专利名称：超速限制能自动适应的牵引车辆的电力驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明总的说来涉及牵引车辆的电力驱动系统，更具体地说，涉及一种自动调节最大容许驱动速度使车辆以最佳工作状态运行的方法和设备。
牵引车辆(例如大型载货卡车)的电力驱动系统一般有一个由原动机驱动的发电装置，用以供电给一对在传动上分别连接到牵引车辆两端的一对车轮的高马力牵引电动机。原动机通常是一台柴油发动机，牵引电动机则通常是可调速可反转的直流电动机。车辆司机操纵控速踏板和前进后退选择开关来控制车速和行车方向，即前进或后退。该控速踏板适宜控制确定发电装置的功率输出因而改变加到牵引电动机上电压的大小的发动机转速(转/分钟)。
要使行驶中的车辆减速时，可以放开控速踏板，使车辆滑行，或驱动其机械制动闸或电动减速系统。在电动减速运行状态时(有时也叫电动或动力制动)，电动机作为发电机工作，各电动机电枢绕组两端产生的电压，其大小与电动机的转速和磁场激励电流成正比。各电动机电枢两端连接有动力制动用的电阻栅，其目的是消耗掉电动减速过程中电动机输出的电能。各电阻栅中电流的平均值是衡量有关电动机减速力的尺度。
对这类车通常总是要规定其容许的最大驱动速度的。通常的作法是预置驱动系统各控制器的超速限制。速度限制的选择受到若干因素影响，它不能高于车辆沿车道行驶进入任何下坡坡度时的最高安全速度。进入下坡的最高安全速度是在电动减速起作用的情况下在下坡坡度下所能维持的最高恒速。若实际进入下坡的速度高于该最大值，则牵引电动机可加以利用的动态减速力就可能不足以阻止车辆加速(“失控”状态)。直流牵引电动机的最大减速能力主要取决于电动机的换向极限。超过换向极限就会出现电弧或火花，使电动机的换向器和电刷损坏。换向极限是电枢电流值与电枢速度的乘积的函数。处于高速时，为防止这种起弧，必须使电流保持在较低值，这样就可以降低动态减速所需要的力。若现有的减速力不足以使车辆慢下来，则可使用运行制动器。但速度超过每小时五英里时就不要使用运行制动器，因为在这个速度下运行制动器磨损快，这是人们所不希望的。
使牵引车辆慢下来所需用的减速力是车辆的重量(包括它所载的任何有效负荷在内)和车辆正在行驶的坡道的坡度的函数。直流电动机中的动态减速力实质上等于电枢电流与磁场磁通量的乘积。若为了产生足以使满载的车辆慢下来的减速力而将电枢电流调高，则为避免换向器和电刷起弧，车速必须非常低。
原先为确保运输车辆安全行驶而不致冒损坏牵引电动机的风险所作的努力已限制了按可能的最坏情况规定的最大驱动速度，即超速限制是按汽车在正常工作情况下预期能遇到的最陡的下坡坡度和最大有效负荷设定的。在某些场合下，车辆驾驶室中设有手动开关，以便司机可以手动选择车辆负载或空载时的超速限制。手动系统通常是不能令人满意的，因为它们易发生人为失误和被遗忘的问题。将超速设定值限定在最坏情况妨碍了汽车在其空载或在平坦的车道上行驶时本来最好能采用或容许的较高速度下行车，从而降低了汽车的作业效率。
本发明总的目的是提供电力驱动牵引车辆中无需依赖于司机作出的决定就可以设定超速限制并通过自适应调节该超速限制适应车辆的重量变化和/或汽车行驶所沿车道的坡度变化使汽车的作业效率达到最佳状态的一种经改进的方法和系统。
本发明的一个更明确的目的是提供一种车辆超速限制的自动选择装置，用以在电力驱动的牵引车辆中自动选择牵引车辆在空载时比其在重载时高的超速限制。
本发明另一个更明确的目的是提供一种车辆超速限制的自动选择装置，用以在电力驱动的牵引车辆中自动选择车辆在车道的平坦部分行驱时比牵引车在趋近下坡部分时高的超速限制。
本发明适用于沿路面坡度变化很大、路旁附近分别设有一系列路标的车道运输载荷的轮式车辆的电力驱动系统。车上设有载荷检测装置，用以提供随载重量而变化的重量反馈值。此外还配备有通信装置，适宜接收车辆依次趋近路旁的路标时来自各路标的编码信号，来自各路标的该信号表示车辆所趋近的新坡道的坡度。驱动系统包括多个可调速的牵引电动机和一可控电源，牵引电动机在传动上与车辆各车轮机械耦合，工作时交替处于驱动状态和电力减速状态，可控电源的输出端在励磁时与各电动机电耦合。
牵引电动机连接有适当的速度反馈值获取装置，用以获取表示实际车速的速度反馈值。驱动系统还包括速度参考值供应装置和电动机去激励兼工作状态转换装置，该速度参考值确定驱动状态下的最高车速，电动机去激励兼工作状态转换装置则根据速度反馈值与参考值之间的关系对各牵引电动机进行去激励，且当实际车速比所述最高速度大时，根据这种情况将工作状态从驱动状态转换到减速状态。本发明的一种形式包括这样一个装置，该装置既连接到负荷检测装置，也连接到车上的通信装置，且可以有效地根据所收到的编码信号自动调节上述速度参考值，从而使最高驱动速度与重量反馈值和车辆正在趋近的任何新下坡路的坡度成反比。在实际应用中，最高速度会按需要予以降低或提高，使车辆能以尽量接近特定载荷和坡度下的最高安全速度进入各新的坡道，从而达到最佳的作业效率。
为了更好地理解本发明的内容，可以参看下面结合附图所作的详细说明。附图中
图1是电力牵引车辆双电动机电力驱动系统一个实例的功能方框图;
图2是图1中以一个方框示出的功率控制器的部分原理和部分方框图;
图3的曲线示出了电动机电压随车速在图2功率控制器的速度超控功能起作用时的提高而下降的情况;
图4例示了具有采用本发明的载荷和坡度响应特性的驱动控制系统的牵引车辆;
图5和6是本发明一个实施例的简化电路图，其中驱动控制系统自动区别车辆负载和空载的情况;
图7是一个部分原理和部分方框图，示出了如何应用本发明在电力减速过程中改变速度参考信号(W＊)的情况;
图8是驱动控制系统一个实施例的简化框图，其将微计算机加以编程来履行本发明的功能;
图9是图8的微计算机可编程得使其实施本发明“故障防护”特性的情况。
