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基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 摘要 本论文从国内外液压挖掘机电子节能应用现状出发，设计液压挖掘机 电子节能控制系统。将“改进的变结构单神经元自适应p i d 控制算法 应用 于发动机变量泵的功率匹配控制中，通过仿真表明该算法具有优越性。 由于液压挖掘机有单、双变量泵系统，为了将改进的变结构单神经元 自适应p i d 控制算法应用于不同系统，研究了单、双变量泵与发动机功率匹 配的控制策略。同时为了解决发动机一变量泵功率匹配环节与变量泵一负 载匹配环节之间存在的不协调问题，设计了变量泵一负载匹配系统，依据 操作人员手柄位置信号，控制变量泵输出流量按比例分配到各个负载，实 现液压挖掘机的发动机变量泵一负载的功率匹配。 嵌入式计算机控制系统是当今单片机控制系统的研究热点之一。将嵌 入式系统应用于液压挖掘机的电子节能控制中，选择a r y 7 系列处理器 l p c 2 2 9 4 作为这个控制器的核心，对液压挖掘机功率匹配电子节能控制器进 行了设计，为液压挖掘机电子节能控制器的研究开发打下了基础。 关键字：液压挖掘机电子节能变结构单神经元控制功率匹配嵌 入式系统 t h er e s e a r c ho ne l e c t r o n i ce n e r g y 二s a v d 寸g c o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ce x c a 气t o r b a s e do na r mp r o c e ss o r a bs t r a c t t h ep a p e rd e s i g n sa l le l e c t r o n i ce n e r g y s a v i n gc o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i c e x c a v a t o rf r o mt h ec u r r e n ta p p l y i n gs i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d a n da p p l i e st h e a l g o r i t h mn a m e d t h ei m p r o v e dv a r i a b l es t r u c t u r eo fp i dc o n t r o la l g o r i t h m b a s e do ns i n g l en e u r a ln e t w o r k i nt h ep o w e rm a t c h i n gc o n t r o ls y s t e mt ot h e e n g i n ea n dv a r i a b l ep u m p ，s i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t ei t ss u p e r i o r i t y s i n c et h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rh a ss i n g l eo rd o u b l ev a r i a b l ep u m ps y s t e m , i no r d e rt oa p p l yt h a ta l g o r i t h mt od i f f e r e n ts y s t e m s ，s t u d i e st h ep o w e r m a t c h i n g c o n t r o lt a c t i c sf o re n g i n et os i n g l eo rd o u b l ep u m ps y s t e m a tt h es a m et i m e ，f o r s o l v i n gt h eu n h a r m o n i o u sq u e s t i o nb e t w e e nt h ep o w e rm a t c h i n go fe n g i n ea n d v a r i a b l ep u m pa n dt h em a t c h i n go fv a r i a b l ep u m pa n dl o a d s ，d e s i g n sa m a t c h i n g s y s t e mc o n t r o l l i n gt h eo u t p u tf l u xb yp r o p o r t i o n a la l l o t m e n tt oe a c hl o a d s ， r e a l i z e st h ep o w e rm a t c h i n go fe n g i n ea n dv a r i a b l ep u m pa n dl o a d so nt h e h y d r a u l i ce x c a v a t o r i nt h e o r y e m b e d d