液压挖掘机工作装置多模式功率自动控制系统设计.pdf

2 0 1 4年 6月 第4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 l DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 013 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 1 液压挖掘机工作装置多模式功率 自动控制系统设计 周 潜 ，陈海虹 ，陈乾林 ，陈明强 1 ．贵州大学机械制造及其 自动化 学院工程机械 系，贵州贵阳 5 5 0 0 2 5； 2 ．贵州理工学院机械 工程 学院，贵州贵阳 5 5 0 0 0 3 摘要 在对液压挖掘机工作装置功率系统组成、工作原理和控制方法进行深入研究的基础上 ，采用分工况控制的方 法，结合发动机特性将系统分成 6种功率模式 ，确定了液压挖掘机工作装置功率调节自动控制系统的总体方案，设计了实 现相应功能的各回路，完成了硬件系统元件的选型。同时，以分层分模块的思想 在 K E I L软件上用 c语言进行系统各程 序的编写。通过仿真和调试 ，研究得到优化的程序 ，可实现液压挖掘机工作装置功率调节自动控制。 关键词液压挖掘机； 功率调节；单片机；变送器；发动机 中图分类号T P 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 11 1 1 4 De s i g n o n M u l t i - mo d e Po we r Co nt r o l S y s t e m o f Hy d r a ul i c Ex c a v a t o r W o r ki ng De v i c e Z H O U Q i a n ， C H E N H a i h o n g ，C H E N Q i a n l i n ， C HE N Mi n g q i a n g 1 ． S e h o o l o f M e c h a n i c a l Ma n u f a c t u r i n g a n d A u t o m a t i o n ， G u i z h o u U n i v e r s i t y 。 Gu i y a n g Gu i z h o u 5 5 0 02 5，Chi na； 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i ne e r i n g，Gu i z h o u I n s t i t ut e o f Te c h n o l o g y， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f d e e p r e s e a r c h o n t h e c o mp o s i t i o n ，w o r k i n g p r i n c i p l e s a n d c o n t r o l me t h o d o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r w o r k i n g d e v i c e p o w e r s y s t e m ，b y u s i n g t h e c o n t r o l me t h o d o f d i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s ，c o mb i n i n g w i t h t h e f e a t u r e s o f t h e e n g i n e ， t h e s y s t e m wa s d i v i d e d i n t o s i x p o we r mo d e s ，t h u s t h e o v e r a l l p r o g r a m o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o n t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r wo r k i n g d e v i c e p o we r r e g u l a t i o n wa s d e t e r mi n e d ．A l l t h e c i r c u i t s t o r e a l i z e t h e c o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n w e r e d e s i g n e d，a n d t y p e s e l e c t i o n o f h a r d w a r e s y s t e m c o mp o n e n t s wa s f i n i s h e d ．