图1所示的现有技术电力驱动系统在实际应用中是安置在象大型越野运输卡车之类的自驱动牵引车辆上的。由司机控制的油门，例如脚踏板(图中未示出)适宜控制原动机11的转速(转/分)，原动机可以是柴油发动机。柴油发动机的输出轴12在驱动过程中系耦合到交流发电机13(这里称之为交流发电机)的转子上，该转子具有一套三相主绕组(图中未示出)、一对辅助(三次)绕组14和15以及磁场绕组16。交流发电机13的主绕组所产生的通常是正弦波的三相交流电压借助于不受控制的全波整流电桥17变换成直流电压。原动机驱动的交流发电机用作一对可调速直流牵引电动机M1和M2的可控激励源，这两台电动机各自的电枢绕组经由接触器P和线路18、19和20彼此串联连接在整流电桥17的各输出端子之间。电动机M1和M2分别具有独立励磁的磁场绕组F1和F2。这些电动机的转子在传动上分别通过适当的减速齿轮装置耦合到牵引车两侧分立的车轮(图1中未示出)上。适当控制原动机11的转速以及交流发电机和电动机磁场的励磁，牵引车辆的电动机就能在前进或后退的方向上驱动(也叫做“电动回转”)车辆或使其动力减速(也叫做“电力减速”)。
在电动回转操作的过程中，电动机M1和M2各自的转速取决于其磁场绕组F1、F2中的励磁电流的大小，和加到其各电枢绕组上电压的大小。后者的大小是交流发电机13驱动转速和交流发电机磁场绕组16励磁电流大小的函数。交流发电机磁场励磁电流由交流发电机13的辅助绕组14经由单相全波“相控”整流电桥22而供应。该励磁电流的大小取决于周期激发信号的时间分配，这种信号是从连接到有关动率控制装置27的输出线路26的一般选通脉冲发生器25经由线路23和24供到整流器22的。
功率控制装置27接收表示整流电桥17输出端的电压VM的第一输入信号、表示电动机M1和M2的电枢绕组中的电流的第二输入信号IA、(来自端子21)随发动机11的转速变化的第三输入信号和其它图1中所示的输入。在电动回转工作状态下，该控制装置能在线路26上有效地产生其值通常表示与VM和IA的乘积成正比的功率反馈信号与按发动机转速的函数而变化的负载参考信号之间的任何量值误差的输出信号。在VM、IA或电动机转速较高时，正比于这些参数中的一个适当参数的超控反馈信号代替功率所馈信号;在动力减速工作状态期间，预选的恒定参考信号代替上述负载参考信号。线路26上的输出信号控制选通脉冲发生器25的工作，从而确定磁场绕组16中电流的大小。于是就可按所希望的形式调节交流发电机的磁场励磁。
图2以简化的形式示出了上述功率控制装置27的某些部分，包括加法装置62，在其中进行着从线路64上的负载参考值减去最大正值选择器63的极限值输出的运算。相加值之间的差值按需要由补偿装置65加以修正，并作为误差信号输入到交流发电机的磁场调节器中。若最大极限值小于线路64上的负载参考值，则后一个调节(图中未示出)按需要增加主交流发电机13的电气输出，以使得出的差值减至最小。在电动回转工作状态期间，线路64由双稳开关装置66连接到负载参考值发生器67，此发生器又连接到端子21，从而使参考值这时由发动机的转速确定，而在动力减速期间，该线路则交替地由开关装置66连接到预选恒值K1的源68上。最大值选择器63有四个输入信号电压极限值V;电流极限值I;功率极限值HP;和电动机速度超控极限值MSO。这些输入信号中的头三个是从表示增益电路和一般补偿电路的方框69获得的，它们分别由VM、IA及两者的乘积所确定。
最大值选择器63接收其来自加法装置70的第四个极限值MSO，加法装置70的第一和第二输入分别表示电动机的实际转速以及给定转速“B”，后者是由MSO高得足以影响由加法装置62所得出的误差信号的期望最低转速所确定的。因此MSO包含此两输入值的代数和。第一输入值正比于线路41上的电动机转速反馈信号值W＞。加法装置70经由表示所期望的增益的装置71和只在电动回转工作状态下闭合的开关72耦合到线路41上。第二输入值是加法装置70从第一输入值减去的值，它对应于给定转速B，是从适当装置73获得的，以在线路74上提供对应于另一给定转速“A”(通常叫做超速给定值，即电动机能使车辆及其驱动系统的组成部分安全运行的最高驱动速度)可调节的参考值之用。线路74上的可调值经由相加点75馈到加法装置70的第二输入端上，相加点75实际上将此值减小偏置电路76所确定的较小恒定值。一般偏压值系选取得使B大致上比A低每小时2英里，较高的增益71则选取得使电动机转速每当从上述最低转速提高到速度超控给定值时，速度超控极限MSO会升高得足以使来自加法装置62的误差信号即使线路64上的负载参考值处在由发动机转速所确定的参考值范围的高端也会减少到零。这一点即用曲线在图3中表示出来，其中可以看到，当电动机的转速从几乎等于给定转速B(例如18英里/小时)的最低转速增加到超速给定值A(例如20英里/小时)时，交流发电机经整流的输出电压VM向下倾斜，从每单位一伏减少到零。在后一个转速(A)下，没有电压加到牵引电动机M1和M2的电枢绕组上，于是牵引车辆外于滑行状态。
