當感測到引擎低速狀況時，系統在將低速處理的功率命令(23)轉換回(65)原始域的單元之前在功率域執行低速校正。向變速箱(12)或其他組件發出轉換的低速處理的功率命令(23)，以緩解引擎低速狀況。
文檔編號F16H63/00GK101965470SQ200980108170
公開日2011年2月2日 申請日期2009年2月6日 優先權日2008年2月8日
發明者B·D·庫拉斯, B·D·霍夫, F·A·德馬科, M·巴恩格羅弗, T·M·索普科 申請人:卡特彼勒公司