e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi so n eo fh o tr e s e a r c ho fs i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi nt h en o w a d a y s t h ee m b e d d e ds y s t e mi s a p p l i e dt ot h ee l e c t r o n i cs a v i n g e n e r g ys y s t e mo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r t h e l p c 2 2 9 4o fa r m 7s e r i e sp r o c e s s o ri sc h o s e 弱t h ec o n t r o l l e rc o r e ，a n dt h e s a v i n g e n e r g ym a t c h i n gc o n t r o l l e rh a sc a r r i e do u td e s i g nt ol a yd o w nb a s i sf o r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c e n e r g y - s a v i n gc o n t r o l l e ro fh y d r a u l i c e x c a v a t o r - n k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；e l e c t r o n i ce n e r g y - s a v i n g ；v a r i a b l es t r u c t u r e ； s i n g l en e u r a ln e t w o r k sc o n t r o l ；p o w e rm a t c h i n g ；e m b e d d e ds y s t e m m 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：洳1 目舡印9 艿年易月g 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：砷l 虱匙导师签名：吴月；崎厶，眸6 月多日 广西大掌硕士掌位论文基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制勇。瓷研究 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 柳经通 2 0 0 7 1 0 1 号 1 1 2 课题研究意义 第一章绪论 液压挖掘机是工程机械的主要机种之一，是土石方开挖的主要机械设备，广泛应用 于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工 程等的机械化施工中。随着我国经济建设的高速发展，特别是国家逐步增加对高等公路、 铁路、住宅和水利设施的投入，挖掘机越来越显示出适应性强、作业效率高等优越性。 据统计，工程施工中约7 0 9 6 左右的土方量由挖掘机来完成 1 】。 据中国工程机械工业协会挖掘机械分会c e m a 中国市场挖掘机实销量统计库统计， 2 0 0 6 年中国挖掘机市场销量历史性地突破4 5 ，0 0 0 台，同比2 0 0 5 年增长5 8 6 。2 0 0 7 年9 月 份总计销售4 ，4 2 1 8 台，较2 0 0 6 年同比大幅增长超过4 1 。液压挖掘机作为工程机械的重 要产品之一，在国内经过2 0 多年的研究发展，从最初由定量泵、控制阀和定量马达组成 的液压系统，发展到变量泵、多功能控制阀和定量马达的液压系统；从最简单直接操纵 控制阀发展到伺服控制系统和电子报警系统，降低了系统的功率损失，提高了挖掘工作 效率。 由于液压挖掘机一般采用柴油机驱动，工作时间长，作业负荷重，消耗大量燃料， 排放大量废气。据统计，发动机输出功率只有2 0 左右变为挖掘机的有效功。除有效功 之外约4 0 损失于液压元件，约2 0 损失于车体和作业装置的运动，约2 0 9 6 损失于节流调 速控制乜3 。为了降低挖掘机的功率损失，国外从上世纪7 0 年代中期就开始将机电一体化 技术应用于挖掘机上。进入8 0 年代后，美、日、德等国在液压系统节能的基础上，纷纷 研制电子节能的液压挖掘机，如日本小松公司开发研制的e o l s s 节能控制器，可使其燃 油节省2 3 ；采用发动机泵复合控制的新型液压挖掘机，其燃油效率提高1 8 左右。 近年来，为了缩短与国外先进电控节能技术的差距，国内许多研究院所和大专院校 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 在积极研究节能技术，其节能方法为发动机转速自控系统、工作模式设置系统和溢流阀 溢流控制系统，这些系统使挖掘机在工作中降低了油耗，但是与国外先进技术相比还有 一定的差距。 电控节能技术作为挖掘机机电一体化的一个重要环节，通过计算机对监测到的挖掘 机状态参数进行分析运算，再去控制挖掘机的状态，提高发动机利用率，减小液压系统 功率损失，使动力系统和负载所需功率更好地匹配。