3中大吨位履带起重机主要控制功能实现原理.doc

中大吨位履带起重机主要控制功能的实现原理1. 发动机状态监控及控制1) 发动机状态监控系统通过J1939总线与发动机ECU进行通讯并获得发动机的状态数据，通过其他传感器采集发动机所没有的信息，如柴油液位等信息，显示器动态显示发动机各参数或状态，采用虚拟仪表显示。发动机监控的主要内容包括：1 发动机转速（rpm），CAN总线信号或通过在飞轮壳上外加转速传感器；2 冷却水温度（），CAN总线信号；3 冷却水液位（%），CAN总线信号；4 机油温度（），CAN总线信号；5 机油压力（kPa），CAN总线信号；6 发动机工作小时（Hour），CAN总线信号；7 燃油液位（%），上、下油位超限报警，通过外加可变电阻来实现。一般特性满箱：1805，空箱：103。处理方法，再串一个100-150左右的电阻即可，要考虑到端子的最大输入电流，不可超过这个电流值，如图1所示。图1 油位传感器连接方法8 发动机空气滤清器报警，CAN总线信号；9 其他2) 发动机油门控制的方式(以TEREX-DEMAG5800为例)1 油门踏板控制a) 油门踏板（自复位）给出的电压信号（最大0-5V，正常0.5-4.5V）到主控制器，主控制器通过J1939总线控制发动机的转速。此类型可以做功率极限载荷控制，转速通过控制器中转。b) 油门踏板无操作时，发动机处于怠速状态，一般为600-800rpm。2 油门电位计控制a) 油门电位计（不复位）给出的电压信号（最大0-5V，正常0.5-4.5V）到控制器，主控制器通过J1939总线控制发动机的转速。此类型可以做功率极限载荷控制，转速通过控制器中转。b) 油门电位计无操作时：发动机处于当前电位计所处于状态，并一直保持此状态。3 自动油门a) 系统根据当前的主泵压力和手柄操作，计算系统所需功率，根据此功率控制发动机的转速，自动使发动机的转速和负载功率保持较好的匹配状态。b) 在自动油门模式下，当油门踏板控制有效时，发动机的转速为油门踏板控制的转速和自动计算的转速较高值。4 油门之间的转换a) 油门电位计和油门踏板的转速命令同时作用于控制发动机的转速，哪个计算的转速高，控制系统听哪个。两种控制方式的切换之间具有缓冲阶段，防止发动机转速变化过快。3) 发动机启动和停止1 发动机紧急停车控制当出现紧急状况时，发动机需要急停，发动机能够在短时间内紧急停车。此时，控制器需要接收到一个信号，所有控制器输出复位。2 发动机启动、停车控制：启动、停止采用总线控制a) 当控制器收到钥匙开关发出的点火信号后，向发动机发送启动信号，若是发动机经过5秒的时间起动机在运转而发动机仍然未启动，停止向发动机发送启动信号。控制器需要等待下一次启动信号后才能继续发送启动信号。b) 当钥匙开关停止向控制器发送起动信号后，控制器立即停止向发动机发送启动信号。c) 当控制器收到熄火信号，立即向发动机发送熄火信号，没有延时。图2 TEREX-DEMAG 5800 车型的油门控制开关2. 液压系统和发动机的功率匹配控制1) 极限载荷控制在起重机的实际使用中，还是常常出现发动机与液压系统功率不匹配的现象，导致发动机转速下降过多，偏离最佳工作点，增加油耗，情况严重的还会导致发动机熄火。控制系统根据当前发动机的转速变化，判断发动机转速的失速状况。如果失速过大，则控制系统自动调节（减小）变量泵的排量，或者同时降低马达的吸收功率，使发动机的输出功率减少至和负载功率相匹配，保障发动机处于较佳的工作状态。可通过发动机失速率K的大小来侧面判断泵的吸收功率PP是否大于发动机的输出功率PE。具体实现方法：根据发动机的空载油门-转速曲线，设定发动机允许失速率，即设定判断发动机是否超载的允许极限转速曲线nlimit，如图3所示：当在发动机处于某个油门位置状态下时，检测到的实际发动机转速n小于允许极限转速nlimit，则认为泵的吸收功率PP大于发动机输出功率PE，需要进行对泵的排量调节。一般的，最大允许失速率在1015%左右，即当发动机处于低怠速（800rpm）时，允许发动机转速下降80120rpm左右，而当发动机处于高怠速（2100rpm）时，允许发动机转速下降210315rpm左右。当极限载荷控制系统判断出泵吸收功率PP大于发动机输出功率PE，需要进行调节后，系统迅速做出响应，降低变量泵的排量，使发动机转速回到允许的转速范围内。调节方式一般采用PID调节方式。在实际应用中，当负载功率过大时，会导致发动机转速下降得很快，如果不能及时调整变量泵的排量，则会导致发动机在很短时间内熄火，经实际测量，此时间可小于0.5秒。