沃爾沃挖掘機(jī)整機(jī)電控系統(tǒng)

繆秋蓮

摘 要：本文針對(duì)沃爾沃挖掘機(jī)整機(jī)電控系統(tǒng)的功能以及實(shí)現(xiàn)途徑加以研究，分析各電子控制單元之間的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、各前端操作裝置等之間的電子控制。

關(guān)鍵詞：電控技術(shù)；ECO模式；傳感器；CAN總線；節(jié)能

0 引言

挖掘機(jī)電氣與電子控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)控制及工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)的控制越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，挖掘機(jī)電氣與電子控制系統(tǒng)地位也越來(lái)越重要，成為挖掘機(jī)重要的組成部分，代表了挖掘機(jī)整車技術(shù)發(fā)展水平及方向。

1 沃爾沃挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)組成及功能

沃爾沃挖掘機(jī)電子控制系統(tǒng)如圖1所示，共包含以下五個(gè)重要的電子控制單元：EECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)）、IECU（儀表盤電子控制系統(tǒng)）、ECC（空調(diào)系統(tǒng)控制單元）、WECU（無(wú)線電子控制單元）、VECU（車載電子控制系統(tǒng)）。

EECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)）功能包括（1）控制燃油量和泵噴嘴；（2）溫度監(jiān)測(cè)；（3）檢測(cè)預(yù)熱是否正在運(yùn)行；（4）運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)速度（轉(zhuǎn)/分）。

IECU（儀表盤電子控制系統(tǒng)）功能包括：（1）顯示從傳感器和機(jī)器開(kāi)關(guān)接收的信息；（2）異?，F(xiàn)象向操作員發(fā)出警告。

ECC（空調(diào)系統(tǒng)控制單元）功能包括：（1）溫度控制；（2）空氣分布和駕駛室通風(fēng)；（3）軟起動(dòng)控制；（4）空調(diào)壓縮機(jī)；（5）溫度與壓力監(jiān)測(cè)。

VECU（車載電子控制系統(tǒng)）功能包括：（1）自我診斷（2）機(jī)器狀態(tài)的指示；（3）應(yīng)急操作；（4）防盜系統(tǒng)；（5）起動(dòng)鎖定控制；（6）安全起動(dòng)和停止；（7）X1控制器；（8）快換裝置控制；（9）自動(dòng)增壓和點(diǎn)增壓；（10）大臂浮動(dòng)位置；（11）冷卻風(fēng)扇控制；（12）自動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；（13）警報(bào)控制；（14）超載警告；（15）自動(dòng)怠速；（16）ECO模式；（17）功率下降等。

2 沃爾沃挖掘機(jī)重要電子控制單元功能實(shí)現(xiàn)

2.1 EECU發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)

電控柴油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)主要由電子控制裝置ECU、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。其中沃爾沃發(fā)動(dòng)機(jī)主要傳感器分布如圖2所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制裝置ECU接收以上各傳感器的信號(hào)，判別發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，從而控制燃油噴射量與噴射時(shí)間。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵功率匹配

挖掘機(jī)操作員可根據(jù)作業(yè)條件和環(huán)境選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和作業(yè)模式以便優(yōu)化機(jī)械性能和燃油效率。由EECU向VECU持續(xù)發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前信息。據(jù)此動(dòng)力換擋閥將調(diào)整泵斜盤角度，以便轉(zhuǎn)矩保持在設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以下，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與液壓泵驅(qū)動(dòng)馬力保持平衡。圖3為功率模式控制系統(tǒng)的原理圖。

電比例液壓泵實(shí)際上就是在恒功率變量泵上加裝一個(gè)電液比例減壓閥，電液比例減壓閥的輸入油壓來(lái)自先導(dǎo)油路，電液比例減壓閥輸出的二次壓力加至排量調(diào)節(jié)油缸一端。從而通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥的電流大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)電液比例減壓閥的二次壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓泵功率的調(diào)節(jié)，泵的實(shí)際功率調(diào)節(jié)曲線是根據(jù)發(fā)動(dòng)力功率模式設(shè)定由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的，以保證泵的液壓功率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的實(shí)時(shí)匹配。

3 VECU（車載電子控制系統(tǒng)）功能實(shí)現(xiàn)

VECU（車載電子控制系統(tǒng)）如圖4所示由信號(hào)輸入部分（模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)）、信號(hào)處理部分、控制器、監(jiān)控器及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

液壓挖掘機(jī)車載電子控制系統(tǒng)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）的一些溫度、壓力、速度、開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)并將有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入給挖掘機(jī)的專用控制器，控制器綜合各種測(cè)量值、設(shè)定值和操作信號(hào)發(fā)出相關(guān)控制信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓控制閥和整機(jī)進(jìn)行控制。

3.1 挖掘機(jī)工作模式切換功能

車載電子控制系統(tǒng)中，可以獲得10個(gè)等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和5種工作模式。通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制開(kāi)關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工作模式被同時(shí)設(shè)定。此功能允許操作員根據(jù)工作條件和環(huán)境選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工作模式。此功能也用來(lái)優(yōu)化機(jī)器性能和燃油效率。其中I（怠速）和F（精確）模式。無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況如何，控制電流值是固定的規(guī)定數(shù)值。這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)大于泵的輸入功率。而P（最大功率），H（重載），G（通用）模式下，如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有負(fù)荷，它使用每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的指定電流值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)有負(fù)荷時(shí)，VECU增加功率切換閥的電流以降低泵的功率消耗。