如图2所示，实际电动机转速在一般的双稳态比较器77中与超速给定值A进行比较，比较器77的输出状态由加到其各输入端的值之间的关系确定。每当电动机转速大于A(即当W＞升高到A以上，或A下降到W＞以下)时，该比较器工作，使其输出端从低或“0”状态变为高或“1”状态。比较器77的输出端作为“与”逻辑功能元件78两个输入端的一个输入端连接到“与”逻辑功能元件78上，“与”逻辑功能元件78的第二输入端由另一双稳态比较器79供应。后一个比较器用以确定交流发电机磁场16中励磁电流的大小是否小于较低的阈值电平。该比较器将交流发电机磁场电流值检测装置(图中未示出)所提供的可变反馈值IAF与对应于上述阈值电平的恒定值K2进行比较。若IAF小于K2，比较器79的输出就处于高或“1”状态，否则输出处于低或“0”状态。“与”逻辑功能元件78只有当其两个输入都同时处于高态时，其输出才处于“高”或“1”态。该输出端经由“或”逻辑功能元件81耦合到开关驱动装置82输入端;开关驱动装置82取适当的结构，且为使预选择开关和接触器闭合或打开而设，这视乎输入信号从0变到1抑或从1变到0而定。更具体地说，装置82会通过将接触器P驱动到其打开位置，从而将两电动机电枢绕组与交流发电机13断开(注这时由于IAF＜K2，因而速度超控极限值MSO事先就向下倾斜，所以这时VM＝0)，通过将一对接触器57和58驱动到其闭合位置，从而使工作状态转入动力减速状态(这稍后即将详述)，并通过将两开关66和72从其图2所示的“电动回转状态”的位置驱动到其另一些位置，而响应其输入端从0到1的过渡过程。基于稍后即将谈到的理由，功率控制装置27和单独的减速指令装置55由两线路52和85互连起来。线路85经由表示一般放大和隔离装置的方框83连接到“与”逻辑功能元件78的输出端，线路52则连接到“或”逻辑功能元件81的“非”输入端，从而开关驱动装置82的上述动作会在线路52上收到来自装置55的趋零减速指令时发生。
现在再回头看图1，图中所示的驱动系统包括电动机磁场控制装置，用以在连接到一般选通脉冲发生器29的输出线路28上产生独立可调的控制信号。该发生器给另一个连接在交流发电机13的辅助绕组15与电动机M1和M2的磁场绕组F1和F2之间的单相全波相控整流电桥30提供周期性的激发信号。两电动机磁场绕组彼此串联，经由线路32和33以及极性转换开关31连接到整流器30的直流电压输出端。于是辅助绕组15、整流器30和有关的选通脉冲发生器29构成电动机磁场绕组F1和F2的激磁电流可分开加以控制的激磁电流源。该电流的平均值可以调节，其在电动机磁场中的方向则取决于倒转开关31的位置。开关31处在实线的位置时，电流从左至右通过磁场绕组F2和F1，如图1中所示，于是电动机顺时针方向转动。另一方面，开关31处于虚线位置时，电流从右至左通过磁场绕组，于是电动机反转即逆时针方向转动。
串联连接的磁场绕组F1和F2中的激磁电流其平均值取决于在电动机磁场控制装置的输出线路28上供到选通脉冲发生器29的控制信号的值。电动机磁场控制装置分别接收在七条不同线路36、38、40、41、50、52和54上的输入信号。线路36上的输入是其值随电动机磁场绕组F1和F2中激磁电流平均绝对值(IF)而变化的场电流信号。为获取该信号，线路36经由适当装置37耦合到线路33中的一般电流变换器上，以便将电流变换器的双极性输出变换成线路36上表示IF的单极性电压信号。更详细地说，线路36上相对于预定参考电位(例如地)测出的电位，其大小正比于流经线路33中的电流值，其极性则无论变换器输出信号相对于地来说是正还是负都没有变化。
第二输入线路38上的信号，其值随电动机电枢电流平均值而变化。为获取此信号，将线路38经由较高值选择器39耦合到一对分别位于线路20至电动机M1和M2连接线上的电流变换器上。这些变换器监测着驱动车辆的第一和第二车轮的这对牵引电动机M1和M2的电枢绕组中电流，而且获取分别表示这些电流的平均值的反馈信号。因此线路38上的信号IA实际上表示两电动机电枢电流的较高平均值。
第三和第四线路40和41上的信号是分别表示转速较低电动机和转速较高电动机实际转速的转速反馈信号。这些信号由转速逻辑装置42提供，转速逻辑装置42又经由线路43和44耦合到一对分别与两电动机M1和M2的转子有关的一般转速传感器45和46上。转速传感器45的输出是其值随电动机M1转子的角速度变化的信号W1，转速传感器46的输出是其值随电动机M2转子的角速度变化的信号W2。鉴于各电动机转子在传动上是用机械方法耦合到车辆的车轮，因而这些信号也分别表示第一和第二从动车轮的转速。各信号W1和W2最好实际上是一系列振幅和持续时间恒定但其可调频率正比于有关车轮的转速的离散脉冲，该转速可用单位时间的转数或车轮轮胎圆周上的线速度(例如英里/小时)表示。显然，线路41上转速较高的电动机反馈信号W＞的值通常表示车辆的实际速度。
第五条输入线路50出自方框51，方框51表示提供转速参考信号W＊要求值的适当装置，这稍后即将更详细地说明。接至电动机磁场控制装置的第六条和第七条输入线路52和54出自减速指令装置55，减速指令装置55在想要使车辆动力减速(电动减速)时在线路52上产生预定的指令信号，并在线路54上提供其值取决于车辆司机所要求的动力减速的程度的减速信号。在电动回转期间，线路52上的信号最好处于高态或“1”，要控制减速时将其转变为低态或“0”。指令信号是因下列两种情况之一发生时产生的(即线路52上有一个1至0的过渡过过程);一种情况是司机踩压车辆的减速脚板(图中未示出)，另一种情况是电动机转速超过超速给定值A，比较器77使线路85上产生0至1的过渡过程(见图2)时。根据这种情况，电动机磁场控制器会从电动回转工作状态转换到减速工作状态。在电动回转工作状态下，线路28上控制信号的值表示IF与按IA的预定函数变化的参考值之间的任何差值或误差。在减速工作状态下，控制信号值表示IF与减速参考值之间的任何误差，该减速参考值系在IA和实际电动机转速的预定函数的范围内，通常由线路54上的减速信号确定。同时，一般驱动装置(图1中未示出)使这对接触器57和58同时闭合，从而将第一制动电阻栅59连接在线路18和20之间，同时将第二制动电阻栅60连接在线路19和20之间。这些电阻栅是用以消耗动力减速工作状态期间作为发电机的各电动机M1和M2的电能输出。各电动机所施加的减速转矩的大小是IA值与IF值的函数。在此工作状态下，IA随电动机电枢绕组两端产生的电压而变化，所产生电压的大小又正比于电动机的转速和磁场励磁。电动机磁场绕组中励磁电流的大小取决于电动机磁场控制装置输出线路28上的控制信号的值;它会按需要增加或减少，以便使IF与减速参考值之间的任何误减差减少到零。
