工程机械回转体控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN201510086828.8 | 申请日 | 2015-02-17 | 公开(公告)号 | CN104863191B | 公开(公告)日 | 2017-07-25 |
| 申请人 | 斗山英维高株式会社; | 发明人 | 朴哲奎; 柳承真; 赵成佑; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及回转体控制方法及装置，本发明一个 实施例 的 工程机械 回转体控制方法可以包括：选择代表 信号 ‑ 速度曲线 的步骤；从操作输入装置接收操作信号值的步骤；把操作信号值应用于选择的信号‑速度曲线而获得基准速度值的步骤；把与基准速度相应的旋转速度命令发送给使回转体旋转的旋转 马 达的步骤；获得旋转马达的旋转速度的步骤；判断从基准速度减去旋转速度的差是否超过预先设置的最大允许误差的步骤；如果从基准速度减去旋转速度的差超过预先设置的最大允许误差，则获得与旋转速度相应的新信号‑速度曲线的步骤；利用新信号‑速度曲线而从操作信号值获得新基准速度值的步骤；及把与新基准速度相应的新旋转速度命令发送给旋转马达的步骤。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种工程机械回转体控制方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 工程机械回转体控制方法及装置技术领域背景技术[0002] 具有借助于电动机(motor)而驱动(driven)的回转体的工程机械的代表性示例是回转再生(swing energy regeneration)混合动力挖掘机(hybrid excavator)。 [0004] 图1图示了采用液压式回转马达(hydraulic swing motor)的挖掘机的回转体驱动装置。在步骤180中，驾驶员(operator)110操作操纵杆(joystick)120。据此生成的操作信号，例如先导压力(pilot pressure)，在步骤182中从操纵杆120传递给主控制阀(main control valve)130，使主控制阀130的回转用阀芯(spool)移动。在步骤184中，主控制阀130向液压回转马达140供应液压。借助于供应的液压，液压回转马达140生成的扭矩在步骤 186中传递给回转减速器150。在步骤188中，借助于经过了回转减速器150的扭矩，回转体 160进行回转。该回转系统不包括测量作为控制对象变数的回转速度的特别的构成。因此，除了驾驶员110在目视的同时移动操纵杆并控制速度的方法之外，没有特别的完善措施。 [0005] 但是，根据图1的方式，存在回转体160的控制功能极大地左右于驾驶员110个人能力的问题。要求开发一种方案，使得能够不依赖于驾驶员110的能力而轻松地驱动回转体驱动装置。 发明内容[0006] 本发明的一个实施例涉及提供一种能够轻松、准确地控制工程机械回转体的控制方式。 [0007] 本说明书的一个实施例的工程机械回转体控制方法可以包括：选择代表信号-速度曲线的步骤；从操作输入装置接收操作信号值的步骤；把所述操作信号值应用于选择的信号-速度曲线而获得基准速度值的步骤；把与所述基准速度相应的旋转速度命令发送给使回转体旋转的旋转马达的步骤；获得所述旋转马达的旋转速度的步骤；判断从所述基准速度减去所述旋转速度的差是否超过预先设置的最大允许误差的步骤；如果从所述基准速度减去所述旋转速度的差超过预先设置的最大允许误差，则获得与所述旋转速度相应的新信号-速度曲线的步骤；利用所述新信号-速度曲线而从操作信号值获得新基准速度值的步骤；及把与所述新基准速度相应的新旋转速度命令发送给所述旋转马达的步骤。 [0008] 本说明书一个实施例的工程机械回转体控制装置可以包括：操作输入装置，其根据操作而生成操作信号值；控制部，其选择代表信号-速度曲线，把所述操作信号值应用于选择的信号-速度曲线而获得基准速度值，把与所述基准速度相应的旋转速度命令发送给使回转体旋转的旋转马达；所述旋转马达，其根据所述旋转速度命令而使回转体旋转；及速度传感器，其感知所述旋转马达的旋转速度。所述控制部判断从所述基准速度减去所述旋转速度的差是否超过预先设置的最大允许误差，如果从所述基准速度减去所述旋转速度的差超过预先设置的最大允许误差，则获得与所述旋转速度相应的新信号-速度曲线，利用所述新信号-速度曲线，从操作信号值获得新基准速度值，把与所述新基准速度相应的新旋转速度命令发送给所述旋转马达。 [0009] 发明效果 [0010] 根据本说明书的一个实施例，即使没有附加的驱动器变位传感器，也可以生成反映了回转体惯性的变化的回转速度指令。实际速度可以充分适从此时生成的回转速度指令，因此，当没有等速区间地进行加减速时，实际速度符合驾驶员操作，能够提高驾驶员操作感。 [0012] 图1是以往利用了液压马达的工程机械回转体驱动装置的构成框图。 [0013] 图2是本说明书一个实施例的采用电动机的工程机械回转体控制装置的构成框图。 [0014] 图3a及图3b是显示挖掘机的动作形态的图。 [0015] 图4是显示利用了变位传感器的挖掘机的图。 [0016] 图5是显示因旋转惯性负载而变化的旋转速度与操纵杆信号的关系的图表。 [0017] 图6a及图6b是显示当如图5所示与回转体惯性变化无关地形成回转速度指令时的回转体旋转的图表。 [0018] 图7a是本说明书一个实施例的工程机械回转体控制过程的顺序图。 [0019] 图7b是本说明书一个实施例的压力-速度曲线的示例。 [0020] 图8a是本说明书另一实施例的工程机械回转体控制过程的顺序图。 [0021] 图8b是本说明书另一实施例的压力-速度曲线的示例。 [0022] 图9a及图9b显示了应用所述实施例时基于操纵杆的操作的命令速度和响应速度(实际旋转速度)。 具体实施方式[0023] 下面参照附图，详细说明本说明书的实施例。 [0024] 在说明实施例方面，对于本说明书所属技术领域公知的、与本说明书无直接关联的技术内容，省略说明。这是为了通过省略不必要的说明而避免混淆，更明确地传递本说明书的要旨。 [0025] 由于同样的理由，在附图中，一部分构成要素进行了夸张或省略或简要图示。另外，各构成要素的大小并非全部反映实际大小。在各图中，对相同或对应的构成要素赋予了相同的参照符号。 [0026] 下面根据本说明书的实施例，参照用于说明回转体控制方法的附图，对本说明书进行说明。 [0027] 图2是本说明书一个实施例的工程机械回转体控制装置的构成框图。 [0028] 如图2所示，在步骤280中，驾驶员210操作操纵杆120。由此生成的操作信号，例如，先导压力在步骤282中从操纵杆220传递给速度命令生成部230。 [0029] 在步骤284中，速度命令生成部230根据操作信号而生成速度命令或加速命令并传递给速度控制部235。在步骤284中传递的速度命令/加速命令，是指按与所述操作信号相应的角速度使回转体260旋转的消息。下面，速度命令/加速命令作为相同意义的术语而混用。另外，也可以把回转体的旋转角速度表现为速度。下面如果在没有特殊说明的情况下而称作“速度”，则意味着回转体的旋转角速度。速度控制部235考虑速度命令生成部的加速命令和后述步骤287的测量速度(或误差值)而生成控制命令，在步骤285中，把控制命令传递给电气回转马达240。控制命令是指示电气回转马达240运转的命令。 [0030] 电气回转马达240在步骤286中，以控制命令285为基础，向回转减速器250传递扭矩286，另外，在步骤287中，把电气回转马达240的测量的旋转速度(或后述的误差值)传递(反馈)给速度控制部235。在电气回转马达240中，为了控制马达240的速度及电流，可以加装有测量电动机转子(rotor)的角变位及角速度的传感器。这种传感器的代表性示例为编码器(encoder)或解角器(resolver)。 [0031] 在步骤288中，回转体260借助于经过了回转减速器250的扭矩而回转。 [0032] 操纵杆220只不过是驾驶员210可以使用的操作输入装置的示例，也可以利用其它种类的操作输入装置。另外，先导压力只不过是操作信号的一个示例，其它种类的电气/非电气信号也可以作为操作信号使用。 [0033] 速度命令生成部230和速度控制部235实质上也可以作为一个构成要素而体现。把速度命令生成部230与速度控制部235合并称为控制部。 [0034] 回转减速器250是辅助回转体260稳定旋转的构成，但并非必需。 [0035] 对于图2的回转体控制装置的各构成部的具体动作，后面将参照图3a至图9b进行详细说明。 [0036] 图3a及3b是显示挖掘机的动作形态的图。 [0037] 诸如挖掘机的工程机械以连杆(link)结构把动臂(boom)、斗杆(arm)、铲斗(bucket)连接于上部回转体，主要执行挖掘土沙或石材或使之移动的工作。因此，根据动臂-斗杆-铲斗的姿势(posture)或铲斗装载物的重量，作为驱动器的回转液压马达、或作为回转电动马达的负载的回转体旋转惯性(mass moment of inertia)较大地不同。下面，在没有另外的说明的情况下，把术语“惯性”用作旋转惯性的意义。例如，在如图3a所示的姿势下，当没有铲斗装载物时，回转体惯性最小，在图3b所示的姿势下，当有铲斗装载物时，回转体惯性最大。 [0038] 图4是显示利用了变位传感器的挖掘机的图。 [0039] 为了考虑所述回转体惯性(惯性负载)而生成回转速度指令，如图4所示，可以附着变位传感器，以便能够感知动臂-斗杆-铲斗的姿势。在对动臂、斗杆、铲斗进行驱动的驱动器(液压缸)(例如附图符号E-F、G-H、I-J的位置)附着变位传感器，控制装置可以考虑计算回转体惯性而生成适合于该值的速度指令的方法。但是，该方法需要追加加装多个变更传感器，存在可能因这些传感器的故障而引发可靠性问题的问题。 [0040] 图5是显示因旋转惯性负载(以下把“惯性负载”混用作与旋转惯性负载相同的意义)而变化的旋转速度与操纵杆信号的关系的图表。为了解决如图4所示方式的问题，可以不使用动臂、斗杆、铲斗驱动器的变位传感器，取而代之，可以考虑与回转体惯性变化无关地形成回转速度指令的方式。实验者可以在采用液压式回转马达的挖掘机中，通过试验而求出因回转操纵杆操作而生成的先导压力(pilot pressure)与回转体速度的正常状态(steady state)关系。另外，实验者可以通过试验而求出在采用电动马达的挖掘机中，回转体具有最小惯性负载时的回转体速度的正常状态(steady state)关系。随着回转体惯性的变化，这种曲线可以形成无限多，但可以选定能够代表这种曲线集合的代表曲线。 [0041] 代表曲线既可以是具有中间惯性负载时的曲线，也可以是回转体具有最小惯性负载时的曲线，在回转体具有最小惯性负载的情况下，还可以是附近的其它种类的曲线。如后面所述，回转体控制装置从代表曲线开始，根据旋转速度反馈，执行变更为更下方的速度-压力曲线，即，变更为与更大惯性负载相应的曲线并应用。因此，代表曲线可以选择为回转体具有比较小惯性负载时的曲线。 [0042] 另外，即使把中间惯性负载或小惯性负载的曲线选择为代表曲线，当根据旋转速度反馈或电动机的扭矩值，判断为惯性负载比代表曲线更小时，也可以移动到上侧的速度-压力曲线，即，与更小惯性负载相应的曲线。此时，发出更接近实际惯性负载的电动机输出，因而能够更精密控制。 [0043] 图6a及图6b是显示当如图5所示与回转体惯性变化无关地形成回转速度指令时的回转体旋转的图表。 [0044] 图6a的情形是回转体的惯性负载充分小时的图表，图6b是回转体的惯性负载相对大时的图表。 [0045] 如图6a的情形所示，当回转体的惯性负载充分小时，驾驶员通过操纵杆输入的命令(操作信号)与实际回转(旋转)速度的变化几乎一致。 [0046] 但是，如图6b的情形所示，当回转体的惯性负载大时，实际旋转速度的变化无法跟随驾驶员通过操纵杆输入的命令(操作信号)。因此可知，使用者虽然已经在第一虚线的时间点命令减小速度，但实际上，只有在回转体的旋转速度增加，直到与操作信号相应的速度达到与旋转速度相同的时间点(第二虚线的时间点)之后，旋转速度才减小。 [0047] 图7a是本说明书一个实施例的回转体控制过程的顺序图。 [0048] 图7b是本说明书一个实施例的压力-速度曲线的示例。此处虽然以压力-速度曲线为例，但压力可以用其它种类的信号代替。此时，曲线的名称也可以为信号-速度曲线。信号包括操纵杆(操作装置)的移动大小信息，或使用者所要的速度大小信息，这种大小信息可以代替压力的大小。下面列举压力-速度曲线的示例进行说明。 [0049] 如图7a所示，在步骤710中，控制部选择代表压力-速度曲线。回转体的旋转停止后，当回转体新开始旋转时，控制部可以新选择代表压力-速度曲线。 [0050] 在步骤720中，控制部获得操纵杆的先导压力值(操作信号)。在步骤730中，控制部把所述的先导压力值应用于选择的压力-速度曲线，计算基准速度值。当前虽然选择了代表压力-速度曲线，但稍后如果根据动作而选择了其它压力-速度曲线，则可以把先导压力值应用于新选择的曲线，计算基准速度值。另外，控制部可以把指示以基准速度值进行旋转的消息传递给回转马达。 [0051] 在步骤740中，控制部计算从基准速度减去回转体实际速度的差。如上所述，在回转体的旋转马达中具备能够感知实际旋转速度的传感器。控制部可以从这种传感器获得旋转速度信息。 [0052] 在步骤750中，控制部判断从基准速度减去实际旋转速度的差是否超过最大允许误差。最大允许误差可以通过实验决定。例如，最大允许误差可以设置为既定比例的驾驶员在操作中感到别扭的程度的误差值。如果从基准速度减去实际旋转速度的差未超过最大允许误差，那么，过程进行步骤790。如果从基准速度减去实际旋转速度的差超过最大允许误差，那么，过程进行步骤760。 [0053] 在步骤760中，控制部选择下一位次的压力-速度曲线。 [0054] 如图7b所示，提示了4条压力-速度曲线。实际上，可以使用更多的压力-速度曲线。压力-速度曲线可以从虚拟的惯性负载值获得。另外，压力-速度曲线可以以映射数据的形态存储于控制部。下一位次的压力-速度曲线意味着在图7b中回转体控制装置可以使用的压力-速度曲线中位于比当前压力-速度曲线更下侧的曲线中的最接近的曲线。即，下一位次的压力-速度曲线意味着回转体控制装置可以使用的候选压力-速度曲线中，与大于当前压力-速度曲线的惯性负载的惯性负载相应的曲线中的惯性负载最小的曲线。根据另一实施例，充分追踪速度指令，当判断电动机输出扭矩有富余时，即，实际惯性负载比当前选择的压力-速度曲线的惯性负载小时，位于比当前压力-速度曲线更下侧的曲线中的最接近曲线，可以用作下一位次的压力-速度曲线。 [0055] 在步骤790中，控制部判断从基准速度减去回转体的实际速度的差是否小于预先设置的阈值。