通过开发挖掘机电子控制系统可以 解决挖掘机节能技术的瓶颈，降低发动机和液压元件的工作强度，减少系统发热，提高 设备可靠性，降低燃油消耗，从而能产生可观的经济和社会效益，意义非常重大眵】。 1 2 液压挖掘机电控节能技术的发展 1 2 1 国外电控节能技术的研究状况 目前国外各大公司的挖掘机产品均不同程度地配备了电子节能控制系统，如德国 o & k 公司的p m s 系统、l i n k m b e l t 的c a p s 系统；美国卡特皮勒的a e c 系统：日本日立的o h s 系统、小松的o l l s 及c a o s 系统、加藤的a p c 系统、神钢的i t c s 系统；韩国大宇的e p o s 系 统等胡砌【7 】o p m s ( p u m p i a n a g i n gs y s t e m ) 系统： 该系统应用在o & k 公司生产的f u t u r e 挖掘机上，p m s 系统既是油泵管理系统，该系统 的主要作用是调整和控制发动机及油泵。 c a p s ( 计算机辅助功率系统) ： 美国的l i n k - - b e l t ( 林肯一贝尔特) 公司的l s - 5 8 0 0 型液压挖掘机安装了全控制液 压系统和c a p s ，该系统为挖掘机设置了3 - 4 种工作方式，每一种方式的设计与各自的转 速及系统压力相匹配，电子控制系统提供了最大的工作效率和最少的油耗，工作时根据 工作环境选择功率方式提高了挖掘机的作业功率，更好地发挥了液压系统的功能。 a e c 系统： 卡特生产的c a t 3 2 0 挖掘机主变量泵伺服系统中的重要组成部分，主要由比例减压阀 和电子控制器组成，电子控制器通过控制比例减压阀来控制变量泵的排量。其控制规律 是：当发动机转速下降或挖掘机无载荷时，电子控制器输出电压增加，比例减压阀的输 出压力增加；当发动机转速上升或挖掘机有负载时，电子控制器输出电压减小，比例减 压阀的输出压力减小。这样，通过变量泵的负载反馈信号来改变变量泵斜盘的倾角，匹 2 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制勇。晓研究 配合适的变量泵排量，从而达到发动机变量泵功率匹配的目的，以满足挖掘机工作速 度对流量的需求。 o l l s 系统( 开式中心负荷传感系统) ： 日本小松公司开发的新型节能控制器，它由多联变量泵、多路控制阀、先导阀和3 种先导压力控制阀等组成，并安装在轴向柱塞变量泵上，使挖掘机在各种挖掘负荷作用 下，实行恒定扭矩控制。这样可以有效地利用发动机功率，起着自动变速的作用，降低 了能量损耗。该装置有良好的节能效果，不但减少了能量损失，降低了挖掘机的平均燃 耗量，使其燃油节省了2 3 ，而且还消除了作业装置的滑移和噪声现象，同时延长了液 压油的使用寿命。 c a o s ( c o m p u t e ra i d e do p t i m u ms a v i n ge n e r g y ) 系统： c a o s 系统就是计算机辅助最佳节能系统，日本小松公司生产的p c i 5 0 0 系列挖掘机采 用该系统。挖掘机利用传感器得到工作状态的各种参数一铲斗、动臂及斗杆的转角、发 动机的转速、液压系统的压力、各个控制阀杆的行程等电信号，对数据进行分析，按照 预定程序加以控制，实现节能控制。 a p c ( a u t o m a t i cp o w e rc o n t r 0 1 ) 系统： 日本加腾公司生产的h d 系列挖掘机采用的是a p c 系统，能根据作业内容和现场状况 利用传感器将工作装置各个工作状态变量产生的模拟量，通 d a d 转换成数字量传到 a p c ，用计算机控制液压泵的供油量，保持发动机输出功率和液压泵输出功率的最佳匹 配，并且可以任意选择挖掘机作业方舯( 高) 、m ( 中) 、l ( 低) ，提高工作效率。 e p o s 系统( 电子功率优化系统) ： 采甩了新型电子动力优化系统e p o s ( e i e c t r o n i cp o w e ro p t i m i z i n es y s t e m ) ，该系 统通过e p 0 s - _ m 控制器( 微处理器) 实现对柴油机、液压泵和控制阀的电子综合控制，使 挖掘机具有了动力模式、作业模式、回转优先功能、自动变速、自动怠速和防过热等功 能。由于这些机电一体化技术的应用，使挖掘机提高了作业效率和操纵性能，降低了油 耗，延长了使用寿命。达到明显的节能效果，目前在大宇挖掘机上采用。 另外，应用于挖掘机的典型液压系统基本上采用负荷传感系统和负流量控制系统两 种类型。负荷传感技术是一种利用泵的出口压力与负载压力差值的变化而使液压系统流 量随之相应变化的技术，它具有节能和控制性能好的特点。负流量系统是通过位于主控 制阀后面的节流阀建立的压力对主泵的排量进行调节的系统，使得液压系统具有稳定性 好、响应快、可靠性和维修性好等特点。 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 从国外液压挖掘机系统技术的发展来看，节能控制技术的重点在发动机一液压变量 泵复合控制和液压系统内部的节能控制两方面。而在电子节能控制技术中，发动机一液 压变量泵复合控制是通过改变变量泵的排量大小来实现发动机变量泵功率匹配。 1 2 2 国内电控节能控制技术的研究状况 目前，在我国工程机械行业中，微机控制技术的应用仅处于探索和起步阶段。