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  小型挖掘机电子油门控制系统

  由于成本的限制,目前国内一些小型挖掘机产品仍采用机械拉杆式油门控制,该控制方式操作舒适性差、控制精度低、油耗高,在工作中容易出现发动机转速偏移等缺点。本文介绍一种新的小型挖掘机电子油门控制系统,该系统具有成本低、操作简单、控制精度高、高可靠性和操作舒适性好等优点。更重要的是可满足对工程机械节能减排的要求,据统计该系统的自动怠速功能可以降低挖掘机工作油耗10%。

  1 电子油门控制系统原理

  电子油门控制系统由传感器和开关信号采集系统、控制器、执行元件、发动机、显示器和远程管理终端等6大部份构成。

  控制器是电子油门控制系统的核心部件,它通过采集开关量信号和模拟量信号,将这些信号进行分析和整合,并通过执行元件对发动机的转速进行控制和调节。控制器通过CAN总线与显示器和远程管理终端连接,并将采集到的整车各种信息发送到显示器和远程管理终端,将接收到的各种整车信息分别显示在显示器上和传送到远程数据管理中心,让用户不仅能随时了解小型挖掘机的工作状态,而且还可通过显示器和远程数据管理中心对控制器进行控制和管理,从而实现对小型挖掘机施工的优化管理。
小型挖掘机电子油门控制系统
  2 电子油门控制系统功能模块的设计

  1) 输入信号模块

  输入信号模块主要由开关量信号和模拟量信号组成,模拟量输入信号主要由燃油油量信号,发动机水温信号,发动机转速传感器信号、液压油温信号、压力变送器信号、油门挡位旋钮信号等信号组成;开关量主要由发动机机油压力信号、发动机进气压力信号、手/脚先导压力信号、手动/自动怠速信号等信号构成。

  发动机水温、转速、机油压力、进气压力信号主要用于体现发动机的工作状态和作为小型挖掘机工作时控制器进行控制的参考量。压力变送器、手/脚先导压力信号和液压油温主要是用于体现液压系统的工作状况。油门挡位旋钮信号是用于调节小型挖掘机的工作挡位,是0~5V的模拟量信号,不同的电压值代表不同的工作挡位,电压越高,代表小型挖掘机工作的挡位越高。

  手动怠速信号是当发动机的工作转速高于所设定的怠速点转速时,使发动机的转速强制下降到怠速点。

  自动怠速信号是发动机的工作转速高于所设定的怠速点转速且挖掘机在设定的时间内没有任何动作时,使发动机的转速自动下降到怠速点转速,但只要小型挖掘机一动作或调节挡位,发动机转速就会自动恢复到怠速前的转速或新挡位所对应的转速。

  2) 数据通信模块

  数据通信主要包括CAN通信和串口通信。CAN总线具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、检错能力强,并可在高噪声干扰环境中工作和成本低等优点。

  小型挖掘机上的数据通信主要是控制器、显示器和远程管理终端三者之间的通信。通过CAN总线可以让控制器、显示器、远程管理终端作为CAN总线上的3个节点相互连接,从而实现三者相互之间数据传输和通信。CAN总线强大的抗干扰力和检错能力,提高了数据传输的准确率和可靠性。

  串口通信则主要应用于控制器内MCU程序的擦写。

  2.3 控制器的设计

  (1)控制器硬件设计。

  控制器是整个电子油门控制系统的核心,主要实现对小型挖掘机的工作状态和发动机转速进行监控等方面的功能。由于小型挖掘机的工作环境比较恶劣,因此控制器的核心芯片选用工业级的PIC18LF458-I/PT微控制芯片,它可对输入信号中的开关量、模拟量进行采集和处理以及数据的实时存储,通过CAN总线接口可实现与小型挖掘机功能模块CAN节点间的数据通信,并可通过远程管理终端将采集到的各种监测数据实时的传至远程数据管理中心,实现对小型挖掘机的实时监控和管理。

  PIC18LF458-I/PT是Microchip公司推出的一款功能强、低功耗和高性价比的8位微控制器,该微处理芯片带有1路CAN通道和8路10位AD转换通道以实现对模拟量的采集,2路脉宽调制(PWM)通道可对执行元件进行控制。
小型挖掘机电子油门控制系统
  (2)控制算法设计。

  当控制器采集到油门挡位旋钮发出的挡位信号后,通过计算得出新挡位所对应的发动机转速,然后再与控制器采集的发动机实际转速进行比较,计算出实际转速与目标转速的差值,然后根据控制器所设定的控制算法通过执行元件对发动机的油门调节杆进行调节,使发动机的转速达到目标转速。目前对发动机转速的控制方式主要有模糊控制、PID控制和神经网络控制3种方式,其中以模糊控制和PID控制应用最为普遍。