步骤790的阈值可以设置为比步骤750的最大允许误差小的值。根据变形例，步骤790的阈值也可以设置为与步骤750的最大允许误差相同的值。 [0056] 当从基准速度减去回转体的实际速度的差为预先设置的阈值以上时，过程进行步骤760，反复步骤760及步骤720至步骤750的过程。步骤760及步骤720至步骤760的过程反复，持续至从基准速度减去回转体实际速度的差小于步骤790的阈值时为止。即，控制部在图7b中选择逐渐下方曲线，直至误差充分小时为止。 [0057] 不过，当即使选择最下面的曲线后，从基准速度减去回转体实际速度的差仍为预先设置的阈值以上时，则与从基准速度减去回转体实际速度的差无关，过程可以进行步骤720。当从基准速度减去回转体实际速度的差小于预先设置的阈值时，过程进行步骤720。 [0058] 当从基准速度减去回转体实际速度的差小于预先设置的阈值时，过程进行步骤720。 [0059] 然后，步骤720至步骤750的过程在旋转过程期间执行。 [0060] 图8a是本说明书另一实施例的回转体控制过程的顺序图。 [0061] 图8b是本说明书另一实施例的压力-速度曲线的示例。此处虽然以压力-速度曲线为例，但压力可以用其它种类的信号代替。此时，曲线的名称也可以为信号-速度曲线。信号包括操纵杆(操作装置)的移动大小信息，或使用者所要的速度大小信息，这种大小信息可以代替压力的大小。下面列举压力-速度曲线的示例进行说明。 [0062] 图8a的步骤810、820、830、840、850、890的过程与图7a的步骤710、720、730、740、750、790的过程相同，因而在此省略详细说明。 [0063] 在步骤860中，控制部推定旋转惯性负载。 [0064] 数学式1是用于推定旋转惯性负载的数学式。 [0065] <数学式1> [0066] J dω/dt＝τ-τfriction [0067] ω为角速度。T为时间。τ为旋转马达的扭矩，τfriction为摩擦导致的扭矩损失。J为旋转惯性负载。dω/dt为相对于时间的角速度的变化率(相对于时间的角速度的微分值)。 [0068] 控制部可以获知旋转马达的速度信息及扭矩信息。因摩擦导致的扭矩损失为不变值，因而实验者可以通过实验获得扭矩损失并应用，以便控制部使用。控制部可以以这种信息为基础推定旋转惯性负载。负载推定部的设计也可以使用龙贝格观测器(Luenburger observer)或卡尔曼滤波器(Kalman filter)等方法。 [0069] 在步骤870中，控制部选择与推定的惯性负载相应的压力-速度曲线。如果参照图8b进行说明，上数第二条曲线是与推定的惯性负载相应的压力-速度曲线。因此，在之后步骤830中，控制部可以利用相应压力-速度曲线，求出与当前先导压力相应的速度。 [0070] 在步骤870中，当在原来的压力-速度曲线与将新选择的压力-速度曲线之间有其它压力-速度曲线时，也可以依次发送命令消息，命令以既定速度在压力-速度曲线与将新选择的压力-速度曲线之间依次选择其它压力-速度曲线，据此求出基准速度并以相应速度旋转。此时可以避免急剧的曲线变化。 [0071] 图9a及图9b显示了当应用所述实施例时的基于操纵杆的操作的命令速度与响应速度(实际旋转速度)。当回转体的惯性负载比较大时，如图9a所示，会出现命令速度与响应速度(实际旋转速度)的差异。如果这种差异超过最大允许误差(εmax)，则如图9b所示，可以使命令速度的倾斜率减小(选择逐渐更下方的压力-速度曲线)，把相应差异减小到小于阈值(εmin)。根据这种方式，使用者的操作感会大幅增加。在经过这种过程的1次回转动作后，控制部可以在下次回转动作中，把压力-速度曲线初始化为代表压力-速度曲线，或把在以前回转动作中最终选择的压力-速度曲线用作初始值。