国内 工程机械厂家应用的节能控制系统基本是从国外进口，比如广西柳工机械股份有限公司 的c 系列挖掘机配置的c a p c 微电脑控制系统，实现动态控制液压系统功率跟随柴油机输 出功率，使发动机的能力得到充分的发挥疆1 ；湖南三一重工生产的s y 2 3 0 c 6 型挖掘机采用 的控制系统是以e p s 控制器为主的控制系统，能根据机器的操作状况，自动调整功率匹 配和优化作业模式阳1 。为了缩短与国外的差距，国内一些科研院校和液压挖掘机厂家也 进行了很多的自主研发工作，如浙江大学研制的液压挖掘机机器人将负流量控制、正流 量控制、交叉功率控制和压力切断等节能策略组合起来，取得了良好的控制效果。广西 玉柴股份有限公司试制了w y 2 0 - y c 液压挖掘机，具有电子功率调节、三挡功率预选等功 能，但成本较高，推广有一定的难度。吉林大学与徐州工程机械集团公司合作开发电控 液压挖掘机系统项目也取得了一定的成效。湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学 协作，在国家8 6 3 项目的支持下，投入大量资金，研发具有自主知识产权的机电一体化 挖掘机n 们。目前，这些研究仍停留在理论和实验阶段，产品性能和质量仍与国外产品存 在着较大的差异，没有形成商品化。 1 3 本论文主要研究的内容 液压挖掘机控制系统的控制环节较多，主要环节有：发动机的分工况控制、发动机 变量泵功率匹配、变量泵一负载的功率匹配控制。目前，国内外较先进的液压挖掘机 都是通过调节泵的排量来实现功率匹配控制，达到液压挖掘机节能降耗的目的n l m 羽。 研究工作内容： 1 ) 对液压挖掘机电子节能控制系统进行方案设计，并选择合适器件为控制系统的 设计提供理论支持，为实验台的搭建做准备。 2 ) 利用转速感应控制策略，对发动机转速进行控制。柴油机采用分工况工作方式， 将油门位置固定在某一位置，当负载变化时，应用自适应控制算法和控制策略合理匹配 4 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系放研究 单双变量泵，实时调节排量，以稳定发动机转速，使发动机始终工作在某一指定的工况 的最低耗油线上，达到提高挖掘机工作效率和降低油耗的目的。 3 ) 研究单双变量泵分别与发动机功率匹配控制策略，同时为了解决发动机变量 泵功率匹配环节与变量泵一负载匹配环节之间存在的不协调问题，设计变量泵一负载匹 配系统，实现发动机变量泵一负载系统的匹配。 4 ) 应用一种自适应控制算法，来适应挖掘机系统内部参数调整，满足工况需要， 实现发动机变量泵的功率匹配控制，并通过建立发动机变量泵系统模型，进行仿真 研究，验证算法的优劣性。 5 ) 以a r m 处理器作为控制器的核心，开发与研究液压挖掘机电子节能控制器，对其 硬件与软件进行设计，并以模拟实验验证算法及采样程序的正确性。 1 4 本章小结 l 、本章分析了国内外挖掘机电子节能控制系统的研究及应用现状，阐述了国内研 究与国外电子节能技术发展的技术差距。在挖掘机电子节能控制技术中，重点是发动机 一液压变量泵复合控制。而实现发动机一液压变量泵复合控制的手段是通过改变变量泵 的排量大小。通过开发挖掘机电子控制系统可以解决挖掘机节能技术的瓶颈，降低燃油 消耗，减少系统发热，从而能产生可观的经济和社会效益，意义非常重大。 2 、通过对国内外现状分析，提出论文研究工作内容。 5 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 第二章液压挖掘机电子节能控制系统方案 液压挖掘机液压回路设计的初期主要着重于研究采用几个液压泵、阀组分块分泵供 油的形式、多路操纵阀与各阀杆之间油路的连接方式，以及如何向各液压元件进行分配 供油、更好地满足工作过程各阶段的作业要求和各种作业工况要求等。 挖掘机液压回路最初采用单泵( 图2 ：1 ) ，因为单泵能量损失大、不能满足复合动作 要求，很快地改用双泵，如图2 2 所示。接着采用双变量泵系统，实现全功率控制，如 图2 3 所示。 图2 1 单定量泵液压系统 f i 9 2 ih y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo fs i n g l ec o n s t a n tp u m p 图2 2 双定量泵液压系统 f i 9 2 2h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo fd o u b l ec o n s t a n tp u m p 由于双泵系统只有两个泵，只能保证两个动作完全独立，3 个液压元件同时复合动 作时，必然失去相互动作的独立性，产生动作不确定性。三泵系统则可实现3 个动作独 立，所以欧美国家为保证回转作业的独立性，特别是用于起重作业时采用如图2 3 所示 的三泵系统，回转油路采用了专用的小排量定量泵。而博世力士乐l u d v 系统的出现，解 6 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制勇u 晓研究 决了单泵不能满足复合动作的问题，如图2 4 单变量泵液压系统，能实现对不同负载压 力的多个执行元件同时进行快速和精确的控制，各个执行元件互不干涉n 羽。 