繆秋蓮

摘 要：本文針對沃爾沃挖掘機整機電控系統(tǒng)的功能以及實現(xiàn)途徑加以研究，分析各電子控制單元之間的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機、液壓泵、各前端操作裝置等之間的電子控制。

關(guān)鍵詞：電控技術(shù)；ECO模式；傳感器；CAN總線；節(jié)能

0 引言

挖掘機電氣與電子控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)挖掘機電氣系統(tǒng)控制及工作狀態(tài)監(jiān)測。隨著挖掘機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機、液壓系統(tǒng)的控制越來越復(fù)雜，對電氣控制系統(tǒng)的要求也越來越高，挖掘機電氣與電子控制系統(tǒng)地位也越來越重要，成為挖掘機重要的組成部分，代表了挖掘機整車技術(shù)發(fā)展水平及方向。

1 沃爾沃挖掘機電子控制系統(tǒng)組成及功能

沃爾沃挖掘機電子控制系統(tǒng)如圖1所示，共包含以下五個重要的電子控制單元：EECU（發(fā)動機電子控制系統(tǒng)）、IECU（儀表盤電子控制系統(tǒng)）、ECC（空調(diào)系統(tǒng)控制單元）、WECU（無線電子控制單元）、VECU（車載電子控制系統(tǒng)）。

EECU（發(fā)動機電子控制系統(tǒng)）功能包括（1）控制燃油量和泵噴嘴；（2）溫度監(jiān)測；（3）檢測預(yù)熱是否正在運行；（4）運行發(fā)動機速度（轉(zhuǎn)/分）。

IECU（儀表盤電子控制系統(tǒng)）功能包括：（1）顯示從傳感器和機器開關(guān)接收的信息；（2）異?，F(xiàn)象向操作員發(fā)出警告。

ECC（空調(diào)系統(tǒng)控制單元）功能包括：（1）溫度控制；（2）空氣分布和駕駛室通風；（3）軟起動控制；（4）空調(diào)壓縮機；（5）溫度與壓力監(jiān)測。

VECU（車載電子控制系統(tǒng)）功能包括：（1）自我診斷（2）機器狀態(tài)的指示；（3）應(yīng)急操作；（4）防盜系統(tǒng)；（5）起動鎖定控制；（6）安全起動和停止；（7）X1控制器；（8）快換裝置控制；（9）自動增壓和點增壓；（10）大臂浮動位置；（11）冷卻風扇控制；（12）自動發(fā)動機熄火；（13）警報控制；（14）超載警告；（15）自動怠速；（16）ECO模式；（17）功率下降等。

2 沃爾沃挖掘機重要電子控制單元功能實現(xiàn)

2.1 EECU發(fā)動機電子控制系統(tǒng)

電控柴油噴射式發(fā)動機電子控制系統(tǒng)主要由電子控制裝置ECU、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。其中沃爾沃發(fā)動機主要傳感器分布如圖2所示。

發(fā)動機電子控制裝置ECU接收以上各傳感器的信號，判別發(fā)動機的狀態(tài)，從而控制燃油噴射量與噴射時間。

2.2 發(fā)動機與液壓泵功率匹配

挖掘機操作員可根據(jù)作業(yè)條件和環(huán)境選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速和作業(yè)模式以便優(yōu)化機械性能和燃油效率。由EECU向VECU持續(xù)發(fā)送發(fā)動機當前信息。據(jù)此動力換擋閥將調(diào)整泵斜盤角度，以便轉(zhuǎn)矩保持在設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以下，使發(fā)動機輸出功率與液壓泵驅(qū)動馬力保持平衡。圖3為功率模式控制系統(tǒng)的原理圖。

