液壓挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)研究

劉榮華

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222061)

近年來，中國(guó)的液壓挖掘機(jī)市場(chǎng)越來越大。但是由于挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，負(fù)載變化較大，在實(shí)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(dòng)臂下降過程中的勢(shì)能損失和節(jié)流損失、操作閥中位時(shí)的能量損失、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)功率匹配控制技術(shù)成為挖掘機(jī)控制研究的重點(diǎn)［2－8］。

目前，液壓挖掘機(jī)功率匹配技術(shù)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(dòng)力方面的研究［7－8］，但是并沒有得到實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一套以系統(tǒng)應(yīng)用為主的液壓挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)具有很大的實(shí)際使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

由于發(fā)動(dòng)機(jī)油門和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系，因此可以通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門位移來間接控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因此在控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之前，必須要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)油門標(biāo)定，即確定發(fā)動(dòng)機(jī)油門與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理框圖

在圖1 中，控制器根據(jù)油門電機(jī)位移反饋值和油門旋鈕設(shè)定油門目標(biāo)位移值的差值，通過PID 算法控制油門電機(jī)的伸縮，從而使油門拉桿擺動(dòng)，進(jìn)而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中，轉(zhuǎn)速傳感器用來測(cè)量當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，油門電機(jī)位移檢測(cè)通過集成在油門電機(jī)內(nèi)部的反饋電位計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1.2 分工況控制

由于挖掘機(jī)作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，因此需要將挖掘機(jī)進(jìn)行分工況控制。根據(jù)挖掘機(jī)負(fù)載大小的不同，將挖掘機(jī)動(dòng)力模式分為3 種:

H 模式(重載模式):發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速處于額定轉(zhuǎn)速，液壓泵設(shè)定為最大功率擋。

S 模式(標(biāo)準(zhǔn)模式):發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速處于最低燃油消耗區(qū)，同時(shí)兼顧動(dòng)力性。液壓泵輸入功率總和約為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的85%。

L 模式(輕載模式):發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)定值在最大轉(zhuǎn)矩附近工作，兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性。液壓泵輸入功率的總和約為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的70%。

1.3 轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制

液壓挖掘機(jī)動(dòng)力傳遞過程如圖2 所示。

圖2 液壓挖掘機(jī)動(dòng)力傳遞過程示意圖

在圖2 中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械傳動(dòng)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)載決定的，而負(fù)載又經(jīng)常劇烈變化，造成液壓泵的輸入功率也隨負(fù)載的變化而變化，帶來發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降或者液壓泵不能完全吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率的現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)。

為了防止資源浪費(fèi)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓泵扭矩閥電流，實(shí)現(xiàn)液壓泵的輸入功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率實(shí)時(shí)匹配，保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定運(yùn)行。這種控制方法稱為“轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制”算法?？刂圃韴D如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制算法控制原理框圖

在圖3 中，當(dāng)挖掘機(jī)負(fù)載變化時(shí)，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(dòng)機(jī)的輸出扭矩發(fā)生變化，引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間產(chǎn)生偏差時(shí)，控制器通過PID1 控制算法生成扭矩閥的目標(biāo)電流，然后通過PID2 控制算法控制扭矩閥實(shí)際反饋電流等于目標(biāo)電流。即控制器通過雙PID 控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變量泵的排量來穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.4 自動(dòng)怠速控制

當(dāng)挖掘機(jī)的操作手柄或腳踏板在工作間隙沒有動(dòng)作，超過了預(yù)先設(shè)定的時(shí)間以后，為了減少燃油消耗，自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)操作手柄或者腳踏板有動(dòng)作時(shí)，則恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、分工況控制、轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制和自動(dòng)怠速控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖4 所示的挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)。