电动机磁场控制装置是经过适当安排，使其可以履行1985年元月22日颁发给布莱克(Black)和麦克尔哈尼(McElhenny)且转让给本发明的受让人的美国专利4，495，449中所公开和要求加以保护的自动减速调节方法，本说明书也将该专利的公开内容包括进去以供参考。按照布莱克等人的专利，该减速调节器包括一比较装置，用以将表示较低电动机转速的反馈信号与手动设定的转速参考信号W＊进行比较，该参考信号的大小对应于电动机需要进行减速调节的转速。这种特点使车辆可以在减速工作方式下以预置受控的速度在下坡路上行驶，但当司机要求增加减速作用而使线路54上较高的减速信号超控于减速调节作用时则例外。布莱克等人也教导如何在必要时将系统设计得使其自动根据超过信号W＊所确定的预定转速的较高电动机转速W＞在线路52上产生减速指令信号。
按照本发明，超速给定值A是按车辆的重量和车辆所趋近的任何新的坡道的坡度的函数而变化的。更详细地说，超速给定值是自动调节到使车辆以对于给定负载和坡度的最大安全速度或接近该速度的速度趋近或进入下坡道。
图4示出了采用上述驱动系统且适于沿车道以通常由操作即驾驶车辆的司机确定的可变速度运输载荷的轮式车辆。该车辆配备有响应其所要运输的载荷重量的重量检测装置86和获取有关车辆所趋近的坡道的变化的信息的微波收发装置87。重量传感器86和微波收发装置87各自的输出都耦合到装在驱动控制器中且最好包括一微计算机的适当数据处理装置84上。重量传感器86可以设计得使其只区别车辆空载和重载的情况或指示实际载重量。在最佳实施例中，坡度信息是从一系列包括无源发射机或本领域的技术人员所周知的那种“标记”的路旁路标，该发射机分别设在车道坡度变化较大的车道地带附近。图4中示意表示了这种发射机88。发射机88会根据收自驶近的车辆上的收发装置87的驱动信号给该收发装置发回或反射回表示下一段路面的百分率坡度的编码波。发射波与反射波之间消逝的时间提供了表示车辆至发射机的距离的“测距”信息。(发射机座另一侧可能包括另一个发射机，供响应来自反向行驶的车辆的信号，以表示不同的坡度。)图5是本发明用以区别装载和空载车辆的一个实施例的简化电路图。该实施例的重量检测装置(见图4中的编号86)包括本技术领域周知的那种液压敏感开关90，该开关最好装在车辆倾卸车身的悬挂系统中，使其在车辆的倾卸车身装有重载荷时受压。开关90产生车辆空载时为高(例如较正的电压)车辆满载时为低(例如处于地电位)的电输出信号。该信号通过阻容滤波器92、94和电压击穿装置(图中以齐纳二极管96表示)耦合到NPN晶体管开关98的基极端子上。
晶体管开关98包括一接地的发射极端子和一经由线路99和电阻器100连接到较正的控制电源端子(图5中以带圈的十号表示)的集电极端子。只要车辆满载，晶体管98就截止(即不导通)，于是线路99上的电压的极性为正，且其值高。但当车辆的倾卸车身空载时，压力开关90往晶体管98的基极上加正电压信号，于是晶体管98被偏置到接通即导通状态，这时线路99上的电压就减小到几乎等于地电位。
线路99通过电阻器102和二极管104连接到PNP晶体管开关106的基极上。晶体管106的发射极端子通过电阻器108连接到其基极上，而且还直接连接到控制电源的正极端子上。晶体管106的集电极端子通过可变电阻110连接到输出端子111。第二变阻器112在电源正极十与输出端子111之间提供与晶体管106并联的电流通路。应该指出的是，并联通路的总电阻是晶体管106是否导通的函数。只要晶体管开关98处于不导通状态，线路99上的高正电压就能有效地将晶体管106的发射极-基极结反向偏置，从而使晶体管106也处在断开即不导通状态。这时电源正极十与输出端子111之间的电阻值只由可变电阻器112的设定值确定。但若牵引车空载从而使晶体管98接通，则线路99上的电压就下降到大致上接近地电位，因而将晶体管106偏置到其导通状态，从而使电源正极十与输出端子111之间电路的总电阻会减少由并联可变电阻器110滑触头的设定值所确定的值。这样，该电路就自动区别开车辆装载和空载的情况。这种电路用在装置73(图2)中调节超速给定值A。将可变电阻器112的滑触头调定得使A达到重型车辆满载运输时应有的大小，且将可变电阻器110的滑触头调定得使A根据车辆的空载情况增加到所希望的较高电平。前面已经谈过，牵引车辆空载时，电动机的最高安全转速比牵引车载重时的大，而工作效率是通过上述超速给定值的自动变化而改进的。
在改变上述超带给定值A的同时，还需要相应地改变电动机速度超控值MSO开始使交流发电机经整流的电压VM向下朝零倾斜的最低转速(B)。在图2中，这个结果是通过在相加点75从A减去预定偏压值得出的。图6示出了达到同一结果的另一种装置。图6中，图5的线路99分别经由电阻器118和120以及二极管122和124连接到NPN晶体管开关114和PNP晶体管开关116的基极端子上。晶体管114与另一PNP晶体管开关130级联连接。晶体管114的集电极端子与晶体管130的基极通过负载电阻器126和二极管128互连，晶体管114的发射极端子接地;晶体管130的发射极端子通过电阻器132连接到自己的基极，并还直接连接到控制电源正极端子上。晶体管116的发射极端子通过电阻器134连接到自己的基极，而且还直接连接到控制电源的正极端子上。晶体管116和130的集电极端子分别通过电位器136和138接地。这些电位器136、138的可动滑触头分别经由二极管140和142以共用电阻器146接地，电阻器146极性较正的电压设有一个输出端子144。在本发明的这个实施例中，输出端子144处的电压值用以确定加到加法装置70(图2)的所述第二输入值，该值对应于速度超控值MSO会变正且开始控制功率控制装置27的输出的转速B。
