劉榮華

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061)

近年來，中國的液壓挖掘機市場越來越大。但是由于挖掘機作業(yè)工況復雜，負載變化較大，在實際的作業(yè)過程中存在著大量的能量損失，包括節(jié)流損失、溢流損失、動臂下降過程中的勢能損失和節(jié)流損失、操作閥中位時的能量損失、發(fā)動機與液壓系統(tǒng)功率匹配不好而引起的損失等［1－2］。因此，發(fā)動機有效能源利用率并不高，平均只有30%左右，這使得液壓挖掘機功率匹配控制技術成為挖掘機控制研究的重點［2－8］。

目前，液壓挖掘機功率匹配技術研究主要以分析控制策略、智能算法理論研究和仿真［3－6］為主，還有混合動力方面的研究［7－8］，但是并沒有得到實際應用。因此，設計一套以系統(tǒng)應用為主的液壓挖掘機功率匹配控制系統(tǒng)具有很大的實際使用價值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制

由于發(fā)動機油門和發(fā)動機轉(zhuǎn)速近似呈線性關系，因此可以通過控制發(fā)動機油門位移來間接控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。因此在控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速之前，必須要進行發(fā)動機油門標定，即確定發(fā)動機油門與轉(zhuǎn)速的關系。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制原理如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制原理框圖

在圖1 中，控制器根據(jù)油門電機位移反饋值和油門旋鈕設定油門目標位移值的差值，通過PID 算法控制油門電機的伸縮，從而使油門拉桿擺動，進而改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。其中，轉(zhuǎn)速傳感器用來測量當前發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，油門電機位移檢測通過集成在油門電機內(nèi)部的反饋電位計實現(xiàn)。

1.2 分工況控制

由于挖掘機作業(yè)環(huán)境比較復雜，因此需要將挖掘機進行分工況控制。根據(jù)挖掘機負載大小的不同，將挖掘機動力模式分為3 種:

H 模式(重載模式):發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速處于額定轉(zhuǎn)速，液壓泵設定為最大功率擋。

S 模式(標準模式):發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速處于最低燃油消耗區(qū)，同時兼顧動力性。液壓泵輸入功率總和約為發(fā)動機最大功率的85%。

L 模式(輕載模式):發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速設定值在最大轉(zhuǎn)矩附近工作，兼顧燃油經(jīng)濟性。液壓泵輸入功率的總和約為發(fā)動機最大功率的70%。

1.3 轉(zhuǎn)速感應功率控制

液壓挖掘機動力傳遞過程如圖2 所示。

圖2 液壓挖掘機動力傳遞過程示意圖

在圖2 中，由于發(fā)動機與液壓泵是直接相連的，因此二者的轉(zhuǎn)速相等，若不考慮機械傳動效率，發(fā)動機的輸出功率和液壓泵的輸入功率相等，系統(tǒng)無功率損失。但是液壓泵的出口壓力是由負載決定的，而負載又經(jīng)常劇烈變化，造成液壓泵的輸入功率也隨負載的變化而變化，帶來發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降或者液壓泵不能完全吸收發(fā)動機的輸出功率的現(xiàn)象，造成能源浪費。

為了防止資源浪費，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動嚴重時，實時調(diào)節(jié)液壓泵扭矩閥電流，實現(xiàn)液壓泵的輸入功率與發(fā)動機的輸出功率實時匹配，保證發(fā)動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定運行。這種控制方法稱為“轉(zhuǎn)速感應功率控制”算法?？刂圃韴D如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)速感應功率控制算法控制原理框圖

在圖3 中，當挖掘機負載變化時，液壓泵出口壓力發(fā)生變化，液壓泵輸入扭矩發(fā)生變化，則發(fā)動機的輸出扭矩發(fā)生變化，引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速之間產(chǎn)生偏差時，控制器通過PID1 控制算法生成扭矩閥的目標電流，然后通過PID2 控制算法控制扭矩閥實際反饋電流等于目標電流。即控制器通過雙PID 控制算法實時調(diào)節(jié)變量泵的排量來穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

1.4 自動怠速控制

當挖掘機的操作手柄或腳踏板在工作間隙沒有動作，超過了預先設定的時間以后，為了減少燃油消耗，自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速。當操作手柄或者腳踏板有動作時，則恢復發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

綜合發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、分工況控制、轉(zhuǎn)速感應功率控制和自動怠速控制的特點，設計如圖4 所示的挖掘機功率匹配控制系統(tǒng)。

圖4 挖掘機功率匹配控制系統(tǒng)框圖

在圖4 中，駕駛?cè)藛T根據(jù)負載的大小，選擇相應的動力模式(H 模式、S 模式和L 模式)。不同動力模式對應不同的發(fā)動機空載設定最高轉(zhuǎn)速和液壓泵扭矩閥控制電流范圍。控制器根據(jù)油門旋鈕設定油門目標位移和油門反饋位移的差值，根據(jù)PID 控制算法輸出PWM 信號控制油門電機正反轉(zhuǎn)，控制油門位移，進而控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。當挖掘機工作間隙時，控制器檢測到挖掘機行走壓力開關和工作壓力開關無動作，則自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速以減少燃油消耗。泵1 壓力傳感器和泵2 壓力傳感器用來檢測挖掘機當前負載壓力的變化。轉(zhuǎn)速傳感器用來監(jiān)測發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速的變化。當負載變化引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動時，控制器通過PWM 信號電流控制扭矩閥的開口度，進而控制液壓泵的排量，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設定范圍內(nèi)運行。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件原理框圖

