一種全電控挖機(jī)的斗桿自適應(yīng)控制方法

侯軒輝， 孫曉鵬， 胡永慧， 李文慧

（濰柴動力股份有限公司電控研究院， 山東 濰坊 261061）

1 挖機(jī)行業(yè)背景

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，建筑業(yè)與煤礦業(yè)等多種不同行業(yè)的層次規(guī)模發(fā)展到以往難以企及的高度。而挖機(jī)作為一種能夠挖掘、移料的大型工程機(jī)械，廣泛出現(xiàn)在以上相關(guān)行業(yè)的各種施工現(xiàn)場。市場上挖機(jī)數(shù)量日益增加，競爭日益激烈，如何提高駕駛品質(zhì)是一個急需解決的重要問題。

斗桿挖掘是挖掘過程中的常見挖掘方式，挖掘停止時(shí)往往伴隨沖擊。迅速操作、突松手柄等操作更易引起泵壓的劇烈變化，所以本文針對先導(dǎo)壓力變化識別突松手柄工況進(jìn)行油泵和閥芯的控制，實(shí)現(xiàn)降低泵壓變化，減小沖擊，提高駕駛體驗(yàn)。

2 斗桿自適應(yīng)方法設(shè)計(jì)方案

斗桿運(yùn)動原理：發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)泵將泵油旋轉(zhuǎn)到各個主閥位置，當(dāng)檢測到有關(guān)斗桿先導(dǎo)壓力增加時(shí)，報(bào)文信號轉(zhuǎn)換為電信號，推動著相應(yīng)斗桿閥芯打開關(guān)閉。若進(jìn)行斗桿大腔進(jìn)油，小腔回油，則實(shí)現(xiàn)斗桿挖掘動作；若進(jìn)行小腔進(jìn)油，大腔回油則進(jìn)行斗桿卸料動作。先導(dǎo)壓力停止時(shí)，斗桿閥芯關(guān)閉，泵停止供油，斗桿停止動作。如圖1所示。

圖1 斗桿自適應(yīng)方案流程圖

2.1 突松手柄工況檢測

斗桿運(yùn)動過程中，手柄變化伴隨著先導(dǎo)壓力變化。檢測先導(dǎo)壓力的變化，當(dāng)先導(dǎo)壓力低于設(shè)定閾值，且先導(dǎo)壓力變化率高于設(shè)定閾值時(shí)，判斷為突松手柄工況的檢測。于此特殊工況進(jìn)行區(qū)別于一般手柄工況的特殊處理。

2.2 閥芯開度控制

1） 閥芯電流速度處理：手柄運(yùn)動的輕重緩急，對應(yīng)機(jī)手不同的駕駛意圖，對應(yīng)閥芯電流也有所不同。斗桿閥芯電流根據(jù)原始的斗桿先導(dǎo)壓力信號設(shè)定原始電流信號對應(yīng)表格。斗桿運(yùn)動過程中，由于實(shí)際原始先導(dǎo)壓力變化過于靈敏，根據(jù)先導(dǎo)得到的電流信號需根據(jù)手柄內(nèi)收和外翻按照不同的RAMPup和RAMPdown改變速率進(jìn)行處理。

2） 閥芯電流大小處理：斗桿閥芯電流控制設(shè)置電流起調(diào)、終調(diào)點(diǎn)，設(shè)置相對應(yīng)最低閾值以及最高閾值。當(dāng)先導(dǎo)壓力轉(zhuǎn)換為電流低于最低閾值Imin時(shí)，直接關(guān)閉閥芯驅(qū)動電流；當(dāng)轉(zhuǎn)換電流高于最高閾值Imax時(shí)，保證閥芯驅(qū)動電流最大。最終得到閥芯驅(qū)動的設(shè)定電流ivlv。

2.3 泵的流量控制

1） 正常無突松手柄操作：為了使閥芯動作和泵動作能夠跟隨一致，本文未采用原始先導(dǎo)壓力對應(yīng)泵的設(shè)定電流，而采用閥芯設(shè)定電流ivlv對應(yīng)處理得到用于計(jì)算泵流量的先導(dǎo)壓力pvlv，根據(jù)該二次處理得到的先導(dǎo)壓力信號pvlv進(jìn)行斗桿需求流量計(jì)算。若期間存在除斗桿外其他動作，分別計(jì)算其他部分所需求流量。依據(jù)總流量計(jì)算公式匯總總泵所需計(jì)算流量。泵流量決策對應(yīng)泵的驅(qū)動電流，電流越大，泵的流量供應(yīng)越多。