现在说明图6电路的工作情况。每当车辆满载时，线路99上总有高的正电压。这个电压能有效地将PNP晶体管116的发射极-基极结反向偏置，从而使PNP晶体管116进入截止即不导通状态。同样的电压将NPN晶体管114的基极-发射极结正向偏置，从而使PNP晶体管114接通。流经晶体管114的电流将成对的晶体管130的发射极-基极结正向偏置，从而使晶体管130也导通。总的说来，当车辆负载时，晶体管116截止，晶体管130导通。于是/电位器136不通电，电位器138通电，输出端子144处的电压值取决于后一个电位器滑触头的位置。在本发明的实际应用中，该电压系选取得使给定速度B大致上比超速给定值A的满载值小2英里/小时。
另一方面，若车辆的倾卸车身空载时，线路99上的电压会减小到实质上接近地电位的程度。这时各晶体管开关的其导通状态倒转;晶体管116的发射极-基极结正向偏置，于是此晶体管导通，同时级联连接的两个晶体管114和130都反向偏置，从而截止。结果，电位器136通电，电位器138不通电，于是输出端子144处的电压值取决前一个电位器滑触头的位置。一般说来，电位器136的滑触头调定得使其电平高于电位器138的滑触头，从而使输出电压，因而给定速度B，可根据车辆的空载情况按需要加以提高。
此外最好也使速度参考信号W＊跟踪与车辆重量有关的超速设定值A。前面已经谈过，W＊是当各牵引电动机在此工作状态下工作时用以设定布莱克等人的自动减速调节器所能保持的电动机转速。图7示出了改进现有技述速度参考信号提供装置51(图1)使W＊跟踪A的装置。图7中，方框148表示布莱克等人所提出的手动选择W＊值的适当装置。此装置的输出值给一般的低值选择器149提供其两个输入中的一个输入，选择器149的另一个输入为速度值“C”。适当装置150是为从线路74上可调节的超速设定值A(图2)获取后一个值而设的，因而C是小于A的期望常数值。另一方面，装置150也可以不连接到线路74上而接到线路99(图5)上，且配置得使速度值C在车辆满载时等于第一预定值，在牵引车空载时等于不相同的更高预定值。
无论在哪一种情况下，选择器149会选取其两个输入值中较低的一个作为速度参考信号W＊。后一信号经由手动开关151、双稳态开关装置152和线路50馈到电动机磁场控制器(图1)上。各开关151和152具有与图7所示的不同的另一位置。当车辆司机用手使开关151处于其另一位置或踩压使开关152驱动到其另一位置的油门踏板时，线路50会与选择器149断开，而连接到控制电源正极端子+上，从而使W＊上升到高正值。不然，除非选值装置148的输出已调定得小于C，W＊就等于C。速度值C取决于车辆的重量，其值在车辆空载时比满载时的高。较高速度值会使车辆在自动减速调节起作用的情况下在空载时比在负载时快的最高安全速度下行车。
在本发明的本最佳实施例中(示于图8)，超速设定值A是按车辆的重量和车辆所趋近的任何新坡道的坡度的函数变化的。在此情况下，重量检测装置(见图4中的编号86)包括负载传感器153，传感器装在车辆的倾卸车身的悬挂系统中，且适当设计得使其提供其值随倾卸车身中的载重量而变化的电输出信号。该输出信号在放大器154经过放大，放大器154的输出则经由普通的模/数转换器155耦合到装在车辆上的微计算机156的一个输入端口上。这样，该微计算机从传感器153接收随车辆载重量而变化的重量反馈值。
微计算机156相当于图4中所示的数据处理装置84。如图8中的示意图所示，与微计算机有联系的适当装置157将某些预定的参数加以输入。这些参数与特定车辆的已知特性(例如，轮胎的大小、传动比、空车重量、电动减速过程中减速力随速度的特性变化)有关，且与车辆的具体使用环境有关(例如最高速度限制)。预定的各参数，连同至少一个预定的查阅表(下面即将谈到)一起，系贮存在微计算机的存储器158中。微计算机系编程得使其计算车辆的实际总重量(GVW)，计算的方法是将载重量(用来自负载传感器153的重量反馈值表示)加上贮存在存储器158的空车重量。
上面已经指出，图4中所示的车辆配备有与外部发射机通信、提供有关车辆即将行驶过的下一个主要坡道的变化的信息的收发装置87。图8中示出了一个这种发射机88。这种发射机是沿车道边上距坡度变化处预定距离“D”处安置的。发射机88受到不断由收发装置87以预定频率发送的微波信号的询问。车辆一旦进入发射机的视野范围(例如与垂直方向上成±22.5度)内，且驶近到与发射机靠近得足以使其处在通信范围内(例如最大约为150英尺)时，询问信号中就有足够的能量使发射机能给收发装置发回表示新坡道的坡度百分率(“%”)经适当编码的反射信号。(必要时也可以对反射信号进行编码以表示距离D。)发送微波与收到反射波两者之间所经历的时间可以衡量在车辆上的收发装置与反射微波的物体之间的间隔或距离“X”，该物体可以是表示坡度的发射机或安置在附近的另一个路旁路标。所有这些数据都使其通过译码器160，然后输送到编程得使其按下述的方式处理该数据的微计算机156中。若X小于预定的最小距离(例如10英尺)，则车辆可能距发射机88太近，以致不能确保来自收发装置87的距离信息的精确性和可靠性，而为使人注意到此事件，微计算机中的最小距离功能元件162驱动警报器164。一经驱动，警报器164会保持被驱动状态，起码历时预定的短时间。
微计算机156利用表示新坡道的坡度(%)和车辆总重量(GVW)的数据修正车辆驱动系统的超速设定值A，从而使牵引车辆进入新坡道时的最高安全速度选定最佳值。这最好是通过往存储器158中存入一个查阅表，该查阅表包含对应于所期望的各种坡度(%)与车辆总重量(GVW)的组合的A值的预定值地址。下坡道的坡度越小，期望设定值A的值越大。车辆的载重量越小，期望设定值A的值越大。对各不同的坡度(%)与车辆总重量(GVW)的离散值(或离散范围内的各值)的组合，微计算机就可以在该查阅表中查到指定的地址，并自动将存储在该地址的值传输到相应调节设定值A用的适当装置166中。这样，微计算机就能有效地确定与牵引车的总重和牵引车所趋近的任何新坡道的坡度成反比的最高驱动速度。