  ①模糊控制。

  在应用中,模糊控制是以人对被控系统的控制经验设计控制器,特别适合那些难以建模或无法建模的被控对象。其优点在于:

  a. 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据;

  b. 控制系统的鲁棒性强,适用于解决常规控制难于解决的非线性、时变及大滞后系统。由于模糊控制的重点不是研究被控对象的性质和工作过程,而是研究控制的行为和功能并进行模拟和实现,所以模糊智能控制适用于复杂情况下的控制,并可使控制的实现过程简单化。但是模糊控制系统设计中往往包含相当多的经验成分,这使得模糊控制系统的性能在很大程度上取决于设计者的经验与实际情况的符合程度。由于经验因人而异以及知识获取困难,使得模糊控制的适应能力有限。

  根据模糊控制理论原理,将发动机转速与目标转速调整的差值进行模糊控制,然后根据不同的差值,依照经验输出不同的PWM占空比信号控制执行元件来调节发动机的转速,但是当实际转速和目标转差值较小时,发动机转速易出现转速超过或低于目标转速的情况。

  ②PID控制。

  PID控制是比例积分微分控制的简称,PID算法以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。根据P I D算法计算出实时的P W M占空比的值,然后输出实时的PWM占空比信号来控制执行元件来使发动机转速向目标转速调整。在转速偏差较小时,采用PID算法的控制器能够使发动机转速向目标转速调整,但当转速偏差比较大时,就会出现转速调整时间较长的情况。

  结合上述两种控制方法的优缺点进行分析和总结,最后控制器采用了在PID控制算法的基础上添加了一个模糊控制算法的控制方式,根据转速偏差的大小来确定是否采用模糊控制加PID控制还是单独的PID控制。通过试验验证,PID控制加模糊控制,很好地解决了上述两种控制方式的不足,使发动机转速又好又快地向目标转速进行调整。

  ③控制故障检测和报警设计。

  控制器还具有故障检测和报警功能,能够对输入信号源和输出控制对象的状态进行监测。当信号源和输出控制对象出现断路、短路和过流等故障时,控制器会根据出现故障的等级执行相应的保护程序,以免对小型挖掘机及其电子部件造成更大的损坏。同时还能通过控制器上的工作状态指示灯和显示器进行故障代码的显示,提示操作手停机报修,挖掘机服务维修人员通过查阅控制器产品说明书中的故障代码说明,为小型挖掘机的维修和保养提供帮助和指导。

  4) 输出模块

  控制器的输出控制对象是调节发动机油门调节杆的执行元件。控制器通过控制执行元件,再通过执行元件来调节发动机的油门调节杆来实现对发动机转速的调节,因此电子油门控制系统需要一个可靠性和稳定性高的控制方案,防止在转速调节过程中出现由于对执行元件的控制方式不合适,导致发动机转速在目标转速上下波动的情况。控制器通过调节PWM占空比来调节发动机转速变化的快慢,由于执行元件的驱动电流需要大于300mA,而PIC18LF458-I/PT输出信号电流只有25mA,因此系统需要采用功率放大芯片驱动执行元件,控制器输出的PWM信号作为控制信号对功率放大芯片进行控制。

  5) 其它附属功能模块

  (1)显示器模块。

  显示器作为人机交换的一个接口,可以显示控制器采集的体现小型挖掘机工作状况的参数,操作手可以通过显示器显示的工作参数来判断小型挖掘机的实时工作状况。显示器还可以存储一些故障信息,挖掘机服务维修人员可以通过调取这些故障信息了解挖掘机的整机状态。

  (2)远程终端管理模块。

  随着GPS和GPRS技术的发展,远程管理功能已经成为小型挖掘机控制系统中一项重要的功能。远程管理终端将控制器采集的小型挖掘机的状态参数发送到远程数据管理中心,通过网络访问远程数据管理中心,小型挖掘机生产厂家、经销商和用户可以实时查询小型挖掘机的状态。同时用户也可以通过网络访问远程数据管理中心对小型挖掘机进行管理和控制。

  6) 软件设计

  在进行控制器的软件设计时,软件程序是按照控制功能进行设计的,主要分为初始化、系统自检、状态指示灯显示、数据采集、数据通信、转速控制和故障检测和报警等程序。
小型挖掘机电子油门控制系统
  3 电子油门控制系统不仅实现了小型挖掘机发动机油门的自动化控制,消除了发动机转速在工作中出现的转速偏移现象,提高了工作时发动机转速的稳定性和可靠性,而且还降低了小型挖掘机的工作油耗,起到节能减排的作用。

  由于小型挖掘机的工作环境十分恶劣,为了提高电子油门控制系统的可靠性和稳定性,因此在设计时应当采用严酷的测试方法对电子油门系统各个部件和整体进行测试。但由于目前挖掘机还没有一个完整的规范性的电子控制系统测试标准,因此可以借鉴汽车电子的测试标准对挖掘机电子油门系统的各个部件和整体进行测试,以提高电子油门系统的可靠性和稳定性。


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