電比例液壓泵實際上就是在恒功率變量泵上加裝一個電液比例減壓閥，電液比例減壓閥的輸入油壓來自先導(dǎo)油路，電液比例減壓閥輸出的二次壓力加至排量調(diào)節(jié)油缸一端。從而通過調(diào)節(jié)比例閥的電流大小，進而調(diào)節(jié)電液比例減壓閥的二次壓力，實現(xiàn)了對液壓泵功率的調(diào)節(jié)，泵的實際功率調(diào)節(jié)曲線是根據(jù)發(fā)動力功率模式設(shè)定由控制器進行實時調(diào)節(jié)的，以保證泵的液壓功率與發(fā)動機功率的實時匹配。

3 VECU（車載電子控制系統(tǒng)）功能實現(xiàn)

VECU（車載電子控制系統(tǒng)）如圖4所示由信號輸入部分（模擬信號、開關(guān)信號）、信號處理部分、控制器、監(jiān)控器及控制執(zhí)行機構(gòu)組成。

液壓挖掘機車載電子控制系統(tǒng)主要是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達）的一些溫度、壓力、速度、開關(guān)量的檢測并將有關(guān)檢測數(shù)據(jù)輸入給挖掘機的專用控制器，控制器綜合各種測量值、設(shè)定值和操作信號發(fā)出相關(guān)控制信息，對發(fā)動機、液壓泵、液壓控制閥和整機進行控制。

3.1 挖掘機工作模式切換功能

車載電子控制系統(tǒng)中，可以獲得10個等級的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和5種工作模式。通過旋轉(zhuǎn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制開關(guān)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和工作模式被同時設(shè)定。此功能允許操作員根據(jù)工作條件和環(huán)境選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速和工作模式。此功能也用來優(yōu)化機器性能和燃油效率。其中I（怠速）和F（精確）模式。無論發(fā)動機負荷情況如何，控制電流值是固定的規(guī)定數(shù)值。這意味著發(fā)動機的輸出功率遠大于泵的輸入功率。而P（最大功率），H（重載），G（通用）模式下，如果發(fā)動機沒有負荷，它使用每個發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的指定電流值。當發(fā)動機有負荷時，VECU增加功率切換閥的電流以降低泵的功率消耗。

3.2 ECO模式（經(jīng)濟模式）實現(xiàn)

在ECO模式（經(jīng)濟模式）下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低但泵的最大排量不變，并且在P、H和G模式中泵的輸入扭矩比非經(jīng)濟模式增加了5%。同一轉(zhuǎn)速下，P、H和G模式下，ECO模式（注：ECO 模式為經(jīng)濟模式）比非ECO模式燃油比率低。這是由于當發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低100RPM時，曲線上的扭矩值較高，燃油功率較高而性能損失最低。同個模式下，液壓泵功率切換電流值ECO模式比非ECO模式小，所需的液壓油ECO模式比非ECO模式少，說明ECO模式比非ECO模式模式流量損失小。ECO模式通過以下三種途徑減少流量損失：（1）回轉(zhuǎn)流量限制；（2）溢流切斷功能；（3）靈活的P-Q曲線。

3.2.1 回轉(zhuǎn)流量限制

在回轉(zhuǎn)加速時，溢流流量是為了在加速時保持溢流壓力，以保持回轉(zhuǎn)扭矩。但由于上車架慣性液壓油處于高壓狀態(tài)，泵提供給回轉(zhuǎn)馬達的流量可能高于實際所需流量，因此液壓油通過回轉(zhuǎn)溢流閥釋放?；剞D(zhuǎn)流量限制用于減少意外流量損失。

回轉(zhuǎn)流量限制限制了特定時間內(nèi)流向馬達的流量增速比。如果操作員全行程操作回轉(zhuǎn)操縱桿，則VECU限制回轉(zhuǎn)馬達流量，從而僅有一小部分流量溢流到油箱。通過應(yīng)用回轉(zhuǎn)流量限制，可以提高燃油效率而不損失回轉(zhuǎn)扭矩。即在全行程操作開始到平穩(wěn)轉(zhuǎn)動期間，泵1的PWM閥的控制電流值減小，泵的斜盤角變小，輸出流量變小，從而節(jié)省燃油，提高燃油經(jīng)濟效益。