在圖5 中，控制系統(tǒng)主要硬件包括JRCC300 控制器、JRCD657 顯示器、油門旋鈕、轉(zhuǎn)速傳感器、工作壓力開關、行走壓力開關、泵1 壓力傳感器、泵2壓力傳感器、直線電機、扭矩閥 (集成在液壓泵上)、24 V 直流電源等器件。JRCC300 控制器和JRCD657 顯示器都是江蘇自動化研究所自主研發(fā)的工程機械專用控制器和顯示器。JRCC300 控制器作為整個控制系統(tǒng)的核心器件，根據(jù)油門旋鈕設定轉(zhuǎn)速值控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。工作壓力開關和行走壓力開關用來檢測挖掘機有無動作。泵1 和泵2 壓力傳感器用來監(jiān)測主泵出口壓力。轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速。控制器通過控制扭矩閥電流來調(diào)整液壓泵的排量。JRCD657 顯示器通過CAN 總線與控制器連接，一方面用來發(fā)送切換挖掘機動力模式、自動怠速使能等控制命令;另一方面用來接收控制器發(fā)送的挖掘機狀態(tài)參數(shù)進行顯示，便于駕駛?cè)藛T了解整車狀態(tài)。直線電機選擇KECM-1524 發(fā)動機自動油門馬達。工作壓力開關和行走壓力開關型號為0166-41103-1-043。泵1 壓力傳感器和泵2 壓力傳感器型號為FST800-401P353C-400B。轉(zhuǎn)速傳感器型號為ZS-1。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序軟件設計

主程序采用模塊化設計，軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 控制軟件主程序流程圖

在圖6 中，參數(shù)初始化模塊主要實現(xiàn)空載設定轉(zhuǎn)速、目標工作轉(zhuǎn)速、扭矩閥設定電流、扭矩閥最小電流等參數(shù)的EEPROM 讀取和修改等功能。傳感器輸入模塊主要完成轉(zhuǎn)速傳感器、行走壓力開關、工作壓力開關、泵1 壓力傳感器、泵2 壓力傳感器等傳感器測量值的讀取功能。CAN 通信模塊主要完成控制器與顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸。自動怠速模塊主要實現(xiàn)自動怠速控制功能。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制模塊主要實現(xiàn)通過控制油門位移來間接控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的功能。轉(zhuǎn)速感應功率控制模塊主要實現(xiàn)通過實時改變扭矩閥的電流來穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速的功能。

3.2 自動怠速控制模塊

自動怠速控制功能軟件流程圖如圖7 所示。在圖7 中，如果自動怠速功能使能 (ide_enable 為true)并且設定轉(zhuǎn)速大于自動怠速轉(zhuǎn)速(1 300 r/min)，控制器檢測到行走壓力開關無動作(xingzou_kaiguan 為false)，工作壓力開關無動作 (gongzuo_kaiguan 為false)，持續(xù)時間達到3.5 s 以后，則置位自動怠速模式標志位(ide_mode 為true)，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低為自動怠速轉(zhuǎn)速。當行走壓力開關動作(xingzou_kaiguan 為true)或者工作壓力開關動作(gongzuo_kaiguan 為true)時，則清零自動怠速模式標志位(ide_mode為false)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從自動怠速轉(zhuǎn)速恢復為原來轉(zhuǎn)速。

圖7 自動怠速控制功能軟件流程圖

3.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制模塊

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制之前，需要進行油門標定。發(fā)動機油門標定過程實際上就是記錄發(fā)動機油門從最小位移增加到最大位移對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化過程。在油門標定完成以后，將油門標定過程中記錄的油門位移數(shù)組和發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)組存儲到EEPROM 中，以供發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制時調(diào)用。轉(zhuǎn)速控制軟件流程圖如圖8 所示。

在圖8 中，H、S、L 這3 種動力模式對應的空載設定轉(zhuǎn)速范圍［y1，y2］ 分別是［怠速轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速］、［怠速轉(zhuǎn)速，85%額定轉(zhuǎn)速］ 和［怠速轉(zhuǎn)速，70%額定轉(zhuǎn)速］。假設油門旋鈕位移范圍為［x1，x2］，空載設定轉(zhuǎn)速范圍為［y1，y2］，當前油門位移為x0，則進行線性化處理計算對應的空載設定轉(zhuǎn)速輸出y0的計算公式如式 (1)所示:

圖8 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制軟件流程圖

同理，假設發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)組為S［20］，油門位移數(shù)組為P［20］，則將發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)組和油門位移數(shù)組進行分段線性化處理，以當前空載設定轉(zhuǎn)速y0作為輸入，并且y0大小處于S［5］和S［6］之間，則當前油門目標位移Ptarget計算公式如式(2)所示。

在計算出油門目標位移Ptarget以后，利用PID算法控制油門電機位移，進而控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

3. 4 轉(zhuǎn)速感應功率控制模塊

轉(zhuǎn)速感應功率控制模塊軟件流程圖如圖9 所示。

在圖9 中，由于動力模式為L 模式，發(fā)動機輸出功率較小，變量泵吸收功率也不大，因此設置比例扭矩閥目標電流值為0 mA。當動力模式為H 模式或者S 模式時，當發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速 (目標轉(zhuǎn)速等于空載設定轉(zhuǎn)速減去掉速值)有偏差，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速有掉速現(xiàn)象存在時，根據(jù)PID1 控制算法，輸出比例扭矩閥目標電流值Itarget。當扭矩閥目標電流值與實際電流值有偏差時，再根據(jù)PID2 控制算法，控制扭矩閥電流值，進而控制變量泵的排量。

圖9 轉(zhuǎn)速感應功率控制模塊軟件流程圖

4 試驗與驗證

將該控制系統(tǒng)安裝到國內(nèi)某主機廠挖掘機上，進行試驗驗證。根據(jù)液壓挖掘機特性，H 模式、S模式和L 模式3 種動力模式下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化范圍分別設定為［1 000 r/min，2 250 r/min］、［1 000 r/min，1 950 r/min］ 和［1 000r/min，1 600 r/min］，對應的液壓泵電流范圍分別設定為［490 mA，560 mA］、 ［336 mA，490 mA］ 和0 mA。自動怠速模式中的自動怠速轉(zhuǎn)速值設定為1 300 r/min。發(fā)動機轉(zhuǎn)速最大掉速值設置為200 r/min。

4.1 自動怠速控制試驗結(jié)果

當挖掘機處于高轉(zhuǎn)速(2 000 r/min 左右)，操作手柄或者腳踏板都不動作時，則發(fā)動機進入自動怠速控制模式，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降為自動怠速轉(zhuǎn)速1 300 r/min。當手柄或腳踏板有動作時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速恢復為原來轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10 所示。

圖10 中，當挖掘機進入自動怠速模式時，轉(zhuǎn)速從2 004 r/min 降低至1 300 r/min，調(diào)節(jié)時間大約2.5 s。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后最大誤差為8 r/min。當手柄重新動作時，轉(zhuǎn)速迅速恢復為原來設定轉(zhuǎn)速值，調(diào)節(jié)時間大約2 s。

圖10 自動怠速控制模式下發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線

4.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制試驗結(jié)果

挖掘機空載時，手動控制油門旋鈕從最小位置逐漸增加到最大位置的過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速轉(zhuǎn)速逐漸增加到額定轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線如圖11 所示。

圖11 挖掘機H 模式下空載時發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖11 可以看出:在挖掘機處于H 模式空載時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨著油門旋鈕位移的擋位增加而逐漸增大，變化范圍是［1 012 r/min，2 241 r/min］。擋位之間切換時調(diào)節(jié)時間最大為1.5 s;轉(zhuǎn)速最大誤差為17 r/min。

4.3 轉(zhuǎn)速感應功率控制試驗結(jié)果

挖掘機在S 模式進行挖土試驗，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩閥電流變化曲線如圖12 所示。

圖12 S 模式下挖掘作業(yè)時發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩閥電流變化曲線

圖12 中，S 模式下挖掘機挖土作業(yè)時，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速變化范圍是［1 762 r/min，1 937 r/min］，發(fā)動機轉(zhuǎn)速最大掉速值為188 r/min。同時，變量泵電流跟隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，變化范圍是［336 mA，490 mA］。

4.4 油耗測試試驗結(jié)果

將發(fā)動機設定轉(zhuǎn)速分別設置為2 250 r/min、1 950 r/min、1 600 r/min，并在相同時間內(nèi)進行相同的作業(yè)動作，來檢測挖掘機的耗油量。新舊系統(tǒng)挖掘機油耗結(jié)果如表1 所示。

表1 液壓挖掘機平均油耗比較結(jié)果

從表1 中可以看出，在發(fā)動機設定轉(zhuǎn)速分別設置為2 250、1 950、1 600 r/min 時，功率匹配控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，平均燃油消耗至少降低了5.63%。

5 結(jié)束語

在分析了發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、分工況控制、轉(zhuǎn)速感應功率控制和自動怠速控制等控制原理的基礎上，設計液壓挖掘機功率匹配控制系統(tǒng)。通過試驗證明:挖掘機作業(yè)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，液壓系統(tǒng)的輸入功率和發(fā)動機輸出功率實時匹配，大大降低了挖掘機的燃油消耗。挖掘機空載或處于自動怠速模式時，轉(zhuǎn)速控制精度高，響應速度快，具有很大的工程應用價值。

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