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【発明の名称】 ２自由度電気機械式トランスミッションのコントロール装置及びその方法
【発明者】 【氏名】エリック ディー ステムラー
【要約】 【課題】入力指令に対するトランスミッションの動的な応答を、電気的効率も最大化しながら、如何にして最大化するかである。

【解決手段】トランスミッションのコントロール装置及びその方法は、第１電気機械の回転を制御するための第１コントローラ及び第２電気機械の回転を制御するための第２コントローラと第１及び第２電気機械の回転速度をそれぞれ検出するためのセンサと、導電性リンクの電気的パラメータを所望の範囲内に維持しながら電気機械の所定のトルク限界を越えることなく、第１及び第２目標値信号に対する第１及び第２トルク値をそれぞれ決定することによって、出力部材の所望のトルク値に対応する、コントローラに対する第１及び第２トルク目標値信号を生成し、出力できるようになっているトランスミッション制御装置とを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 エンジンに接続するようになっている入力部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第１電気機械に接続される部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第２電気機械に接続される部材、及び出力部材を含む遊星歯車機構を含み、前記第１と第２電気機械及びそれらに接続された前記部材が、前記出力部材上に作用するトルクの制御を行うためにそれぞれ回転可能である、電気機械式トランスミッションのコントロール装置であって、導電性リンクによって電気的に通信するように接続され、それぞれ第１及び第２トルク目標値信号によって制御可能である、前記第１電気機械の回転を制御するための第１コントローラ及び前記第２電気機械の回転を制御するための第２コントローラと、前記第１及び第２電気機械の回転速度をそれぞれ検出するためのセンサと、前記導電性リンクの電気的パラメータを所望の範囲内に維持しながら前記電気機械の所定のトルク限界を越えることなく、前記第１及び第２目標値信号に対する第１及び第２トルク値をそれぞれ決定することによって、前記出力部材の所望のトルク値に対応する、コントローラに対する前記第１及び第２トルク目標値信号を生成し、出力できるようになっているトランスミッション制御装置と、を含むことを特徴とするコントロール装置。
【請求項２】 前記電気的パラメータが電圧であり、また、前記トランスミッション制御装置が、前記出力部材の前記所望のトルク値、前記電気機械に接続された前記部材について検出された速度、及び前記電圧に基づいて、初期第１及び第２トルク値を計算し、次いで、前記初期第１及び第２トルク値を前記電気機械の前記所定のトルク限界と比較し、前記トルク値の一つが前記限界よりも大きい場合には、前記トルク値の一つを所定の値に等しく設定し、また前記トルク値の他方を再計算し、前記所定の値及び前記再計算されたトルク値を前記トルク目標値として出力することによって前記第１及び第２トルク値を決定することを特徴とする請求項１に記載のコントロール装置。
【請求項３】 前記トランスミッション制御装置が、最初に前記初期第１トルク値を前記第１電気機械の前記所定のトルク限界と比較し、前記初期第１トルク値が前記限界よりも大きい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記第１トルク値を前記限界に等しく設定し、前記第２トルク値を再計算し、前記再計算された第２トルク値を前記第２電気機械の前記所定のトルク限界と比較し、前記再計算された第２トルク値が前記第２電気機械の前記限界より小さい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記第１及び第２トルク値を前記トルク目標値として出力し、また前記再計算された第２トルク値が前記第電気機械の前記限界より大きい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記第２トルク値を前記限界に等しく設定し、前記第１トルク値を再計算し、前記再計算された第１トルク値及び前記限界に設定された第２トルク値を前記トルク目標値として出力できるようになっていることを特徴とする請求項２に記載のコントロール装置。