无论如何调节超速设定值A，最低速度B就有相应的变化，上述超速性能就在最低速度B变化的情况下起作用。这可以通过赋予装置166跟踪功能或在存储器158中设另一个含有坡度(%)与车辆总重量(GVW)不同组合方式的B的希望值的地址的查阅表来完成。车辆驱动系统的动力控制装置27(见图1和2)按下列方式自动响应A和B的任何降低若B的新设定值小于实际速度W＞，则电动机速度超控极限MSO就能有效地降低交流发电机磁场的励磁和电压VM;若超速设定值A的新值小于W＞，则超速性能一旦将VM降低到基本上等于0(如交流发电机磁场电流下降到低阈值〔K2〕所示的那样)时，比较器77和79就起作用，启动开关驱动装置82。接触器P就即刻和自动地响应后一事件使线路19脱离整流电桥17，从而使各牵引电动机完全断电。同时，接触器57、58闭合，将动力制动电阻栅59、60跨接在电动机电枢绕组两端，减速指令装置55经由线路85启动，且负载参考值线路64连接到恒定值源68，从而将工作状态从驱动转换到电力减速状态，如前面已谈过的那样。这时各牵引电动机施加最大的减速作用力，于是车辆减速，直到W＞不再超过A的新值为止。
微计算机156最好这样加以编程，使得当车辆以高于其所趋近的下坡路的特定坡度的最高安全速度的速度趋近下坡路时，车辆一旦距该坡道的边缘某一适当距离“Y”，其超速设定值A就改变到低值，从而使车辆能在实际达到该坡度变化之前减速到新的超速限制。换句话说，A是在坡度发生变化之前某一足以使动力减速动作使牵引车减慢到沿下坡路下行的安全速度的距离而减小的。该减小过程可以一步完成，也可以一系列两个或两个以上较小的减速档完成。无论在两者的哪一种情况下，车辆的实际速度和重量以及新的超速设定值都是已知的，因而坡度变化处与趋近的牵引车之间的实际距离可以通过将所测出的测程距离X加到发射机88至坡度变化处的距离D计算出来(若D对沿车道的所有坡度变化处相当恒定则可以存储在计算机存储器158中;不然也可将其在来自各路旁发射机的反射信号中特别加以编码)。根据这个数据，微计算机确定超速设定值A应加以减小处的距离Y，把使交流发电机的电压VM降到零的所有步骤所需的固有时延(例如大约1秒)也考虑进去，使接触器P断开，并在一开始进行这些步骤时使接触器57和58闭合。只有当实际距离等于或小于Y时，设定值调节装置166才被启动。
为进一小说明本发明的内容，现在举一个如何确定距离Y的实例。在该实例中，下列各参数是预先设定的或者是可以求出的车辆倾卸车身的载重量480，000磅;
车辆总重量GVW＝830，000磅;M＝GVW/g＝25，776磅-秒2/英尺;
车辆在平坦车道上的行驶速度30英里/小时;
所趋近的下坡路坡度8%;
车辆在8%坡度的向前作用力＝66，400磅(＝0.08GVW);
在8%坡度上下行时动力减速动作所能保持的最高恒速＝18.6英里/小时(这可从该特定车辆电动减速特性的减速力对速度的关系曲线上减速力等于向前作用力的一点上求出);
在该GVW和坡度下的最大安全速度小于18.6英里/小时;
因而超速设定值查阅表中载有其值对应于16英里/小时的地址;
30英里/小时下的减速力“F1”＝27，000磅(根据曲线);
16英里/小时下的减速力“F2”＝86，000磅(根据曲线)。
根据这些数据，微计算机156估算牵引车在电动减速状态下以最大的减速力从30英里/小时减速到16英里/小时所需的时间，以及在该时间内所行驶过的距离。下面的数段内容概述估算后一个距离的一般过程。
车辆从其现行30英里/小时的速度减速到16英里/小时的新速度时的平均速度为(30+16)÷2＝23英里/小时，或33.7英尺/秒。应用周知的F(力)等于M(质量)乘上加速度的公式计算出初始减速度＝F1/M＝1.05英尺/秒2，最终减速度＝F2/M＝3.33A英尺/秒2，并求出其平均值。在2.19英尺/秒2的平均减速度下，车辆会在等于两速度(30英里/小时和16英里/小时)差除以平均减速度所得到的时间t即9.36秒内从30英里/小时(即44英尺/秒)减速到16英里/小时(即23.5英尺/秒)。在该时间内所行驶过的距离等于时间t与平均速度33.7英尺/秒的乘积，即315英尺。车辆在需要开始电动减速所需的1秒时间内以30英里/小时的速度所行驶过的距离为44英尺。因此取Y设定为360英尺以上。在此实例中，可以将发射机安置在距坡度变化处250英尺的地方，且可以启动设定值调节装置166，以便在每当路旁发射机与趋近的牵引车之间的实际距离X减少到110英尺时，将超速设定值减小到16英里/小时。
若微波收发装置的最大通信距离大得足以能够进行通信的程度，则可以通过将微计算机编程得使Y大得足以使车辆在到达路旁发射机的位置之前达到新的较低的最高安全速度，且从而可以在最小距离警报器164处于启动状态，实际速度超过新的最大速度时警告车辆司机使用减速脚踏板来提供安全系数。在发出这种警告的情况下，当车辆在驶过从发射机至下坡道边缘的距离D时，还有时间进一步减速。作为本发明的另一种方案，D是随新坡道的坡度而变化的，因而坡道越陡，牵引车进入该坡道之前可用以进行减速的距离越大。
路旁发射机不仅安置在车道坡度变化大的地方附近，而且也安置在十字路口附近。当快速行驶的牵引车辆来到十字路口发射机的通信距离以内时，其超速设定值A和最低超控速度B就会按上述趋近下坡路时的方式那样自动减小，从而确保无论给进入特定道路交叉口的空载车辆规定什么样的速度限制都不会超过最高速度。得出的减速度使司机有更多的时间可以查看在旁路趋近的车辆，从而避免两辆车同时进入道路交叉口时可能发生的事故。
