液压挖掘机功率优化电控系统的设计

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引言
液压挖掘机能量的总利用率一般仅为20%左右，能量损失巨大，因而节能技术便成为衡量液压挖掘机先进性的重要指标。目前国外的技术大多是采用电子功率优化系统，对发动和液压油泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配以获得节能效果。该系统由单片机控制的无级调速的电控油门和电磁比例阀使挖掘机的机电一体化程度大大提高。可以根据发动机负荷的变化，由微处理器控制调节液压泵所吸收的功率和油门的开启度，使发动机始终保持在额定转速附近以全功率投入工作；同时电控油门还可以使发动机转速在很大的范围内任意设定。由此电控系统控制的挖掘机工作性能将会更稳定，操作起来更加精细，平滑可靠，没有冲击感，能量利用率更高，更节省燃料，节能效果自然更明显。另外，还可实现对发动机转速的实时监控及自动怠速、自动升速和自动稳速等的控制功能。
! T& @9 E  L4 f  \+ K# C3 s8 M1电控系统主控对象
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液压挖掘机功率优化电控系统的设计
- k3 q" h( b1 t  @7 K液压挖掘机主要由工作装置、转台和行走装置三部分组成，它的半臂铲挖动作、驾驶室转动动作和行走动作都是在液压系统的油缸和马达的驱动下完成的。而液压系统的油源又是由发动机带动的液压油泵提供的，因此发动机和液压油泵就是液压挖掘机整车的动力源，功率优化控制系统的主控对象也就是发动机和液压油泵。这里配置的发动机是康明斯柴油发动机；而液压油泵则是斜盘式柱塞变量泵，其结构示意图如图1所示。
斜盘式柱塞变量泵的排量和流量可以通过改变斜盘倾角来改变。柱塞泵的斜盘前后有两根耳轴支承在变量壳体的两个圆弧导轨上，斜盘可以耳轴中心线为轴心摆动，使倾角改变。斜盘中部装有销轴，其左侧球形端部插入变量活塞的孔内。当变量活塞顶部的负载变大超过弹簧弹力时，变量活塞会向下移动，使斜盘倾角变大，泵的流量就会变大，液压泵吸收的发动机的功率也会跟着变大。只要能控制好液压油泵变量活塞所受压力的大小就可以控制液压油泵的吸收功率。
2电控系统控制原理
2．1对发动机转速控制
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图2发动机的外特性曲线
3 g# Y1 q/ V, b柴油机的外特性曲线如图2所示。由图可见，柴油机基本上是恒扭矩调节的，其输出功率的变化表现为输出转速的变化，即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速，也就是说我们可以通过对油门开度大小的控制来实现对发动机输出转速的控制。门开度大时，喷油泵有效供油行程大，循环供油量大，发动机转速提高；反之，转速就低。只要我们能使油门开度微动调节，供油行程一点一点变化，就可对发动机进行无级调速。
2．2对液压油泵的控制
- S) R/ k# g# B: S" s, Z' ~4 v- X由柴油机的外特性曲线还可以看出，当喷油泵的油门拉杆处于某一位置时，柴油机的输出扭矩随转速变化的特性曲线很平坦。这种特性对柴油机的工作是很不利的，当柴油机的负荷有较小变化时，其转速就会发生很大的变化。所以发动机在驱动工作机械时，只有当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等，发动机才可以稳定工作。如阻力矩超过发动机的输出扭矩，发动机转速将下降；反之，则升高。
2.2.1对超负荷运行状态的控制液压挖掘机在施工作业中，如遇到坚硬结实的地面时，铲挖阻力大，工作负载变大，执行元件动作变缓，回油变慢，而油泵仍继续向系统供油，油缸内的油压急增，使系统压力过大，发动机的输出扭矩已小于这时的工作阻力，于是，发动机开始超负荷运转，转速迅速下降，甚至导致“熄火”。这时单靠拉大油门，硬性地使发动机转速升上去，溢流损失会很大，甚至会使油路因压力过大而漏油；还有一种情况是负荷特别重，油门已在最大位置，而我们已无法再通过调节油门来升速。这时我们可以通过降低液压油泵向系统提供的液压油量来降低系统的压力，减少油泵对发动机功率的吸收，从而降低油泵的输出扭矩。这样一来，即使回油变慢，泵油量也会同时减小，油缸内的油压就不会太大，系统的压力也将减轻，从而降低了发动机的负载，这时发动机就不会再“熄火”，仍然可以保持额定转速运转，发挥最大的有效功率，只是挖掘动作变得慢了些。
' x/ r  b" O% K' K" }0 G2.2.2对正常负荷运行状态的控制挖掘机正常工作负载时，我们也可以通过调节液压油泵对发动机功率吸收量的大小使发动机始终能保持在额定转速附近，发挥最大的功率；同时，防止发动机多余的能量进入液压系统，使系统压力过高和液压油过热。而且对应着工作负载大小的不同，发动机保持额定转速的油门位置也会不同，负荷越小，油门就越小，油料消耗也越小。另外，当挖掘机工作负载很轻时，为降低油耗，我们还可以将发动机转速调小，相应的降低油泵的吸收功率，使发动机在较低转速下仍能稳定工作，同时又降低了油门，减少了油料的消耗，达到更好的节能效果。