圖4 挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)框圖

在圖4 中，駕駛?cè)藛T根據(jù)負(fù)載的大小，選擇相應(yīng)的動(dòng)力模式(H 模式、S 模式和L 模式)。不同動(dòng)力模式對(duì)應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)空載設(shè)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(shè)定油門目標(biāo)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(hào)控制油門電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制油門位移，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)挖掘機(jī)工作間隙時(shí)，控制器檢測(cè)到挖掘機(jī)行走壓力開關(guān)和工作壓力開關(guān)無動(dòng)作，則自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)挖掘機(jī)當(dāng)前負(fù)載壓力的變化。轉(zhuǎn)速傳感器用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)負(fù)載變化引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，控制器通過PWM 信號(hào)電流控制扭矩閥的開口度，進(jìn)而控制液壓泵的排量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(guān)、行走壓力開關(guān)、泵1 壓力傳感器、泵2壓力傳感器、直線電機(jī)、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(dòng)化研究所自主研發(fā)的工程機(jī)械專用控制器和顯示器。JRCC300 控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心器件，根據(jù)油門旋鈕設(shè)定轉(zhuǎn)速值控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。工作壓力開關(guān)和行走壓力開關(guān)用來檢測(cè)挖掘機(jī)有無動(dòng)作。泵1 和泵2 壓力傳感器用來監(jiān)測(cè)主泵出口壓力。轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測(cè)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)力模式、自動(dòng)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(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示，便于駕駛?cè)藛T了解整車狀態(tài)。直線電機(jī)選擇KECM-1524 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)油門馬達(dá)。工作壓力開關(guān)和行走壓力開關(guān)型號(hào)為0166-41103-1-043。泵1 壓力傳感器和泵2 壓力傳感器型號(hào)為FST800-401P353C-400B。轉(zhuǎn)速傳感器型號(hào)為ZS-1。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)空載設(shè)定轉(zhuǎn)速、目標(biāo)工作轉(zhuǎn)速、扭矩閥設(shè)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(guān)、工作壓力開關(guān)、泵1 壓力傳感器、泵2 壓力傳感器等傳感器測(cè)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(dòng)怠速模塊主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)怠速控制功能。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊主要實(shí)現(xiàn)通過控制油門位移來間接控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制模塊主要實(shí)現(xiàn)通過實(shí)時(shí)改變扭矩閥的電流來穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。

3.2 自動(dòng)怠速控制模塊

自動(dòng)怠速控制功能軟件流程圖如圖7 所示。在圖7 中，如果自動(dòng)怠速功能使能 (ide_enable 為true)并且設(shè)定轉(zhuǎn)速大于自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速(1 300 r/min)，控制器檢測(cè)到行走壓力開關(guān)無動(dòng)作(xingzou_kaiguan 為false)，工作壓力開關(guān)無動(dòng)作 (gongzuo_kaiguan 為false)，持續(xù)時(shí)間達(dá)到3.5 s 以后，則置位自動(dòng)怠速模式標(biāo)志位(ide_mode 為true)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低為自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速。當(dāng)行走壓力開關(guān)動(dòng)作(xingzou_kaiguan 為true)或者工作壓力開關(guān)動(dòng)作(gongzuo_kaiguan 為true)時(shí)，則清零自動(dòng)怠速模式標(biāo)志位(ide_mode為false)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖詣?dòng)怠速轉(zhuǎn)速恢復(fù)為原來轉(zhuǎn)速。

圖7 自動(dòng)怠速控制功能軟件流程圖

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制之前，需要進(jìn)行油門標(biāo)定。發(fā)動(dòng)機(jī)油門標(biāo)定過程實(shí)際上就是記錄發(fā)動(dòng)機(jī)油門從最小位移增加到最大位移對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化過程。在油門標(biāo)定完成以后，將油門標(biāo)定過程中記錄的油門位移數(shù)組和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)組存儲(chǔ)到EEPROM 中，以供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制時(shí)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(dòng)力模式對(duì)應(yīng)的空載設(shè)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(shè)油門旋鈕位移范圍為［x1，x2］，空載設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍為［y1，y2］，當(dāng)前油門位移為x0，則進(jìn)行線性化處理計(jì)算對(duì)應(yīng)的空載設(shè)定轉(zhuǎn)速輸出y0的計(jì)算公式如式 (1)所示:

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件流程圖

同理，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)組為S［20］，油門位移數(shù)組為P［20］，則將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)組和油門位移數(shù)組進(jìn)行分段線性化處理，以當(dāng)前空載設(shè)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(dāng)前油門目標(biāo)位移Ptarget計(jì)算公式如式(2)所示。

在計(jì)算出油門目標(biāo)位移Ptarget以后，利用PID算法控制油門電機(jī)位移，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3. 4 轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制模塊

轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制模塊軟件流程圖如圖9 所示。

在圖9 中，由于動(dòng)力模式為L(zhǎng) 模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率較小，變量泵吸收功率也不大，因此設(shè)置比例扭矩閥目標(biāo)電流值為0 mA。當(dāng)動(dòng)力模式為H 模式或者S 模式時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速 (目標(biāo)轉(zhuǎn)速等于空載設(shè)定轉(zhuǎn)速減去掉速值)有偏差，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有掉速現(xiàn)象存在時(shí)，根據(jù)PID1 控制算法，輸出比例扭矩閥目標(biāo)電流值Itarget。當(dāng)扭矩閥目標(biāo)電流值與實(shí)際電流值有偏差時(shí)，再根據(jù)PID2 控制算法，控制扭矩閥電流值，進(jìn)而控制變量泵的排量。

圖9 轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制模塊軟件流程圖

4 試驗(yàn)與驗(yàn)證

將該控制系統(tǒng)安裝到國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠挖掘機(jī)上，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)液壓挖掘機(jī)特性，H 模式、S模式和L 模式3 種動(dòng)力模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍分別設(shè)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(duì)應(yīng)的液壓泵電流范圍分別設(shè)定為［490 mA，560 mA］、 ［336 mA，490 mA］ 和0 mA。自動(dòng)怠速模式中的自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速值設(shè)定為1 300 r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大掉速值設(shè)置為200 r/min。

4.1 自動(dòng)怠速控制試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)挖掘機(jī)處于高轉(zhuǎn)速(2 000 r/min 左右)，操作手柄或者腳踏板都不動(dòng)作時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)怠速控制模式，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速1 300 r/min。當(dāng)手柄或腳踏板有動(dòng)作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)為原來轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10 所示。

圖10 中，當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)入自動(dòng)怠速模式時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)? 004 r/min 降低至1 300 r/min，調(diào)節(jié)時(shí)間大約2.5 s。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后最大誤差為8 r/min。當(dāng)手柄重新動(dòng)作時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)為原來設(shè)定轉(zhuǎn)速值，調(diào)節(jié)時(shí)間大約2 s。

圖10 自動(dòng)怠速控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)結(jié)果

挖掘機(jī)空載時(shí)，手動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷俎D(zhuǎn)速逐漸增加到額定轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖11 所示。

圖11 挖掘機(jī)H 模式下空載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖11 可以看出:在挖掘機(jī)處于H 模式空載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)功率控制試驗(yàn)結(jié)果

挖掘機(jī)在S 模式進(jìn)行挖土試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩閥電流變化曲線

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

4.4 油耗測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為2 250 r/min、1 950 r/min、1 600 r/min，并在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相同的作業(yè)動(dòng)作，來檢測(cè)挖掘機(jī)的耗油量。新舊系統(tǒng)挖掘機(jī)油耗結(jié)果如表1 所示。

表1 液壓挖掘機(jī)平均油耗比較結(jié)果

從表1 中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為2 250、1 950、1 600 r/min 時(shí)，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(yǔ)

在分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、分工況控制、轉(zhuǎn)速感應(yīng)功率控制和自動(dòng)怠速控制等控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)液壓挖掘機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)。通過試驗(yàn)證明:挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，液壓系統(tǒng)的輸入功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率實(shí)時(shí)匹配，大大降低了挖掘機(jī)的燃油消耗。挖掘機(jī)空載或處于自動(dòng)怠速模式時(shí)，轉(zhuǎn)速控制精度高，響應(yīng)速度快，具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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