图2 3 双变量泵液压系统 f i 9 2 3h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo fd o u b l ev a r i a b l ep u m p 图2 4 单变量泵液压系统 f i 9 2 4h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo fs i n g l ev a r i a b l ep u m p 上述可知，单双变量泵的液压系统之间存在差异，单变量泵系统中，发动机需要驱 动一台变量泵，而双变量泵系统中，发动机需要驱动两台变量泵。另外，单变量泵系统 用一个变量泵排量调整机构，双变量泵系统可用一个整体调整机构也可以用两个排量调 整机构。挖掘机节能控制系统方案必须考虑这两种系统区别，设计单变量泵节能控制系 统方案如图2 5 所示，变量泵为挖掘机执行机构的液压动力源，单定量泵为变量泵排量 改变机构的液压动力源。双变量泵节能控制系统采用两个变量泵排量调整机构方案如图 2 6 所示，很容易与单变量泵系统相区别。此两系统主要包括动力系统，主泵变量系统， 电子节能控制器，油门执行器及测量传感器。 为方便电控节能控制系统研究设计，选用四川邦立重机有限责任公司生产的 c e 4 0 0 - 5 液压挖掘机为原型，该产品柴油机和液压系统主要性能技术参数表如表2 1 所 示m 1 ，动力系统是华北柴油机厂生产的f 8 l 4 1 3 f 型柴油机，主泵是贵州力源液压厂生产 7 广西大掌硕士掌位论文基于 删的液压挖掘机电子节能控制系统研究 图2 5 挖掘机单变量泵节能控制系统的方案 f 啦5e n 嗍- s a v 崦伽l 仃o l 科s t e mf o rs 吨l ev 撕a b l cp u m po f h y d r a i l l i c 黝v a t o r 图2 6 挖掘机双变量泵节能控制系统的方案 f i 9 2 6 哪- s a v i n gc o n 加l 锣s t 哪f o rd o u b l ev a r i a b l ep 呱l po f i 可d r a 吡l i c 淞v a t o r 3 广西大掌硕士掌位论文囊；于 删的液压挖掘机电子节能控制系统研究 的a 7 v 1 6 0 型液压泵。 表2 1c e 4 0 0 5 型液压挖掘机的主要性能技术参数表 柴 型号 f 8 l 4 1 3 f 油 功率 k w 1 4 0 转速 r m i n2 0 0 0 机 燃油箱容量 l4 2 0 主泵a 7 v 1 6 0 液 主油路最大工 m p a2 7 4 压 作压力 系 主油路工作流 u m i n2 x 2 5 0 量 统 操纵方式液压先导控制 液压油箱容量 l 6 0 0 2 1动力系统 2 1 1 柴油机调速特性 由于液压挖掘机一般采用柴油机驱动，本文中的发动机就是以柴油机作为动力源， 图2 7 为带有全程式调速器的柴油机特性。它以转速为横坐标，图中曲线1 表示负荷的速 度特性，可参考图2 8 所示f 8 l 4 1 3 f 机型外特性，这时调速器不起作用。曲线2 - - 5 代表 调速器操纵手柄在不同的位置时，柴油机转矩和燃油消耗率与转速的变化规律，即调速 特性。这样的竖线有无穷多，每一条竖线都对应一定的转速范围。在这个转速范围内， 柴油机的负荷可以由零变化到最大，燃油消耗率可以由最低增至最高，而转速的变化范 围不大，转速曲线几乎变成竖线，使柴油机能在该转速范围内稳定工作n 射。由该图可以 看出，由于调速器的作用，柴油机的转矩和燃油消耗率曲线得到了改造，可以在标定值 变化到零或由零变化到标定值，转速却变化很少，从而保证了柴油机的工作稳定。 2 1 2 柴油机万有特性 柴油机特性曲线有负荷特性和速度特性两种。负荷特性是指转速不变时，柴油机的 性能指标随负荷而变化的关系，当柴油机的负荷特性用曲线的形式表示出来时，就称之 为负荷特性曲线。柴油机的速度特性，是指柴油机在油量调节机构( 油量调节齿条、拉 杆或者节气门) 保持不变的情况下，主要性能指标( 转矩、油耗、功率、排气温度、烟 度等) 随柴油机转速的变化关系n 町。 9 广西大掌硕士掌位论文基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 m 2 7 全程式调速器的柴油机特性n 6 1 f i 9 2 7d i e s e lc h a r a c t e r i s t i co ff 8 l 4 1 3 f 燃1 2 辨 磁 错溯渤嬲 糠船，瑚国f l l 撇薹 渤= ：铝略窖 m 2 8f 8 l 4 1 3 f 机型外特性n 6 3 f i 9 2 8e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co f v a r i a b l e s p e e dg o v e r n o r 1 6 1 柴油机的负荷特性和速度特性曲线只能用来表示某一转速或某一油量控制位置时， 柴油机各种参数的变化规律，不能全面地表示柴油机的性能。由于工程机械的工况变化 范围广，要分析各种工况下的性能就需要许多条负荷特性和速度特性，这很不方便，也 很不清楚。为了方便、直观和全面的了解柴油机的性能，判断它的适用范围，以及它在 各种转速和各种负荷下的动力性和经济性，将多条负荷特性或速度特性曲线综合绘在一 张图上，这就是柴油机的万有特性曲线n 引。 万有特性一般以转速以为横坐标，以负荷( 平均有效压力匕) 为纵坐标，在图上 绘出若干条等油耗曲线和等功率曲线。