總流量計(jì)算公式如下：

式中：Qdes——總泵的需求流量；Qmax——該泵供的所有動作的最大流量；Qsum——該泵供所有動作中的流量總和；fac——流量修正系數(shù)。以上操作即可以實(shí)現(xiàn)正常操作時(shí)的泵閥一致性，泵的供應(yīng)流量隨先導(dǎo)呈正相關(guān)變化。先導(dǎo)越大，泵的流量越大；先導(dǎo)越小，泵的流量供應(yīng)越小。待先導(dǎo)壓力完全關(guān)閉時(shí)，將泵的流量完全關(guān)閉。

2） 突松手柄操作：當(dāng)處于突松手柄工況時(shí)，需對二次先導(dǎo)信號pvlv進(jìn)行再處理，以及增加對閥芯開度的檢測。突松斗桿，先導(dǎo)壓力變化得太快。此時(shí)若仍舊采用由閥芯設(shè)定電流ivlv對應(yīng)來的二次先導(dǎo)信號pvlv，則會造成泵壓波動較為劇烈，容易引起整車沖擊大。于是在檢測突松手柄工況時(shí)，當(dāng)閥芯電流低于設(shè)定閾值時(shí)，二次先導(dǎo)壓力采用原始報(bào)文信號，保證泵的控制信號更加跟隨實(shí)際工況，即可實(shí)現(xiàn)泵和閥芯的分布控制關(guān)閉。降低泵壓的變化，減小停止沖擊。

3） 電流修正系數(shù)的控制：電流改變速度除去先導(dǎo)壓力的變化情況以外，還根據(jù)整車過程中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化、泵壓變化等不同的壓力參數(shù)和轉(zhuǎn)速參數(shù)對泵電流改變速度進(jìn)行修正，保證電流變化隨整車實(shí)際需要，防止泵壓變化劇烈，降低整車沖擊。

2.4 反饋控制

當(dāng)斗桿停止時(shí)，檢測斗桿停止時(shí)的沖擊狀況。若整車沖擊顯著改善，泵壓變化緩和，則保持此時(shí)設(shè)定參數(shù)，后續(xù)突松手柄動作均按照該流量閥芯設(shè)定系數(shù)進(jìn)行修正；若整車沖擊仍舊難以接受，則重新再次調(diào)節(jié)泵電流設(shè)置的閥芯電流閾值，以及先導(dǎo)壓力變化速率，直至沖擊滿足需求。

3 結(jié)果驗(yàn)證

在挖機(jī)仿真平臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。之前的程序版本采用的是原始先導(dǎo)壓力控制泵流量，以及原始先導(dǎo)壓力控制閥開度的并行控制，沒有考慮閥泵的相互制約，也沒有考慮突松手柄的操作，導(dǎo)致泵壓波動較為劇烈，沖擊較大。更新自適應(yīng)斗桿控制邏輯，泵壓改善顯著，具體仿真結(jié)果導(dǎo)出如圖2所示。

圖2 動態(tài)優(yōu)化方法物理仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖

圖2信號從上到下依次代表原始報(bào)文壓力信號、斗桿電流信號、泵的壓力信號。其中泵壓與整車沖擊度聯(lián)系密切，沖擊越大，泵壓波動越劇烈。圖2a為修改策略之后的仿真圖，圖2b為修改策略之前的仿真圖，可見泵壓變化有明顯改善，該方法策略能夠有效降低斗桿沖擊。

4 結(jié)論

1） 本文提出的斗桿自適應(yīng)控制方法，綜合考慮了泵和閥的協(xié)同控制。既保證正常操作手柄時(shí)泵和閥能夠同開同閉，保證操控性和連貫性，又保證了突松手柄時(shí)閥芯和泵電流錯開關(guān)閉，保證了駕駛體驗(yàn)的舒適性。

2） 本文提出的斗桿自適應(yīng)控制方法注重駕駛員的駕駛體驗(yàn)，在整車沖擊大駕駛不舒暢時(shí)，又可以反饋控制重新調(diào)節(jié)之前設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，保證整車的實(shí)時(shí)更新性和自適應(yīng)性。