【請求項４】 前記トランスミッション制御装置が、最初に前記初期第１トルク値を前記第１電気機械の前記所定のトルク限界と比較し、前記初期第１トルク値が前記限界より小さいあるいは前記限界に等しい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記初期第２トルク値を前記第２電気機械の前記所定のトルク限界と比較し、前記初期第２トルク値が前記第２電気機械の前記限界より小さい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記第１及び第２トルク値を前記トルク目標値として出力し、また、前記初期第２トルク値が前記第２電気機械の前記限界より大きい場合には、前記トランスミッション制御装置は前記第２トルク値を前記限界に等しく設定し、前記第１トルク値を再計算し、前記再計算された第１トルク値及び前記限界に設定された前記第２トルク値を前記トルク目標値として出力できるようになっていることを特徴とする請求項２に記載のコントロール装置。
【請求項５】 エンジンに接続される入力部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第１電気機械に接続される部材、及び電動機もしくは発電機として作動可能な第２電気機械に接続される部材を有し、前記第１及び第２電気機械が導電性リンクによって電気的に通信するように接続されたコントローラによって制御されるトランスミッションの出力部材上に作用するトルクを制御するための方法であって、前記出力に対する所望のトルク値及び前記導電性リンクの対応する電気的パラメータを準備する段階と、前記第１電気機械の速度Ｎ1、前記第２電気機械の速度Ｎ2及び前記電気的パラメータの値に基づいて、前記第１電気機械を制御するための初期トルク目標値ＴEC1及び前記第２電気機械を制御するための初期トルク値ＴEC2を計算する段階と、前記初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を所定の限界値Ｌ1及びＬ2とそれぞれ比較し、前記初期トルク値ＴEC1もしくはＴEC2がそれぞれ前記所定の限界値Ｌ1及びＬ2より小さいあるいは前記Ｌ1及びＬ2に等しい場合には、前記コントローラに対して前記初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を出力する段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】 前記初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を所定の限界値Ｌ1及びＬ2と比較する前記段階が、（ｉ）前記初期トルク値ＴEC1が前記限界値Ｌ1より小さいあるいは前記限界値Ｌ1に等しい場合には、前記初期トルク値ＴEC2を前記限界値Ｌ2と比較し、また、前記初期トルク値ＴEC2が前記限界値Ｌ2より小さいあるいは前記限界値Ｌ2に等しい場合には、前記初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を前記コントローラに出力する段階と、前記初期トルク値ＴEC2が前記限界値Ｌ2よりも大きい場合には、前記トルク値ＴEC2を前記限界値Ｌ2に設定し、前記トルク値ＴEC1を限界値Ｌ2に設定された前記トルク値ＴEC2を用いて再計算し、次いで前記再計算されたトルク値ＴEC1及び前記限界値Ｌ2に設定された前記トルク値ＴEC2を前記コントローラに出力する段階と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】 前記初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を所定の限界値Ｌ1及びＬ2と比較する前記段階が；
（ii）前記初期トルク値ＴEC1が前記限界値Ｌ1より大きい場合には、前記トルク値ＴEC1を前記限界値Ｌ1に設定し、前記トルク値ＴEC2を前記限界値にＬ1に設定された前記トルク値ＴEC1を用いて再計算し、また、前記トルク値ＴEC2が前記限界値Ｌ2より小さいあるいは前記限界値Ｌ2に等しい場合には、前記限界値Ｌ1に設定された前記トルク値ＴEC1及び前記再計算されたトルク値ＴEC2を前記コントローラに出力する段階と、前記トルク値ＴEC2が前記限界値Ｌ2より大きい場合には、前記トルク値ＴEC2を前記限界値Ｌ2に設定し、前記限界値Ｌ2に設定された前記トルク値ＴEC2を用いて前記トルク値ＴEC1を再計算し、前記再計算されたトルク値ＴEC1及び前記限界値Ｌ2に設定された前記トルク値ＴEC2を前記コントローラに出力する段階と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】 前記パラメータが電圧であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に電気機械式トランスミッションに関し、より詳細には、受信した出力トルク目標値が、トランスミッション出力を制御するために使用される電気機械の出力及びトルク限界内で実行される２自由度、多部材電気機械式トランスミッションの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気機械式トランスミッションは一般的に、例えば３つの遊星歯車及びエンジンに対してそれぞれ接続される多数の部材を有する遊星歯車配列、多数の電気機械、及び出力部を含む。電気機械は、それぞれが一般的に発電機モードもしくは電動機モードで作動可能であり、また電気的にリンクされている。場合によっては、電気回路は、電源及び／又は１つあるいはそれ以上のバッテリなどの蓄電装置を追加的に含む。２自由度トランスミッションなる用語は、トランスミッション出力を能動的に制御するには２つの独自のパラメータが必要であることを一般的に意味する。