f 8 l 4 1 3 f 型柴油机的万有特性曲线如图2 9 所示。 从万有特性上，可以清晰地了解到柴油机的各种工况下的性能，很容易找到最经济的负 荷和转速。在万有特性图上，最内层的等燃油消耗曲线相当于柴油机运行的最经济区域， 等值曲线越向外，经济性越差。等燃油消耗率曲线的形状与位置对柴油机的实际应用经 济性能有重要影响。如果该曲线的形状在横向上较长，则表示柴油机在负荷变化不大而 转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。如果该曲线的形状在纵向上较长， 则表示柴油机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。 对于工程机械用的柴油机，其转速变化范围较小而负荷变化范围较大，最经济区域应在 标定转速附近，并沿纵向较长。 嚣喜 墨毒鑫毒 撇猫珊 瑚糯，蝴滋瓣 攀荽 j _ 广西大学硕士掌位论文基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 图2 9f 8 l 4 1 3 f 机型万有特性曲线“6 1 f i 9 2 9c h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c ec u l w eo f f 8 l 4 1 3 f 【1 6 】 从万有特性曲线可以看出，柴油机在每个运行功率值下，都有一个最经济工作点， 就是等功率曲线和等耗油曲线的切点。如果将所有功率下的最经济工作点连接起来，就 形成了一条经济工作曲线，经济工作曲线如图2 9 所示。无论柴油机输出功率是多少， 只要工作点越靠近经济工作曲线，其燃油在此功率下的利用率就高，经济性就越好。 将万有特性曲线与调速特性曲线叠加起来( 两者坐标尺度一样) ，这条经济工作曲 线将与调速特性曲线相交，在交点上能反映以下信息，包括柴油机转速、输出扭矩、调 速拉杆位置、输出功率。其中，转速门和扭矩瓦，或者功率m 与调速拉杆位置口，每 一对数据都能唯一地确定最经济工作点的位置。 2 1 3 动力模式选择“ 叫2 1 挖掘机是一种多功能的机械，进行的作业内容有挖掘、装载、挖沟、填埋、整修、 搬运、破碎和平地等。所遇到的作业对象一土质变化较大，有软性粘土、松沙质土、紧 密沙质土、较紧密砂砾混合土、砂砾原石和软岩等。另外使用方式和要求也不同：有时 追求最大作业量，要求发挥最大功率，进行强有力地掘削：有时强调燃料经济性，生产 率要求不突出，进行一般挖掘和装载工作；有时则重视精度和安全，进行精细工作和微 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 调作业，在窄小的场地进行操作。为了适应不同作业和使用工况，满足人们的使用愿望， 就需要进行分工况控制，根据作业工况和使用要求来对发动机和液压泵进行优化设定， 控制发动机油门开度和液压泵排量。目前，国外挖掘机都有动力模式选择功能，有的挖 掘机还具有作业模式选择，采用电子控制技术，分档实现变量泵一柴油机联合调节。液 压挖掘机的分工况控制其动力模式控制系统如简图2 1 0 所示，图中省略了发动机与变量 泵的能量传递连线。 动力 菠压袈 图2 1 0 动力模式控制系统简图 f i 9 2 1 01 1 1 e 舳l 锣或锄o f p o w 盱m o d e 通过动力模式开关选择动力模式，输入控制器，经处理后控制器输出控制电流给电 液比例阀，不同模式输出不同的控制电流值，通过电液比例阀变为不同控制液压，经液 压泵排量控制机构，得各动力模式液压泵控制特性如图2 1 1 所示。 与此同时，按照所选择的模式，控制器对控制油门开度的油门执行器输出相应的电 信号，按模式要求控制柴油机转速( 油门开度) 各模式柴油机设定转速如表2 2 所示。 h 模式：重负荷挖掘模式。柴油机油门处于最大供油位置，泵设定为最高负载档： s 模式：节能模式。发动机转速下降至h 模式的8 5 ，同时通过电液比例阀使液压泵 的设定低于h 模式，燃料消耗为h 模式的8 8 ； f c 模式：微操作模式。发动机转速下降至h 模式的7 5 左右，同时控制器控制电磁阀 使泵压力油通向液压泵排量控制机构，使泵的最大排量降低至7 5 左右，由于发动机转 速的下降和液压泵最大排量的降低，两者作用加起来使液压泵流量降低至5 0 左右； 自动怠速模式：柴油机自动降速功能要求当操纵杆回中位4 秒后，自动进入怠速运 转，从而可减小液压系统的空流损失和柴油机的磨损，起到节能和降低噪声的作用；当 扳动操纵杆重新作业时，柴油机在1 秒内自动恢复到原来的转速状态。将表2 2 中各动力 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 模式设定柴油机转速，结合经济工作曲线，对应柴油机f 8 l 4 1 3 f 机型万用特性及调速特 性曲线，便可得到对应的最经济工作下的柴油机输出扭矩。即：柴油机油门在某一确定 位置，唯一存在最经济工作点，该点可由柴油机输出转速和扭矩确定。 q l o o 8 s 7 5 5 0 图2 1 l 各动力模式液压泵控制特性1 力 f i 9 2 1lt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co f h y d r a u l i cp r e s s u r ep u m pi nm a n yp o w e rm o d e s t l 7 】 表2 2 各动力模式柴油机设定转速表( 单位：r i n m i n ) 动力模式 h sf c 自动怠速 液压挖掘机2 0 0 0 _ * 器 1 7 0 0 + 器 15 0 0 + ；o o 8 5 0 舞 2 2 主泵变量系统 a 7 v 是斜轴式轴向柱塞变量泵，控制方式为电气比例控制，原理如图2 1 2 所示。