因此，对PID的动态响应速度提出了很高的要求。图3 允许极限转速曲线同时，起重机在工作时，又要要求运行平稳，因此在极限载荷控制下，不能让起重机的执行机构工作速度出现震荡，即对PID调节的稳定性要求较高。基于上述实际需求，单一PID参数已经不能满足实际需求，多PID参数成为必需。经过实际试验，当失速率在1020%时，PID调节应以稳定性为主，在进行PID参数整定时应使比例参数P和微分参数D较小，保持其稳定性；而当失速率大于20%时，PID调节应以快速响应为主，比例参数P和微分参数D较大。2) 发动机自动怠速控制本功能工作于发动机转速受油门电位计控制情况下。系统检测当前液压各分系统压力，如果各分系统压力都降低到空载状态后，则延时5秒（参数可调）后发动机转速自动回落到自动空转转速1400rpm（参数可调），再延时5秒（参数可调）后如果各分系统压力还没有上升，则发动机转速自动回落到低怠速位置800rpm（参数可调）。3. 开式起升回路动作控制1) 液压系统组成为变量泵、换向阀和变量马达，开式系统。如图4所示，各个控制元件的类型如表1所示。表1 起升机构的控制对象特性名称内容控制方式控制量-Y1泵排量控制比例量200mA-600mA-Y2主阀落开关量2A-Y3主阀起开关量2A-Y4制动阀开关量2A-Y5平衡阀开关量2A-Y6马达排量控制比例量200mA-600mA图4 起升机构示意图图5 泵的电流与流量之间的关系2) 控制过程：1 手柄控制卷扬方向和起升速度大小。2 在起升开始时，泵和主阀先打开，制动器通过程序延时t1（参数可调）时间自动打开，起升结束时相反。3 在下降时开始时，泵和主阀先打开，制动器通过程序延时t1（参数可调）时间自动开启，然后再延时t2（参数可调）时间开启平衡阀，结束过程相反。3) 卷扬的速度控制通过改变泵排量和马达排量来实现。1 当速度指令从零逐渐变大时（手柄的摆角从中位开启到最大），泵的排量从零开始增大，即控制器给Y1电磁铁的电流输出为200mA到600mA；2 当泵的排量增加到最大时，如果仍需要增大机构速度，开始减小马达的排量以继续增大卷扬速度，即控制器给Y6电磁铁的电流输出为200mA到600mA，电流越大，排量越小，速度越快。3 当负载较大时，如果马达排量较小，其扭矩可能不满足起升扭矩，因此，需要根据负载的大小调整马达的最小排量，保证卷扬速度能跟随操作手柄全程变化。整个控制过程如图6所示。图6 速度控制原理4) 控制过程的平稳性1 斜坡设计，不管手柄的动作如何快，控制器对液压系统的控制需要平滑、有一定的时间斜坡，如图7所示。图7 斜坡设计2 微调设计，在手柄上设置机构的最大运行速度，当手柄即使推到最大角度，速度也是按照设置的机构速度来运行，可以实现微调的动作。5800的界面如图8所示。它的调节方式是在手柄上设置了翘板开关，左右调节速度的大小，如图9所示。在控制的过程中，实际上是限定了控制器对泵和马达的输出电流的最大值。机构的最大运行速度条图8 5800的机构最大速度调节界面V型翘板开关图9 TEREX-DEMAG 5800手柄上的速度调节开关4. 闭式回转动作控制由于回转基本上是一个独立的系统，同起升、变幅等回路基本上是独立的。目前DEMAG的回转基本采用了闭式系统，保证了平稳性的要求，如图10所示。1) 回转工作模式1 默认：回转单独泵工作。2 增压模式：回转泵工作，增压阀打开，通过手柄按钮开关控制，经过控制器判断。增压的作用是在一定程度上增加回转泵的出口压力，使回转的力量增大，如履带吊在坡面上向上回转时，这个功能很有用。如图10所示的Y1开启，则泵的出口压力将会增大。3 随动（自由滑转）模式：泵立即回零位，随动阀Y4打开，制动器Y3打开。自由滑转的作用有两个，一个是在大风天不工作的情况下，臂架可以随着风向而转到顺风方向，防止臂架承受过大的侧向力；另一个作用是在重物刚挂上钩子要起升的过程中，重物有可能和臂头不在一个垂线上，开启自由滑转功能后，则可以让臂架自动回转到与重物垂直的方向。图10 回转油路的示意图2) 回转速度限制按照力矩限制器给定的力矩百分比信号，并考虑臂长、幅度、风速与回转速度的关联，自动实现三级回转速度。速度计算：当前由控制器所限定的最大回转速度 ：回转最大速度：臂架总长所决定的系数（主臂+塔臂/固定副臂） 臂长60m60m臂长110m 臂长110m：由载荷百分比所决定的系数，与载荷百分比的函数关系如图11所示，函数关系为：图11 回转速度限制系数3) 回转角度限制在回转中心安装回转编码器，实时测量臂架与履带前方的角度，为回转的角度限制提供参数。