At t h e s a me t i me，u n d e r t h e i d e a o f d i f f e r e n t l a y e r s a n d mo d u l e s ，t h e C L a n gu a g e wa s u s e d o n K EI L s o f t ware t o w rit e a l l p r o gra ms f o r t h e h ard w a r e s y s t e m．Aft e r s i mu l a t i o n s a n d d e b u g ，t h e p r o gra m o p t i mi z e d b y r e s e arc h c a n u l t i ma t e l y r e a l i z e t h e a u t o ma t i c c o n t r o l o f hy dr a u l i c e x c a va t o r wo r k i n g d e v i c e s p o we r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ；P o w e r r e gu l a t i o n；S i n g l e c h i p；T r a n s mi t t e r ；E n g i n e 在土石方作业 中 ，由于土壤类别 、土壤级配和土 壤含水率等不同使土的力学性能差别很大，因此，针 对 千差万别 的土壤 负载 ，液压挖掘机要耗费的能量往 往差 别很 大。实 际工作 中，一般是靠操作人员对所需 挖掘力大小进行主观判断 ，然后使用手动功率调节系 统进行操作。显然 ，这种功率调节方式主观性大，发 动机的功率 也不能得 到有效利用 ，液压挖掘机 的工作 效率也会受 到一定影 响。 以下介 绍了一 种适用 于多种工况下 的液压挖掘机 工作装置功率调节 自动控制系统的设计，该系统实现 了液压挖掘机工况和功率的自动合理匹配 ，从而降低 操作人员的劳动强度、减少系统的能量损失、提高系 统精度、增强系统灵敏度和提高作业工作效率，最终 提高整机性能 。 1 工况研 究 根据液压挖掘机 的不 同作业情况和要求 ，可 以把 它 的工况分 为 6种 ，相 应地 发 动机 也 有 6种 功率 模 式 ，能够基本满足压挖 掘机 的不 同作业情 况 和要求 。 下 面以 日本 五 十 铃 A H- 4 H K 1 X柴 油 机 为 研 究 对 象 ， 其 额 定 转 速 n 为 2 0 0 0 r ／ m i n ，怠 速 n 。为 1 0 0 0 r ／ m i n 。可 以得 出不 同功 率模 式下 ，柴油 机转 速 的对 应关系，如表 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 7 基金项目 贵州省科学技术基金项 目 【 2 0 1 1 】2 1 9 0 作者简介周潜 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，研究方向为工程机械混合动力。Em a i l 6 4 2 6 3 9 5 2 7 q q ． c o m。 1 1 2 机床与液压 第4 2卷 高生产率模式 H 标准作业模式 S 普通作业模式 C 轻载作业模式 L 微细操作模式 F 待机模式 D 发动机在额定转速 n 为 2 0 0 0 r ／ ra i n 下全速运行， 适合于进行 重 载工作 和一般 载荷 的快速工作。 发动机工作在0 ． 9 n ， 此时液压挖掘机适合于进行较重载荷工作。 发动机工作在0 ． 8 n ， 此时液压挖掘机适合于进行中等载荷工作。 发动机工作在0 ． 7 n ， 此时液压挖掘机适合于进行较轻的载荷工作。 发动机工作在为0 ． 6 5 n ， 此时液压挖掘机适合于进行精细和微调工 作。 液压挖掘机并不工作， 只是处于待命工作状态， 此时设定发动机转 速约为 1 ． 2 n 。 n 。为柴油机怠速时的转速， 约为0 ． 5／ t 。 在此功率模 式 下通 常 ， S 、C和 L工作 模式 统称 为 S S a v i n g P o w e r Mo d e 经 济模式 。 2方案设计 2 ． 1 总体 设计 液压挖掘机工作装置功率调节 自动控制系统的总 体方案如图 1 所示 。 图 1 液压挖掘机工作装置功率调节 自动控制系统的总体方案 工作对象将外负载的情况传递给压力传感器 ，传 感器将信号传递给控制器，控制器发出信号控制调速 装置。然后对发动机的转速进行调节，使其与外负载 所需的功率 自动相适应 ，这样操作人员就能从频繁手 动设定功率模式的操作中解放出来 ，最终实现液压挖 掘机工作装 置功率 调节 的 自动化控制 。 2 ． 2硬 件设 计 西 2 ． 2 ． 1 单片机 的选择 采用单片机 S T C 9 0 C 5 1 6 R D作为核心控制元件， 具体的型号为 S T C 9 0 C 5 1 6 R D 4 0 1 一 P D I P 4 0 ，是 宏晶科 技 S T C新推出的一款单片机，具有低功耗 、抗干扰 能力超强、容量大、运行速度快和低功耗等特点。