a 、 b n 是工作油口，g d 是遥控压力口，s d 是吸油口，r d 是排气口。电气比例控制可以无 级地按程序控制泵的排量，泵的排量与电磁铁力量成正比，即与电磁铁的电流强度成正 比。贵州力源液压股份有限公司生产的型号为a 7 v 1 6 0 液压泵，排量规格为4 6 1 一 1 6 0 m l r ，控制电磁铁的电压为2 4 v ( 1 2 v ) ，电流为3 0 0 - - 6 3 0 m a ( 6 0 0 - - 1 2 6 0 m a ) 的直流 源，即控制起点为3 0 0 m a ( 6 0 0 m a ) ，控制终点为6 3 0 m a ( 1 2 6 0 m a ) 嘧1 。 图2 1 3 所示为控制电磁铁的电压、电流与泵的排量关系曲线图，a 7 v 1 6 0 对应规格 2 0 - 1 6 0 曲线图。由于泵排量规格为4 6 1 - 1 6 0 m l r ，控制起点电流 名血一= 4 6 1 1 6 0 = 0 2 8 8 所对应的电流大小。 广西大学硕士学位论文基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制系统研究 g s 图2 1 2a 7 v 变量泵电气比例控制原理图矧 f i 9 2 1 2t h ee l e c t r i c - p r o p o r t i o nc o n n o lp r i n c i p l eo f a 7 vv a r i a b l ep u m p 2 2 1 2 v 4 v 蛐 6 联l 知傍 t i 啦o 3 o 毒瓴7 l 曩 牧 控钥起点张v 嘛弋；= ：- 图2 1 3a 7 、，液压泵排量与控制电压、电流的关系曲线图嘲 f i 9 2 13t h ec u r v eo f a 7 vh y d r a u l i cp r e s s u r ep u m po u t p u ta n dc o n n o l l i n gv o l t a g e 、c u r r e n t m 2 3 电子节能控制器1 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高 性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 架构是面向低预算市场设计 的第一款r i s c 微处理器，基本是3 2 位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、 微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生 产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行， 可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间，降低了研发费用。 本方案选用的l p c 2 2 9 4 是p h i l i p s 公司推出的一款功能强大的超低功耗的具有 a r m 7 t d m i 内核的3 2 位微控制器。1 4 4 脚封装、两个3 2 位定时器、八路l 啦a d c 、四路c a n 通道和p w m 通道以及多达九个的外部中断，内部嵌入2 5 6 k 字节高速f l a s h 存储器和1 6 k 字 节静态r a m ，包含7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 ( 单片) 个g p i o 。如此丰富的片上资 1 4 基于 j 踟的液压挖掘机电子节能控制系统研究 源完全可以满足一般的工业控制的需要，同时还可以减少系统硬件设计的复杂度。另外， l p c 2 2 9 4 支持j t a g 实时仿真和跟踪、1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使3 2 位 代码能够在高达6 0 m h z 的操作频率下运行。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 2 、能够提供0 9 m i p s 姗z 的三级流水线结构： 3 、代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集； 4 、体积小、低功耗、低成本、高性能： 5 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 6 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 7 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 8 、寻址方式灵活简单，执行效率高。 2 4 油门执行器 油门执行器用来调整柴油机油门位置，控制油门开度，设定液压挖掘机的分工况动 力模式，实现柴油机调速及功率匹配功能。 