单斗液压挖掘机分工况节能控制系统

摘要：为了有效地控制单斗液压挖掘机在工作过程中的能量损失、减少液压系统的发热、改善工作性能，设计了一种单斗液压挖掘机分工况节能控制系统。该控制系统采用负荷传感，由微机判断挖掘机的工作状态，并据此控制发动机而达到节能的目的。该系统具有工况控制、短期超载控制、自动怠速控制、溢流控制等功能。
关键词：液压挖掘机 单片机 节能控制
　　单斗液压挖掘机是重要的工程机械，具有作业灵活方便、适应范围广等优点。但由于单斗液压挖掘机作业工况复杂、作业过程中负荷变化频繁、变化范围大，因而存在着不少环节的能量损失，其中主要有：发动机―变量泵系统的非经济性匹配运行产生的损失、液压系统压力油的流量损失和压力损失。这些损失不仅浪费了能量，而且引起液压系统发热，工作性能恶化。为此，节能控制已经成为液压挖掘机的重点发展方向之一。
　　随着电子技术及微型计算机（单片机）技术在控制领域中的广泛应用，将液压挖掘机与电子技术、信号处理、预警技术及微型计算机有机地结合起来，对液压挖掘机实现在线工况检测、自动控制、故障诊断，可以达到节能和减轻司机劳动强度、提高工作效率的目的。
　　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PMS系统、link-Belt的CAPS系统；美国卡特皮勒的EPC系统；日本日立的OHS系统、粘松的OLSS系统、加藤的APC系统、神钢的ITCS系统；韩国大宇的EPOS系统等。
　　笔者针对上述挖掘机能量损失情况，采用单片机，以液压系统的压力为判断信号，来判断液压挖掘机的工作状态，进而由步进电机控制发动机的油门，从而使油门的开度始终处于适应负载的合适值上，达到节能的目的。
　　1 系统的组成
　　系统是在不改变液压系统和发动机内部结构的前提下进行的，其硬件框图如图1所示。
　　本节能控制系统采用了负荷传感，即以液压系统压力为判断信号，判断挖掘机的工作状态，由微机根据挖掘机所处的不同状态，通过控制步进电机的输入出，进而控制发动机油门，使发动机稳定在要求的转速附近，以达到节能和实现其它功能的目的。
控制系统硬件的系统由单片机、I/O接口电路、A/D转换电路、信号调理电路、驱动电路、显示报警和光电隔离电路等部分组成。
　　1.1 单片机系统
　　单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有2K字节的电擦除闪存（Flash ROM），价格低，目前性能价格比较高的单片机芯之一。
　　AT89C51的工作频率为6～40MHz。本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源，为了工作可靠，晶体振荡频率选为12MHz。
　　为了满足控制接口的需要，本控制器又扩展了一片I/O口芯片，选有1C55，这有两个可编程的8位并行I/O口PA和PB、一个可编程的6位并行I/O口PC，通过设备其命令状态寄存器中的控制字来将它们分别定义成输入/输出口。
　　1.2 输入电路
　　输入电路由压力变送器、速度传感器、油门开度传感器、动力模式选择开关和参数设定开关等组成。
　　其中，压力变送器（CYR-1A型）负责采样液压系统的压力（两路），经A/D转换后输入89C51，经过分析处理，来判别挖掘机的工作状况，发出相应的控制指令。
　　速度传感器（磁电式）负责采样发动机的转速，作为系统的反馈信号。由于磁电式传感器的信号较弱，需要设计调理电路（转换成标准的TTL）。另外传感器安装在挖掘机主轴齿轮（130齿）附近，如果直接接到89C51的中断口（INT0），会使系统频繁中断，89C51工作繁忙，因此需要分频。本系统直接利用了81C55中的14位减数计数器进行130分频，相当于每转来一个脉冲，避免了上述现象。
　　油门开度传感器检测油门的位置，以便于发动机点火起动。它与油门的调速拉杆转动的角度对应，将其转换为电压信号，与内部程序设定值进行比较，打开钥匙开关，控制系统驱动步进电机带动油门的调速拉杆从零位调到起动位置。
　　系统设有高、中、低三个动力模式选择开关，相应的发动机功率为全功率的100%、88%和65%.当司机根据工作需要选定某一开关，计算机即可控制发动机使其稳定在相应的动力模式下。其中，中档是常用工作档。同时也是经济动力模式档，用该档工作时，发动机-液压泵系统处于最经济的匹配工作状态。
　　另外，系统还设计了对运行参数如液压系统的报警压力与极限压力、系统的采集时间、PID控制参数等进行在线修改的功能。利用EEPROM的存储功能进行保存，以便下次开机时，系统仍按着调节好的参数运行。操作者只要按下参数设置键与动力模式选择键的组合，即可完成修改。这种键盘的组合可以降低成本，减少面板的操作面积，提高系统的可靠性。
　　1.3 输出电路
　　输出电路的包括步进电机、显示器、工作指示灯与声光报警等。其中，步进电机控制发动机油门的位置；显示器显示两路液压系统的压力（3位，单位：MPa）与发动机转速（4位，单位：rpm）；工作指示灯指示司机当前所选择的动力模式；声光