在本发明的另一个方面，通过这样编程微计算机156使本发明具有“自动防止故障”的特点，即根据在预定距离行驶而没有遇到来自路旁发射机的反射微波信号的车辆的情况将超速设定值A自动设定到查阅表中的最小值。图9示意示出了这个特点。实际行程是速度W＞对时间的积分，用积分装置168即可测出。车辆每当距路旁发射机相当近时，最小距离功能元件162会促使装置170使积分器168复位，从而自动将距离反馈值在该积分器的输出端重复循环使其恢复到其静态值(例如零)。当距离反馈值超过预定值K3时，比较器172就启动装置174，以选择最低超速设定值A。K3大致对应于车辆在行车中要经过的路旁先后两个发射机之间车道最长的平坦部分的长度。这个距离与用途有关，在一般铁矿中，它可能为1，500英尺，而在一般的煤矿中则可能仅为其十分之一。显然，这种自动防止故障的特点确保在路旁发射机有一个损坏或遗失的异常情况时较低的超速设定值。
上面谈到的是包括一对能驱动或使牵引车辆的车轮减速的可调速电动机的牵引车辆驱动系统。该系统包括根据速度参考值确定车辆的最高驱动速度或超速限制的设备。按照本发明，车辆上配备有重量检测装置，用以提供表示车辆载重量测定值的反馈信号，还配备有根据该信号调节速度参考值使超速限制与车辆总重量成反比的装置。其中一个形式是由装在车辆悬挂装置上的压力开关提供重量反馈信号，该信号在牵引车负载时表示第一种逻辑意义，在牵引车空载时表示第二逻辑意义。在另一个实施例中，由重量传感器提供其值随载重量而变化的反馈信号。
本发明还包括装在车辆上的发射器接收器装置，用以与路旁路标通信，从而触发车辆超速限制的某些自动变化。这些路标设置在坡度变化处附近和车道的交叉处。通信链路最好是构制和安排得可以获取经编码表示车辆所趋近的下一段车道的坡度的数据，此外还设有一个根据这些数据调节速度参考值从而使超速限制与新坡度成反比关系的装置。本发明一种最佳形式是在一微计算机中实施的，该微计算机具有存储多个用数字表示速度参考值的存储器，微计算机工作时用以选择所检测出的重量和新坡度的适当值，并在适当的时机在出现任何新的更陡的下坡路之前采用所选取的值，使车辆有足够的时间在进入新的坡道之前从现行的速度减速到新的速度限制。通过如此使超速限制适应车辆载重量的变化和车道坡度的变化，车辆就能在符合安全要求的尽可能高的速度下运行。只要车辆是空载或者是在平坦的道路上行驶，超速限制是较高的。每当车辆载重量大时，超速限制就自动下降。当需要防止牵引车辆过快地驶过道路交叉口或防止以超过该特定载荷和坡度的最高安全速度的速度进入下坡路时，超速限制也自动下降。因此，车辆的作业效率就处于最佳状态而无需冒以“失控”速度下坡的风险。车辆的速度高得使现行电动减速的减速力小于车辆往前的重力时就可能会产生失控现象。
尽管本发明是按被认为是最佳实施例而进行说明的，但并不是因此要使本发明受所公开的实施例的限制，而是应将本发明的全部精神实质和范围应包括在所附的权利要求书中。
权利要求
1.一种适宜以可变速度沿车道运输载荷的轮式牵引车经改进的电力驱动系统，该牵引车辆配备有重量检测装置，用以区别车辆负重载与车辆空载之间的载荷情况，该系统包括多个可调速的牵引电动机，在传动上与车辆上的车轮机械耦合，且工作时交替处在驱动状态和电动减速状态；速度反馈值获取装置，与各电动机有联系，用以获取表示车辆实际速度的速度反馈值；一可控电源，其输出以激励关系电耦合到各电动机上；速度参考值提供装置，用以提供确定车辆在驱动状态下的最高速度的速度参考值；和电动机去激励兼工作状态转换装置，用以根据速度反馈值和参考值之间的关系使各牵引电动机去励磁，并用以根据实际速度变得大于所述最高速度的情况将工作状态从驱动状态转换到减速状态；其改进在于，包括速度参考值自动调节装置，它连接到牵引车辆上的重量检测装置，用以自动调节所述速度参考值，从而使最高驱动速度在所述负载状态确实时低于在所述空载状态确实时的值。
2.如权利要求1的对一个具有提供随载重量而变化的重量反馈值的重量检测装置的车辆所进行的改进，其特征在于，所述参考值调节装置根据所述重量反馈值在该值减小时增加所述最高速度。
3.如权利要求2所述的改进，其特征在于，所述调节装置也根据车辆的空载重量动作，且可以有效地确定反比于车辆总重量的最高速度。
4.如权利要求2所述的改进，其特征在于，重量检测装置包括一装在牵引车悬挂装置的负载传感器，所述传感器提供其大小正比于车辆载重量的信号。
5.如权利要求1所述的经改进的驱动系统，且该系统包括电源控制装置，该控制装置包括一速度超控器件，在车辆速度超过低于所述最高速度的最低速度时促使电源减少其对处于驱动状态的所述各牵引电动机的激励，其特征在于，所述参考值调节装置能有效地将所述最低速度自动设定到使其在所述负载状态确实时低于在所述空载状态确实时的值。
6.如权利要求5所述的经改进的系统，其特征在于，所述速度超控器件会在车辆速度从所述最低速度升高到所述最高速度时促使电动机的激励降到零。
7.如权利要求5所述的对一个具有提供随载重量而变化的重量反馈值的重量检测装置的车辆所进行的改进，其特征在于，所述参考值调节装置根据所述重量反馈值在该值减小时增加所述最低速度。
8.如权利要求7所述的改进，其特征在于，所述最低速度跟踪所述最高速度。
9.如权利要求1所述具有适宜从一外来信号源接收表示一所要求的速度限制的编码的信号的通信装置的车辆，其特征在于，所述参考值调节装置能有效地根据所述通信装置收到所述编码信号的情况按需要自动改变所述参考值，以确保最高驱动速度不超过所述速度限制。
10.一个适宜以可变速度沿车道运输载荷的轮式车辆经改进的电力驱动系统，该车辆配备有适宜从一外来信号源接收表示所要求的速度限制的编码信号的通信装置，该系统包括多台可调速的牵引电动机，在传动上与车辆上的各车轮机械耦合，且工作时交替处在驱动状态和电动减速状态;速度反馈值获取装置，与各电动机有联系，用以获取表示车辆实际速度的速度反馈值;一可控电源，其输出以激励关系耦合到各电动机上;速度参考值提供装置，用以确定车辆在驱动状态下的最高速度的速度参考值;和电动机去激励兼工作状态转换装置，用以根据速度反馈值和参考值之间的关系使各牵引电动机去激励，并用以根据实际速度变得越来越大于所述最高速度的情况，将工作状态从驱动状态转换到减速状态;其改进在于包括连接到车辆上的通信装置且能有效地根据所述编码信号的接收情况按需要自动调节所述速度参考值以确保最大驱动速度不致超过所述所要求的速度限制的装置。