【０００３】２自由度電気機械式トランスミッションを制御する場合、克服されるべき問題は、オペレータ入力、変化する負荷条件及び／又は変化する勾配の類などの環境条件のような入力指令に対するトランスミッションの動的な応答を、速度と共に変化する電気機械のトルク及び出力限界を超えることなく電気的効率も最大化しながら、如何にして最大化するかである。特に、この点に関しては、トランスミッションの作動範囲にわたって可能な限り、安定した電圧を電気機械間の電気的なリンク上に維持することが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、上述の問題の１つあるいはそれ以上を克服しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様において、エンジンに接続するようになっている入力部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第１電気機械に接続される部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第２電気機械に接続される部材、及び出力部材を含む遊星歯車機構を含み、第１と第２電気機械及びそれらに接続された部材が、出力部材上に作用するトルクの制御を行うためにそれぞれ回転可能である、電気機械式トランスミッションのコントロール装置が開示される。コントロール装置は、導電性リンクによって電気的に通信するように接続され、それぞれ第１及び第２トルク目標値信号によって制御可能である、第１電気機械の回転を制御するための第１コントローラ及び第２電気機械の回転を制御するための第２コントローラと、第１及び第２電気機械の回転速度をそれぞれ検出するためのセンサと、導電性リンクの電気的パラメータを所望の範囲内に維持しながら電気機械の所定のトルク限界を越えることなく、第１及び第２目標値信号に対する第１及び第２トルク値をそれぞれ決定することによって、出力部材の所望のトルク値に対応する、コントローラに対する第１及び第２トルク目標値信号を生成し、出力できるようになっているトランスミッション制御装置とを含む。
【０００６】本発明の他の態様においては、エンジンに接続される入力部材、電動機もしくは発電機として作動可能な第１電気機械に接続される部材、及び電動機もしくは発電機として作動可能な第２電気機械に接続される部材を有し、第１及び第２電気機械が導電性リンクによって電気的に通信するように接続されたコントローラによって制御されるトランスミッションの出力部材上に作用するトルクを制御するための方法が開示される。この方法は、出力に対する所望のトルク値及び導電性リンクの対応する電気的パラメータを準備する段階と、第１電気機械の速度Ｎ1、第２電気機械の速度Ｎ2及び電気的パラメータの値に基づいて、第１電気機械を制御するための初期トルク目標値ＴEC1及び第２電気機械を制御するための初期トルク値ＴEC2を計算する段階と、初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を所定の限界値Ｌ1及びＬ2とそれぞれ比較し、初期トルク値ＴEC1もしくはＴEC2がそれぞれ所定の限界値Ｌ1及びＬ2より小さいあるいはＬ1及びＬ2に等しい場合には、コントローラに対してこの初期トルク値ＴEC1及びＴEC2を出力する段階とを含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１を参照する。図には、多重範囲無段階可変電気機械式トランスミッション１０が示される。トランスミッション１０は、図示されていないが、機械を推進するために使用される。トランスミッション１０は、遊星歯車機構１２、第１部材１４、第２部材１６、第３部材１８、第４部材２０、及び第５部材２２を含む。遊星歯車機構は、３つの遊星歯車セット（図示せず）を含み、それぞれは太陽歯車、遊星歯車を有するキャリア、及びリング歯車のような部品を含む。ここで、トランスミッション１０は、本発明の意図から逸脱することなく、含まれるギア配列及びそれの構成部品の数を少なくしたり多くしたり様々に構成できることを理解されたい。また、代わりの部材１４、１６、１８、２０及び２２を、本発明から逸脱することなく、トランスミッション１０及び遊星歯車機構１２の様々な特定の部品に対して接続及び組合せることできることを認識し理解されたい。