3.2.2 溢流切斷功能

由于溢流閥的彈簧特性，在液壓壓力升高至主溢流閥設(shè)定壓力之前就開始進行液壓溢流。液壓溢流是一種能量損失。溢流切斷的目的是減少通過主溢流閥溢流的液壓油量。主壓力傳感器感知到泵壓力接近溢流壓力時，則VECU減小的輸送至PWM閥的控制電流值，從而控制主泵流量，減少溢流損失。

3.2.3 靈活的P-Q曲線

ECO模式的流量需求通過擴大MCV閥柱（注：MCV閥柱為操作手柄行程閥柱）開口面積減少壓力損失。在正常模式下，泵流量為各前端工作裝置操縱桿信號流量需求的簡單求和。但在ECO模式下，流量需求為各操縱桿信號流量的均方根。因此，進行復(fù)合操作時，如果操作員要擁有相同的速度，則先導(dǎo)操縱桿要多傾斜一些，然后MCV閥柱多移動一些，最后MCV流量面積擴大，在同樣流量下，ECO模式比正常模式的閥柱開口面積大，這意味通過MCV閥的壓降有所減少，減少截流損失。

3.3 自動怠速功能

當操作員打開自動怠速功能且沒有使用任何操作桿和踏板時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動將至I1模式。這可以提高燃油經(jīng)濟性和降低噪音。在發(fā)動機降低轉(zhuǎn)速后，若操作員改變一個輸入信號時，則發(fā)動機轉(zhuǎn)速恢復(fù)到先前的轉(zhuǎn)速。

4 各控制單元間CAN總線技術(shù)應(yīng)用

CAN（Controller Area Network）屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，最初被設(shè)計作為汽車中的微控制器通訊，在車載電子控制裝置各ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。隨著挖掘機電子控制技術(shù)的發(fā)展，控制器的普遍采用，電噴發(fā)動機的推廣，CAN總線也在逐步得到應(yīng)用?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)CAN總線是工程機械的通 訊發(fā)展趨勢[2]。

圖5為沃爾沃挖掘機各控制單元間CAN總線連接圖，圖中紅色和藍色線條部分即為CAN總線技術(shù)。當今國際著名的工程機械制造商都在其最新的產(chǎn)品上應(yīng)用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)，其主要應(yīng)用目的有：（1）與電控發(fā)動機的CAN接口交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)節(jié)能控制與環(huán)保排放，并且可以監(jiān)控發(fā)動機的運行參數(shù)和故障信息，實現(xiàn)發(fā)動機儀表數(shù)字化。（2）通過具有CAN接口的新型傳感器采集數(shù)據(jù)，不僅可以減少接線，更可以避免模擬信號傳感器的干擾問題，提高數(shù)據(jù)采集的準確性和速度。（3）多個控制器及顯示單元之間相互交換數(shù)據(jù)，使得控制系統(tǒng)的配置和安裝都更加靈活。（4）與具有CAN接口的GSM/GPS通訊裝置連接，實現(xiàn)工程車輛的遠程機群控制、故障診斷和管理功能。（5）與具有CAN接口的遙控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)工程機械的遙控操作或無人駕駛。

5 展望

挖掘機電氣與電子控制系統(tǒng)不斷發(fā)展，未來的挖掘機控制勢必越來越精確，越節(jié)能。沃爾沃建筑設(shè)備（中國）有限公司生產(chǎn)的沃爾沃系列挖掘機的電子控制系統(tǒng)采用電子技術(shù)勢必越來越先進，有待繼續(xù)開發(fā)和學(xué)習。

參考文獻

[1] Volvo EC380D-480D挖掘機系統(tǒng)培訓(xùn)資料

[2] 殷鵬龍，黃紅武，張軍，曉明，生杰，王劍波，廖焦.基于labview和CAN的挖掘機GPS功能的監(jiān)控系統(tǒng)[D]. 中國工程機械學(xué)報，2012，9（3）