油门执行器的主要部件采用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线 位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号 的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个 步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。但步进电机并不能像 普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等 组成控制系统方可使用。 步进电机的主要特性： 1 、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度( 称为步角) 转动。转动 的速度和脉冲的频率成正比。 2 、若步进电机的步进角度为1 8 度，一圈3 6 0 度，需要2 0 阶脉冲完成。 3 、步迸电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4 、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 1 s 基于a j 瑚的液压挖掘机电子节能控制系统研究 油门执行器的最大输出力矩为2 5n m ，便足以改变一般工程机械油门拉杆位置，油 门执行器的结构简图如2 1 4 所示。 图2 1 4 油门执行器的结构简引m 1 f i 9 2 1 4t h es 打u c t u r eo f a c c e l e r a t o r sa c t u a t o r 2 4 】 油门执行器一般由以下几部分组成：1 、面板；2 、力臂：3 、机架；4 、齿轮减速副； 5 、角位移传感器；6 、步进电机等组成。油门执行器面板上刻的标尺0 - - 1 0 0 ，是油门 执行器满量程动作角度9 0 0 u 度，直线行程8 5 衄1 4 0 衄，可以通过调整油门执行器力臂 上的滑块调整柴油机油门行程，以满足各种型号的柴油机油门开度调节。油门执行器基 本工作原理如图2 1 5 所示。 图2 1 5 油门执行器基本工作原理 f i 9 2 1 5t h eb a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l eo f a c c e l e r a t o r sa c t u a t o r 由控制器设定的方式控制油门开度，加大或减小柴油机油门，通过角位移传感器测 定执行器的位移量( 行程) 并反馈给控制器实行闭环控制。油门执行器拉杆可以在o o 9 0 0 对应8 5 1 4 0 锄范围内调整柴油机油门开度。在柴油机油门全闭的状态下，执行器拉 杆处于零位0 0 位置。柴油机油门全开的状态下执行器拉杆处于满度9 0 0 位置。 2 5 测量传感器 测量传感器包括油门位置传感器、速度传感器、压力传感器。油门位置传感器对油 门开度实时检测，提供油门位置开度信息；速度传感器用于对柴油机输出转速检测，实 1 6 广西大掌硕士掌位论文基于a 】瑚的液压挖掘机电子节能控制勇。甓研究 时提供柴油机转速给电子节能控制器；压力传感器提供油路压力信号大小给控制器，控 制器获得这些数据，通过判断及算法控制实现柴油机变量泵的功率匹配。 2 5 1 转速传感器 转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到 的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得 到的信号是脉冲信号，并经过光耦进行光电隔离，再连接节能控制器的速度采集端口。 电对转速的测量常用的有测频率法( m 法) 、测周期法( t 法) 。 定时累计平均值法( m 法) ： 测量转速最基本的方法就是定时累计平均值法，即计算在固定时间内测量转速输出 脉冲的个数的方法，又称为测频率法或m 法。利用定时累计平均值法，转速脉冲频率f 为： 厂：型 ( 2 1 ) 。 丁 式中：t 采样周期 个采样周期内的脉冲数 转速为： 刀= 瓦6 0 f r m 每转产生的脉冲数 误差率为： 1 亏2 万 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 采样周期作为一个时间间隔设定，脉冲的计数可能有一个脉冲的误差，所以不同的 转速测量，其误差是不同的，一个采样周期内，采得的脉冲数越多，则转速误差越小， 脉冲数越少，则转速误差越大。 有效脉冲发生时刻法( t 法) ： 有效脉冲发生时刻法就是通过计算转速信号两个有效脉冲之间的时间间隔来计算 转速，又称为测周期法或t 法。在a r m 嵌入式系统中，该方法可通过定时器捕获方式来实 现，求得两脉冲之间的时间间距，该时间间距对应于定时器计数寄存器中的t c 值，由于 t c 值的大小与定时器中分频寄存器p r 的分频值有关，所以转速的计算公式为： 疗：垒q ：缸( 2 4 ) 瓦最肘 式中：一一个转速脉冲对应的计数器的值 1 7 基于a r m 的液压挖掘机电子节能控制勇；统研究 m 一每转产生的脉冲数 最一分频值大小 厶砒一时钟频率 误差率为： 孝= 去 ( 2 5 ) 选择m 法还是t 法，都必须依据具体情况来定，一般来说，低速测量采用t 法，高速 测量采用m 法，另外，