11.一种适宜沿着在车道坡度显著变化处附近分别设置一系列路旁路标的车道上运输载荷的轮式牵引车辆的电力驱动系统，该车辆配备有适宜在其依次趋近各路标时接收编码信号的通信装置，来自各路标的信号表示车辆所趋近的新坡道的坡度，该系统包括多台可调速的牵引电动机，这些电动机在传动上与车辆上的各车轮机械耦合，且工作时交替处在驱动状态和电动减速状态;速度反馈值获取装置，与各电动机有联系，用以获取表示车辆实际速度的速度反馈值;一可控电源，其输出以激励关系耦合到各电动机上;速度参考值提供装置，用以提供确定车辆在驱动状态下的最高速度参考值;和电动机去激励兼工作状态转换装置，用以根据速度反馈和参考值之间的关系使各牵引电动机去激励，并用以根据实际速度变得大于所述最高速度的情况，将工作状态从驱动状态转换到减速状态;所述改进包括连接到车辆上的通信装置、且可以有效地根据某一编码信号的接收自动调节所述速度参考值、从而使最高驱动速度反比于车辆所趋近的任何新的下坡道的坡度的装置。
12.如权利要求11所述的经改进的驱动系统，其特征在于，且包括电源控制装置，该控制装置包括一速度超控器件，该器件在牵引车速度超过低于所述最高速度的最低速度时使驱动状态下的所述各牵引电动机去激励，所述参考值调节装置能有效地根据所述通信装置收到编码信号的情况自动改变所述最低速度的设定值，从而使所述最低速度反比于车辆所趋近的任何新下坡道的坡度。
13.如权利要求11所述的经改进的驱动系统，其特征在于，通信装置包括微波发射和接收装置，且各路旁路标包括一为通信装置发送来的微波所激励时反射编码微波信号的无源发射机。
14.如权利要求11所述的经改进的驱动系统，其特征在于，该系统还包括一距离反馈值获取装置，用以根据所述速度反馈值获取随车辆所驶过的距离而增加的距离反馈值;距离反馈值复位装置，用以根据所述编码信号在车辆距路旁路标较近时使所述距离反馈值恢复到其静态值;和所述距离反馈值超过确保所述速度参考值较低的预定值时工作的装置。
15.如权利要求11所述对配备有提供随车辆的载重量而变化的重量反馈值的检测装置的车辆所作的改进，其特征在于，所述参考值调节装置能在所述重量反馈值减小时有效地使所述最高速度增加。
16.如权利要求15所述的对具有与通信装置有联系、用以测定路标与驶近的车辆之间的实际距离的装置的牵引车进行的改进，该牵引车还包括(a)最高速度确定装置，用以根据重量反馈值，根据编码信号所表示的坡度，和根据给定的减速力对牵引车辆的关系特性确定牵引车能在电动减速状态下安全下行新的下坡坡道所要求的最高速度;(b)行程估计装置，用以根据车辆以速度反馈值表示的现行速度，根据所述要求的最高速度，和根据所述给定特性估计车辆在电动减速状态下从其现行速度减速到所述要求的最高速度应行驶的距离，所述参考值调节装置系配置得使其能在每当所述实际距离减小到所述估计出的距离所确定的某数时有效地把最高驱动速度改变到所述要求的最高速度，从而使牵引车进入新下坡道时，其实际速度不会超过所述要求的最高速度。
17.如权利要求16所述的改进，其特征在于，所述参考值调节装置包括一微计算机，微计算机具有贮存多个分别对应于载重量与车道坡度的各种可能组合所要求的最高速度的不同速度参考值的存储装置，所述微计算机工作时用以选择特定的分派给重量检测装置所测出的重量与通信装置所收到的编码信号所表示的坡度的实际组合的存储值。
18.一种调节这样一种轮式车辆的最高驱动速度的方法该车辆具有一倾卸车身，用以运输载荷;重量检测装置，用以区别倾卸车身中载有重载荷的负载情况和空载时的空载情况;多台可调速的直流电动机，在传动上与车辆上的各车轮机械耦合，工作时交替处在可变速驱动状态和电动减速状态;速度反馈值获取装置，与各电动机有联系，用以获取表示车辆实际速度的速度反馈值;一可控电源，其输出以激励关系电耦合到各电动机上;速度参考值提供装置，用以提供确定车辆在驱动状态下的最高速度的速度参考值;牵引电动机去激励兼工作状态转换装置，用以根据速度反馈与参考值之间的关系使牵引电动机去激励，并用以根据实际速度变得高于所述最高速度的情况将工作状态从驱动状态转换到减速状态;和电源控制装置，用以控制电源使得车辆的速度超过低于所述最高转速的最低转速时减少对处于驱动状态的所述牵引电动机的激励;其特征在于，该方法包括下列步骤自动调节所述速度参考值，使得最高驱动速度在所述负载情况确实时低于所述空载情况确实时的值;和自动调定所述最低速度，使其当所述负载情况确实时低于所述空载情况确实时的水平。
19.如权利要求18所述的方法，用于具有适宜从外部信号源接收表示所要求的速度限制的编码信号的通信装置的车辆，其特征在于，该方法还包括这样的步骤当所述通信装置接收所述编码信号时，有效地按需要自动地改变所述参考值，确保该最高驱动速度不致超过所述限制。
全文摘要
适宜运输载荷的牵引车辆的电力驱动系统，该车配有区别负载和空载情况的重量检测装置和适宜从外部信号源接收表示给定速度限制的编码信号的通信装置，该系统有驱动一对车轮的电动机、电动机可控电源、根据车实际速度变得高于所要求最高速度将工作状态从驱动转换到电动减速状态的装置、和连接到重量检测装置和通信装置自动调节最高驱动速度，使其在所述负载情况确实时低于所述空载情况确实时的值，并按需要自动改变最高驱动速度、以防其超过所述编码信号表示的速度限制的装置。
文档编号B60L15/20GK1051890SQ9010931
公开日1991年6月5日 申请日期1990年11月17日 优先权日1989年11月20日
发明者弗朗西斯·迈克尔·格拉宝斯基 申请人:通用电气公司