3电控系统硬件配置
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* o3 l- k( @" @# e+ r5 J图3液压挖掘机功率优化电控系统示意图
! k% r$ r! Z+ |: _! d3．1系统执行部件的选用
# B# K4 G# e% h; J1 f伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。为实现对发动机油门开度大小的控制，我们选用额定工作电压为12V、功率为30W的永磁式直流伺服电动机。该电机将从控制系统过来的直流电信号快速转变为轴上的角位移输出，从而通过与电机轴相连的摆杆来带动油门拉杆运动。
4 G# {- o. n6 H9 {, _对于液压油泵斜盘倾角的调节和控制，我们是通过在液压油泵的先导控制油路前增加一个电磁比例阀来实现的。电磁比例阀是将手动调节压力、流量等参数的压力阀、流量阀改为电动调节，并使被调整参数和给定的电量成比例。改变电磁铁线圈上的电流就可调整阀芯的开度，进而改变作用在液压油泵变量活塞上的压力以及活塞的位置，由此可以实现对液压油泵的变量调节。
& s& n! [3 h, n3．2系统检测器件的选用
0 k8 h  X. _  k( M4 h# \  a为对发动机转速进行实时监控，需在发动机飞轮处加一个转速传感器。这里配置的是磁电式转速传感器。它可以直接给出发动机转速值。
; u" {/ N/ o8 }9 u6 {) d在发动机升降速调整时，为协调好油门开度和液压油泵斜盘倾角之间的关系，我们在油门拉杆的最大位置和最小位置处分别装了两个电感式位置传感器，每当油门拉杆到达这两个极限位置，电感线圈的磁通量就会发生相应的变化，检测到油门此时的位置并向控制器发出信号。
另外，为使控制系统能完成自动怠速、自动升速等功能，我们在挖掘机驾驶室内的操作手柄内部和脚踏板的底部也安装了传感器。手柄内装的传感器是电容式的，可以检测任何非金属物体；脚踏板下的传感器与油门位置传感器相同都是电感式的，可检测任何金属物体。这样，只要挖掘机的操作人员将手握住手柄或踏下脚踏板，传感器就会向控制器提供有液压操作的信号。
3．3系统主要元件的选用
该控制系统是液压挖掘机功率优化的中枢，其基本组成部分有中央处理单元、存储器、I/O接口、人机界面及系统支持单元等。
3.3.1控制核心CPU的选择将中央处理单元、随机存储器、只读存储器、定时/计数器和I/O接口都集成在一个芯片上的单片机，是专为工业控制和智能仪器设计的集成度很高的微型计算机。其简单可靠，小巧便宜的优点恰能满足我们的设计需求，非常适合做电控系统的核心。为防止软件程序过大，所选用的单片机只读存储器内存应该大一些。AT89C52型单片机是一种低功耗，高性能的CMOS八位机，它带有8K可编程和擦除的只读存储器，还提供了256字节的随机存储器，32线I/O口，三个16位定时器/计数器，八个中断源，并且还具有三级程序存储器加密功能，条件比较适合，因此，我们就选用了这种单片机。
/ x( {% K; w3 N' z( ^3.3.2显示器件的选择在所设计的控制系统中我们使用了两片SAA1064驱动8位LED显示数码管，4位LED用来显示4位转速值，还有一位分别显示不同的两个字母以表明显示速度值是实际转速还是设定转速。
3.3.3模/数、数/模转换器的选择在控制电磁比例阀时，单片机89S52发出的控制信号是数字量的，这样的控制信号还不能实现对比例阀电磁线圈通电电流大小的改变，还需要D/A转换器将数字量的控制信号转换成模拟信号，在此我们选用了带ⅡC总线接口的PCF8591A/D、D/A转换器。
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) E! i) q+ e  u$ r, B( b图4主程序流程图
: L! G+ j$ t8 \! w+ G: S6 w3.3.4光电隔离器的选择由于光电耦合的信号传递采取电—光—电形式，发光部分和受光部分不直接接触，被耦合的两个部分可以自成系统，使强电部分与弱电部分隔离，所以可有效的避免干扰由输出或输入通道窜入控制器，从而保证电路工作的可靠性。在进行电路设计时，为避免干扰使电路工作更可靠、稳定，我们在控制器与输出信号的放大电路和输入信号的整形电路之间都使用了光电耦合TLP521A。
4电控系统的软件设计
& C8 I( o9 Y' [该挖掘机功率优化电控系统的程序设计主要由主程序、调速子程序、怠速子程序、稳速子程序和按键程序等几个部分组成，程序中使用了四个中断，其中TO做计数器，T1做通用延时定时器，T2做闸门定时器读TO，INTO判断按键。
; ~' y8 ?0 O2 i# k$ h这里只将主程序流程图列出，如图4所示。
5结语
实践证明，该液压挖掘机全程功率优化电控系统的设计，大大提高了液压挖掘机的能量利用率，既节约了燃料，又节省了人力。并且，经优化改进的液压挖掘机工作性能更加稳定，操作起来更加精细，平滑可靠。完全达到了预期目的，即：实现对发动机转换的实时监控及自动怠速、自动升速和自动稳速等的控制功能。该技术若进一步得以推广应用，必将为我国挖掘市场带来重大经济效益。
【MechNet】
文章关键词： 发动机