【０００８】第１部材１４は、クラッチ３０によって中間出力軸２８に選択的に接続可能なギア２６と噛み合うギア２４を含む。ギア２４はまた、第１電気機械３６の軸３４上のギア３２と噛み合わされる。第２部材１６は、クラッチ４２によって中間出力軸２８に選択的に接続可能なギア４０と噛み合うギア３８を含む。第３部材１８は、内燃エンジン５０の軸４８上のギア４６と噛み合うギア４４を含む。第４部材２０は、中間出力軸２８上のギア５６及び５８それぞれに噛み合うギア５２及び５４と、クラッチ６０及び６２それぞれによって、交互に選択可能に係合可能である。第５部材２２は、第２電気機械７０の軸６８上のギア６６と噛み合うギア６４を含む。
【０００９】第１及び第２電気機械３６及び７０は、電気的なエネルギを作り出すため、それらに接続されたそれぞれの部材１４、２２によって回転可能に駆動される発電機モードにおいて、また、それらに接続されたそれぞれの部材１４、２２を駆動可能に回転させる電動機モードにおいて、本発明に従って構成され作動可能なコントロール装置７１の制御の下で、各々作動できるようになっている。コントロール装置７１は、第１電気機械コントローラ７２、第２電気機械コントローラ７４、及びコントローラ７２、７４に目標値を送信できるようになっているトランスミッション制御装置７６を含む。電気機械コントローラ７２、７４は、それぞれの電気機械３６、７０にそれぞれ導電路７８、８０によって、また、お互いは導電性リンク８２によって接続される。コントロール装置７１は、電気機械コントローラ７２に導電路８６によって接続され、第１電気機械３６の軸３４の回転速度を検出するように配置された速度センサ８４を含む。コントロール装置７１は、電気機械コントローラ７４に導電路９０によって接続され、第２電気機械７０の軸６８の回転速度を検出するように配置された第２速度センサ８８を含む。電気機械コントローラ７２、７４は、それぞれ導電路９２及び９４によって、トランスミッション制御装置７６と電気的に通信するように接続される。トランスミッション制御装置７６は、導電路９６によって、入力信号を受信するように高レベルトランスミッション制御装置９８（図２）に接続される。速度センサ１００及び１０２は、導電路１０４及び１０６それぞれによって、高レベルトランスミッション制御装置９８（図２）に接続され、また、エンジン５０の軸４８及び中間出力軸２８の回転速度を検出するようにそれぞれ配置され、検出した速度を表す信号をトランスミッション制御装置９８に対して出力できるようになっている。ここで、中間出力軸２８は、出力軸１１０に接続された方向コントロール装置１０８を追加的に含み、速度センサ１０２は、本発明を逸脱することなく、中間出力軸２８もしくは出力軸１１０の速度を検出するように配置することができる。
【００１０】図２を同様に参照する。図には、トランスミッション１０及びコントロール装置７１の態様の高レベルブロック図１１２が示され、その動作を説明する。動作において、高レベルトランスミッション制御装置９８が、それだけに限定するものではないが、オペレータ入力、速度センサ１０２からの出力速度入力、及びセンサ１００からのエンジン速度入力を含むことができる入力を受信する。その入力に基づいて、高レベルトランスミッション制御装置９８は、所望の出力トルク値ＴOUTを決定し、トルクＴOUTをトランスミッション制御装置７６に出力する。トランスミッション制御装置７６は、プロセッサを含み、所望の出力トルクＴOUTを産出するための要求に応じて、電気機械３６及び７０を発電機モードもしくは電動機モードで作動させる目的で、トルク目標値ＴEC1及びＴEC2を電気機械コントローラ７２及び７４それぞれに出力することができるようになっている。トランスミッション１０は、２自由度トランスミッションであり、従って、その出力トルクを能動的に制御するには、２つの独自のパラメータを必要とする。ここで、選択された２つのパラメータは、目標に与えられるトランスミッション・トルクＴOUT及び電気機械コントローラ７２及び７４間の導電性リンク８２上の電圧である。トランスミッション制御装置７６は、電気機械コントローラ７２及び７４に対して出力されるべきトルク目標値に対する値を、以下の制御方程式を使用して決定することができるようになっている。
方程式１： ａＴEC1＋ｂＴEC2＝ｃＴOUT方程式２： ＮEC1ＴEC1＋ＮEC2ＴEC2＝−ＰDCここで、ＴEC1は、第１電気機械３６が目標に与えられるトルクＴEC2は、第２電気機械７０が目標に与えられるトルクＴOUTは、目標に与えられるトランスミッション出力トルクＮEC1は、第１電気機械３６の測定された速度ＮEC2は、第２電気機械７０の測定された速度ＰDCは、リンク電圧補償装置からのリンク電力、及びａ、ｂ、ｃ、は、トランスミッション１０のパラメータに基づいて決定された定数であり、ここでは電気機械３６、７０及び中間出力軸２８もしくは出力軸１１０に接続された部材間の比率である。