当回转惯性负载是与以前回转动作相同的单纯反复运转时，如果使用后者的方法，则可以从回转初期起便进行符合驾驶员意图的速度控制。 [0072] 根据所述实施例，即使没有附加的驱动器变位传感器，也可以生成反映了回转体惯性负载的变化的回转速度指令。此时生成的回转速度消息可以充分追踪实际速度，因此，当没有等速区间地进行加减速时，实际速度符合驾驶员操作，能够提高驾驶员操作感。 [0073] 另外，当回转速度误差大时，使得回转电动机持续输出最大扭矩，但如果应用本方式，则可以限制速度误差的大小，因而能够缩短回转电动机发出最大扭矩的时间。此时，使得可以任意操作电动机扭矩的形状，能够提高驾驶员的操作感，或减小电动机发热，防止转子的热减磁等，能够使电动机的可靠性增大。 [0074] 此时，处理流程图附图的各框架和流程图附图的组合可以借助于计算机程序指令而执行，这是可以理解的。这些计算机程序指令可以搭载于通用计算机、特殊用途计算机或其它可编程的数据处理装备的处理器，因此，通过计算机或其它可编程数据处理装备的处理器而执行的该指令，使得生成执行在流程图方框中说明的功能的手段。这些计算机程序指令为了以特定方式体现功能，也可以是可以指向计算机或其它可编程的数据处理装备的计算机可利用或计算机可判读存储器中存储者，因此，该计算机可利用或计算机可解读存储器中存储的指令还可以生产制造品种，所述制造品种包含了执行流程图方框中说明的功能的指令手段。计算机程序指令也可以搭载于计算机或其它可编程的数据处理装备上，因而在计算机或其它可编程的数据处理装备上执行一系列动作步骤，生成由计算机运行的流程，执行计算机或其它可编程的数据处理装备的指令还可以提供运行流程图方框中说明的功能所需的步骤。 [0075] 另外，各方框可以代表包含了用于运行限定逻辑功能的一个以上的可运行指令的模块、段或代码的一部分。另外需要注意的是，在一些替代实施例中，在方框中提到的功能可能会不按顺序发生。例如，相继图示的两个方框实质上也可能同时执行，另外，这些方框有时也可能按照相应的功能而倒序执行。 [0076] 此时，本实施例中使用的所谓“～部”的术语，意味着软件或诸如FPGA或ASIC的硬件构成要素，“～部”执行某种作用。但是，“～部”并非限定于软件或硬件的意义。“～部”既可以构成得在可寻址的存储介质中，也可以构成播放一个或一个以上的处理器。因此，作为一个示例，“～部”包括诸如软件构成要素、目标指向软件构成要素、类别构成要素及任务构成要素的构成要素，流程、函数、属性、步骤、子程序、程序代码的段、驱动程序、固件、微码、回路、数据、数据库、数据结构、工作表、阵列及变数。在构成要素和“～部”内提供的功能还可以由更小数的构成要素及“～部”结合，或分离成追加的构成要素和“～部”。而且，构成要素及“～部”也可以体现使得播放驱动器或安全多媒体卡内的一个或一个以上的CPU。 [0077] 本说明书所属技术领域的技术人员可以理解，本说明书在不变更其技术思想或必需特性的情况下，可以以其它具体形态实施。因此，以上记述的实施例在所有方面应理解为示例而非限定。与所述详细说明相比，本说明书的范围应由后述的权利要求书代表，权利要求书的意义及范围以及由其均等概念导出的所有变更或变形的形态应解释为包含于本说明书的范围。 [0078] 另一方面，在本说明书和附图中，对本说明书的优选实施例进行了公开，虽然使用了特定术语，但这只是出于为了容易地说明本说明书的技术内容、帮助对发明的理解的普通意义而使用的，并非限定本说明书的范围。除此处公开的实施例之外，立足于本说明书的技术思想的其它变形例也可以实施，这是本说明书所属技术领域的技术人员不言而喻的。 |
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