3.2 ECO模式（經(jīng)濟(jì)模式）實(shí)現(xiàn)

在ECO模式（經(jīng)濟(jì)模式）下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低但泵的最大排量不變，并且在P、H和G模式中泵的輸入扭矩比非經(jīng)濟(jì)模式增加了5%。同一轉(zhuǎn)速下，P、H和G模式下，ECO模式（注：ECO 模式為經(jīng)濟(jì)模式）比非ECO模式燃油比率低。這是由于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低100RPM時(shí)，曲線上的扭矩值較高，燃油功率較高而性能損失最低。同個(gè)模式下，液壓泵功率切換電流值ECO模式比非ECO模式小，所需的液壓油ECO模式比非ECO模式少，說(shuō)明ECO模式比非ECO模式模式流量損失小。ECO模式通過(guò)以下三種途徑減少流量損失：（1）回轉(zhuǎn)流量限制；（2）溢流切斷功能；（3）靈活的P-Q曲線。

3.2.1 回轉(zhuǎn)流量限制

在回轉(zhuǎn)加速時(shí)，溢流流量是為了在加速時(shí)保持溢流壓力，以保持回轉(zhuǎn)扭矩。但由于上車架慣性液壓油處于高壓狀態(tài)，泵提供給回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量可能高于實(shí)際所需流量，因此液壓油通過(guò)回轉(zhuǎn)溢流閥釋放?；剞D(zhuǎn)流量限制用于減少意外流量損失。

回轉(zhuǎn)流量限制限制了特定時(shí)間內(nèi)流向馬達(dá)的流量增速比。如果操作員全行程操作回轉(zhuǎn)操縱桿，則VECU限制回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量，從而僅有一小部分流量溢流到油箱。通過(guò)應(yīng)用回轉(zhuǎn)流量限制，可以提高燃油效率而不損失回轉(zhuǎn)扭矩。即在全行程操作開(kāi)始到平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，泵1的PWM閥的控制電流值減小，泵的斜盤角變小，輸出流量變小，從而節(jié)省燃油，提高燃油經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 溢流切斷功能

由于溢流閥的彈簧特性，在液壓壓力升高至主溢流閥設(shè)定壓力之前就開(kāi)始進(jìn)行液壓溢流。液壓溢流是一種能量損失。溢流切斷的目的是減少通過(guò)主溢流閥溢流的液壓油量。主壓力傳感器感知到泵壓力接近溢流壓力時(shí)，則VECU減小的輸送至PWM閥的控制電流值，從而控制主泵流量，減少溢流損失。

3.2.3 靈活的P-Q曲線

ECO模式的流量需求通過(guò)擴(kuò)大MCV閥柱（注：MCV閥柱為操作手柄行程閥柱）開(kāi)口面積減少壓力損失。在正常模式下，泵流量為各前端工作裝置操縱桿信號(hào)流量需求的簡(jiǎn)單求和。但在ECO模式下，流量需求為各操縱桿信號(hào)流量的均方根。因此，進(jìn)行復(fù)合操作時(shí)，如果操作員要擁有相同的速度，則先導(dǎo)操縱桿要多傾斜一些，然后MCV閥柱多移動(dòng)一些，最后MCV流量面積擴(kuò)大，在同樣流量下，ECO模式比正常模式的閥柱開(kāi)口面積大，這意味通過(guò)MCV閥的壓降有所減少，減少截流損失。

3.3 自動(dòng)怠速功能

當(dāng)操作員打開(kāi)自動(dòng)怠速功能且沒(méi)有使用任何操作桿和踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)將至I1模式。這可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低噪音。在發(fā)動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速后，若操作員改變一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到先前的轉(zhuǎn)速。

4 各控制單元間CAN總線技術(shù)應(yīng)用

CAN（Controller Area Network）屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，最初被設(shè)計(jì)作為汽車中的微控制器通訊，在車載電子控制裝置各ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。隨著挖掘機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展，控制器的普遍采用，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣，CAN總線也在逐步得到應(yīng)用?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)CAN總線是工程機(jī)械的通 訊發(fā)展趨勢(shì)[2]。

圖5為沃爾沃挖掘機(jī)各控制單元間CAN總線連接圖，圖中紅色和藍(lán)色線條部分即為CAN總線技術(shù)。當(dāng)今國(guó)際著名的工程機(jī)械制造商都在其最新的產(chǎn)品上應(yīng)用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)，其主要應(yīng)用目的有：（1）與電控發(fā)動(dòng)機(jī)的CAN接口交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制與環(huán)保排放，并且可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和故障信息，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)儀表數(shù)字化。（2）通過(guò)具有CAN接口的新型傳感器采集數(shù)據(jù)，不僅可以減少接線，更可以避免模擬信號(hào)傳感器的干擾問(wèn)題，提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和速度。（3）多個(gè)控制器及顯示單元之間相互交換數(shù)據(jù)，使得控制系統(tǒng)的配置和安裝都更加靈活。（4）與具有CAN接口的GSM/GPS通訊裝置連接，實(shí)現(xiàn)工程車輛的遠(yuǎn)程機(jī)群控制、故障診斷和管理功能。（5）與具有CAN接口的遙控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的遙控操作或無(wú)人駕駛。

5 展望

挖掘機(jī)電氣與電子控制系統(tǒng)不斷發(fā)展，未來(lái)的挖掘機(jī)控制勢(shì)必越來(lái)越精確，越節(jié)能。沃爾沃建筑設(shè)備（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的沃爾沃系列挖掘機(jī)的電子控制系統(tǒng)采用電子技術(shù)勢(shì)必越來(lái)越先進(jìn)，有待繼續(xù)開(kāi)發(fā)和學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1] Volvo EC380D-480D挖掘機(jī)系統(tǒng)培訓(xùn)資料

[2] 殷鵬龍，黃紅武，張軍，曉明，生杰，王劍波，廖焦.基于labview和CAN的挖掘機(jī)GPS功能的監(jiān)控系統(tǒng)[D]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，9（3）