【００１１】速度ＮEC1及びＮEC2は、速度センサ８４及び８８によって検出される。リンク電力の量は、補償装置、例えば、リンク電圧誤差に基づいた比例積分偏差法によって決定される。例えば、基準リンク電圧５５０ボルトが選択され、実際に測定された電圧が基準電圧より低いもしくは高い場合、差はリンク電圧誤差となる。電気機械３６及び７０は、速度と共に変化するトルク及び出力限界を有し、限界を超えた場合には、結果として機械に対して損傷を与え得る可能性がある。電気機械３６及び７０に対するトルク限界は予め決められた値であり、それぞれＬ1及びＬ2で表すことができる。安定性と電気的な効率にとって、導電性リンク８２上の電圧を、その基準値の所定の範囲に、もしくは範囲内に維持することが望ましい。従って、トルク目標値ＴEC1もしくはＴEC2の１つは、その限界値Ｌ1もしくはＬ2それぞれに設定でき、また、目標に与えられたトランスミッション出力トルクＴOUT、測定された速度ＮEC1及びＮEC2、リンク電力ＰDC及び既知の定数ａ、ｂ、ｃを用いて、方程式１及び方程式２から、残るトルク目標値ＴEC1もしくはＴEC2を求めることができる。その限界に設定された選択されたトルク目標値及び上記の方程式１及び方程式２を用いて計算されたもう一方のトルク目標値でもって、電気機械コントローラ７２及び７４は、示されるように所望の出力トルクＴOUTを産出するように電気機械を作動させるために、電気機械３６及び７０に対して必要な作動電流を出力するように制御されることができる。
【００１２】同様に図３を参照する。図には、コントロール装置７１の動作方法の段階を示す高レベル流れ図１１４が要約されている。ブロック１１６で、トランスミッション制御装置７６は、出力トルクＴOUT及びリンク電力ＰDC目標値、同様に検出した速度ＮEC1及びＮEC2を読取る。ブロック１１８で、初期トルク目標値ＴEC1及びＴEC2が方程式１及び方程式２を使用して計算される。ここで、既に述べた如く、ブロック１２０で示すように、電気機械３６及び７０の作動を既知の作動トルク限界値Ｌ1及びＬ2内に維持することが望ましい。これは以下のようになされる。最初に、判断ブロック１２２で示すように、初期トルク値ＴEC1は限界値Ｌ1と比較される。トルク値ＴEC1が限界値Ｌ1を越える場合には、トルク値ＴEC1は、ブロック１２４で示されるように、限界値Ｌ1に設定される。次いで、トルク値ＴEC2が、ブロック１２６で示されるように、方程式２を用いて再計算される。判断ブロック１２８で、再計算されたトルク値ＴEC2は限界値Ｌ2と比較される。再計算されたトルク値ＴEC2がＬ2より小さいあるいはＬ2に等しい場合には、Ｌ2に設定されたＴEC1及び再計算されたトルク値ＴEC2は、ブロック１３０で示されるように、トルク目標値として電気機械コントローラ７２及び７４に対して出力される。再計算されたトルク値ＴEC2が限界値Ｌ2を越える場合には、ブロック１３２に示されるように、トルク値ＴEC2は限界値Ｌ2に設定される。トルク値ＴEC1は次いで、ブロック１３４に示されるように、方程式２を用いて再計算され、また、この再計算されたトルク値ＴEC1及び限界値Ｌ2に設定されたトルク値ＴEC2は、トルク目標値としてコントローラ７２及び７４に対して出力される。
【００１３】判断ブロック１２２に戻る。初期トルク値ＴEC1が限界値Ｌ1より小さいあるいは限界値Ｌ1に等しい場合には、判断ブロック１３６に示されるように、初期トルク値ＴEC2は限界値Ｌ2と比較される。初期トルク値ＴEC2が限界値Ｌ2より小さいあるいは限界値Ｌ2に等しい場合には、初期トルク値ＴEC1及びＴEC2がトルク目標値としてコントローラ７２及び７４に出力される。初期トルク値ＴEC2が限界値Ｌ2を越える場合には、トルク値ＴEC2は、ブロック１３８に示されるように、限界値Ｌ2に設定される。次いで、ブロック１４０に示されるように、トルク値ＴEC1が方程式２を使用して再計算され、次いで、この再計算されたトルク値ＴEC1及び限界値Ｌ2に設定されたトルク値ＴEC2がトルク目標値としてコントローラ７２及び７４に対して出力される。
【００１４】（産業上の利用可能性）ここで開示し、説明した電気機械式トランスミッション１０及び制御方法は、それだけに限定するものではないが、ホイールローダもしくは履帯式トラクタの類の、円滑で効率的な動的運転が必要とされる広範囲な機械での使用に対して有用性を有する。本発明の他の態様、目的及び長所は、図面、説明及び添付する請求範囲を検討することで得ることができる。
【出願人】 【識別番号】３９１０２０１９３
【氏名又は名称】キャタピラー インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願日】 平成１３年３月２１日（２００１．３．２１）
【代理人】 【識別番号】１０００５９９５９
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 稔 （外９名）
【公開番号】 特開２００１−３２７００５（Ｐ２００１−３２７００５Ａ）
【公開日】 平成１３年１１月２２日（２００１．１１．２２）
【出願番号】 特願２００１−８０５５３（Ｐ２００１−８０５５３）