由 于其内核仍然是 5 1 单片机，所以与传统 8 0 5 1 单片机 的指令完全兼容 ，不会影响程序 的编写 。因此 ，在软 件设计中如果找不到系统所选单片机的型号 ，可以选 择软件中存在的其他相应的5 l 单片机进行替换。 2 ． 2 ． 2 传 感器的选择 液压挖掘机工作装置功率调节自动控制系统的信 息采集是通过 3个压力传感器来获取 的 ，它们分别 安 装在铲 斗油缸 、斗杆油缸 和动臂油缸上 。文中针对一 款工作 压力为 0 3 2 MP a的 2 0 t 液 压挖 掘 机进 行研 究 ，选用的压力传感器 的工作范围要大于 3 2 MP a 。 选用西德福 P 3 3 S 3 B 0 8 6 0 0 2压力变送器作为工况信息 采集装置，其测量范围为0 4 0 M P a 。 2 ． 2 ． 3 电路图设计 系统的工况采集电路采用 3条相 同数据采集通 道，依次采集铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸的侧压 力信息，然后由单片机对这组数据进行分析和处理。 图2为工况采集电路。 V C 主 _ ’ U 7 R D， VC C 西 R D 圭 干 。。 W R ， _ 一 。 ’ ’ ’ 一 G ND 儿 竽 INTR CLKR 12 P17 ／ CLKIN DB7 1 ； D8 Q8 13 Pl6 ／ DB6 13 7 D7 Q7 14 P15 ／ VCC J 。 6 D B 5 D6 Q6 1 5 P 1 4 ／ l GN D l VIN DB4 雾 ； D5 Q5 16 Pl3 ／ 9 VIN- DB3 D4 Q4 17 P12 ／ DB2 D3 Q3 18 P11 ／ 瞎福P 3 ． I S 3 B 0 8 6 0 0 2 R． 1 R。 V R E F 』 2 D B 1 1 8 2 D2 Q2 1 9 P 1 0 ／ ⋯ ； vc c ] J D B 0 D 1 Q 1 V C C AG ND LE T D G N D 丽V C C z Q l DC 0 8 0 4 LCN Ⅵ7 4 H C57 3 B l 】 l P 3 0 P33 图 2 工况采集 电路 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O 8 6 4 3 2 ， l 1 第 1 1 期 周潜 等液压挖掘机工作装置多模式功率自动控制系统设计 1 1 3 单片机首先要对每组数据进行分析处理 ，然后输 出控制信号，最后通过功率控制电路对发动机进行控 制，从而实现液压挖掘机工作装置功率 自动调节，图 3为控制电路图。 图 3 2 ． 3软件 设计 2 ． 3 ． 1 主程序系统 功率控制电路图 理的结果进行功率控制 ，最后通过 L C D 1 6 0 2对 目前 的工作状态进行显示 ，人工模式子程序流程如图7所 液压挖掘机工作装置功率调节自动控制系统刚开 始工作是处于怠速模式 即功率模式 D ，通常情况 系统自动进入功率调节自动控制模式 即自动模式 进行功率自动调节，如果操作人员对液压挖掘机的操 作技巧非常熟练可直接通过按键进行功率调节。 有 键按下指的是在 自动模式和人工模式中选择哪种模 式。 主程序流程图如图4所示。 2 ． 3 ． 2 初始化子程序流程图 液压挖掘机刚开始工作时，系统处于怠速模式 即功率模式 D ，无报警，显示默认 自动模式。初 始化子程序流程图如图 5 所示。 图4 主程序流程图 待机模式D 功率控制 上 关闭报警 图5 初始化子程 序流程图 2 ． 3 ． 3 自动模式子程序设计 压力变送器对压力信息进行采集并送入单片机进 行处理 ，然后根据处理结果进行 越界判 断和处 理或者 进行功率调节，最后通过 L C D 1 6 0 2对 目前的工作状 态进行显示，自动模式子程序流程如图 6 所示。 2 ． 3 ． 4 人工模式子程序设计 按键被按下才能进入人工模式，然后通过按键处 刀 。 图6自动模式子 程序流程图 图7 人工模式子 程序流程图 3 建模与仿真 对 6 种 自动模式进行调试与仿真 ，以下为 自动模 式下的 H模式的仿真结果 ，当一组信息 依次采集 铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸 的侧压力 中最大 值在 2 8 ． 8 ，3 2 ]M P a时，系统进入 自动模式下的H 功率模式。由于系统没有在液压挖掘机上进行实物实 验，所以在进行软件仿真时可以设定一组与 H模式 相对应的数据D a t a 12 8 ． 8 M P a ，D a t a 23 2 MP a ， D a t a 3 2 5 ． 6 MP a 。此时输入为一组经过模／ 数转换后 的数字信号，输出涉及三种状态 进行功率模式 H 的控制，显示当前工况。这个过程主要涉及单片机的 变量 P 0口、P 1口和 P 2口，其理论变化过程应该为 P 1口0 X E 9 铲斗油缸压力信息- - 4 X F C 斗 杆油缸压力信息 X D 6 动臂油缸压力信息 P o口0 X 6 3 上一个状态一0 x 6 B 功率锁