可以提供以下的功能：1 回转至后方110时自动将行走正方向切换至驾驶员正前方。2 回转作业范围限制功能。图12 回转角度传感器安装及界面显示5. 力限器系统力限器系统是起重机安全控制模块的核心。它由力传感器、角度传感器、主机、显示器及软件组成，履带起重机的基本布置方式如图13所示，汽车起重机如图14所示。图13 履带起重机的力限器的布置方式图14 汽车起重机的力限器布置方式4) 力限器的功能1 显示载荷、幅度、高度等信息2 预警、制止危险动作继续动作，防止起重机超载和倾翻3 国家规定16吨以上臂架型起重机必须安装力矩限制器4 在小吨位安装吊重仪，只显示载荷大小，无力矩显示，如图15所示。图15 吊重仪和力矩限制器的差别5) 国内外主要厂家1 Hirschmann，早期DEMAG、LIEBHERR供应商，现在主机厂自己做2 3B6、新韩，Robway3 日本主机厂自己研发4 徐州赫思曼-徐工5 长沙弘安-中联6 宜昌、北京电脑所、等其他6) 传感器介绍1 力传感器：主要有三种形式，拉板式、销轴式和压式，分别如图16、17、18所示。本质上都是应变片变形，输出电阻信号，然后经过处理，形成电流或电压信号输出，最核心的技术在于贴片的工艺上。图16 拉板传感器图17 销轴传感器图18 压式传感器2 角度传感器：有重锤式和电子式两种，实现的原理是不一样的。重锤式是阻尼重锤配电位计，结构简单，但是精度差。电子式是导电液体与电容极板组成的，精度高，体积小，是发展的方向之一。图19 电子式角度传感器3 压力传感器主要为金属膜片应变检测液体压力，用于压力检测和故障诊断，是汽车起重机非常重要的传感器，是力限器系统所必需的传感器之一。图20 压力传感器7) 力限器的安装形式1 变幅拉板取力，一般用于大吨位，如图21和22所示。图21 履带起重机拉板取力方式图22 拉板取力方式2 变幅绳取力，一般用于小吨位，如图23所示。图23变幅绳取力方式3 起升绳取力，一般用于小吨位，可以是三滑轮结构，如图24所示。也可以是在钩头取力。三滑轮的优点在于取力方式简单，安装方便，价格便宜，但是初始精度高，用过一段时间后就不准了，磨损严重。钩头取力的方式在履带吊上，目前用处不大。因为涉及到倍率的问题，在单倍率的情况下，传感器只能安装在吊钩上，这是没法用有线的方式实现，如图25所示。图24绳头三滑轮取力方式图25 起升绳钩头取力方式4 工作过程，如图26、27所示。图26力限器的工作过程图27 力限器的输出结果8) 核心算法：力+角度当前起重量9) 应用举例：1 超载信号DO液压电磁阀液压卸荷起升+向下变幅停止，这个一般用于小吨位液控履带吊、先导控制油路。正常，继电器没电，电磁阀得电，动作正常。超载，继电器得电，电磁阀失电，动作停止。强制，继电器失电，电磁阀得电，动作正常。图28 力限器超载后的控制原理2 超载信号DO控制器液压电磁阀液压卸荷起升+向下变幅停止，一般用于中大吨位，如图29所示。图29力限器超载后的控制原理3 由于中大吨位力限器只作为整机控制系统的一部分，为整机的主控制器提供力限器的相关信息，因此，主控制器作为全车的控制中心，需要从力限器得到相关的安全数据，有如下几类：安全限位信号：超载、高度限位、臂架极限角度位置等各类载荷信息：载荷、载荷率、配重量、拉力整机参数：臂架长度、角度、工况、倍率等10) 力限器的设计流程1 确定力传感器的安装形式，销轴？拉板？还是其他的。2 从总体那里得到各个受力点的最大拉力值，确定力传感器的量程。预留及超出3 确定力限器需要输出和输入的内容a) 输出：各类安全信号，什么时候输出？b) 输入：力、角度、安全开关4 确定力限器需要输出和输入的形式a) 输出：各类安全信号，总线？DOb) 输入：力、角度、安全开关c) 显示器显示内容5 根据上述内容确定硬件清单a) 主机、显示器、力传感器、角度传感器、限位开关、电缆、卷筒、接线盒等b) 双方相互提供的数据6 制定技术协议，规定各自的权利和义务7 编程-调试6. 应急操作1) 方案一：对输入进行应急。其设计原理是将原车正常的所有输入人机界面进行屏蔽，采用另外一套独立的操作界面，全遥控手柄界面或有线操作界面，界面的输出口直接进原车控制器，然后通过正常的输出口进行控制液压系统。这个方案主要是针对输入操作进行应急的情况，前提是控制器没有损坏。这种方案技术难度低，可行性好，但应急程度不高。DEMAG的履带起重机基本上就是按照这