掘机的双阀芯电子液压控制系统研究.pdf

液压液力 H Y D R O D Y N A MI C S及 H Y D R O S T A T I C S 基于液压挖掘机的双阀芯电子液压控制系统研究 胡火焰1 ，杨翔“ ，朱建新2 ，梅勇兵“ 1 .中国船舶重工业集团公司第7 1 9 研究所， 湖北武汉， 4 3 0 0 6 4 2 .中南大学机电工程学院， 湖南长沙， 4 1 0 0 8 3 [ 摘要] 介绍了U l t r o n i c s 电子液压控制系统的组成及特点，指出了双阀芯液压系统相对于传统单阀芯 液压系统的优越性，给出了基于该系统的液压挖掘机执行机构的控制策略， 设计了基于该系统的液压挖掘 机控制系统总线结构与液压系统口 〔 关键词〕 液压挖掘机; U l t r o n i c s ;电子液压控制系统; 双阀芯 [ 中图分类号]T U 6 2 1[ 文献标识码」B[ 文章编号〕1 0 0 1 - 5 5 4 X 2 0 0 7 1 1 -0 0 8 2 - 0 4 R e s e a r c h o n d o u b l e s p o o l e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r H U Hu o - y a n , Y A N G X i a n g , Z HU J i a n - x i n , ME 1 Y o n g - b i n g U l t r o n i c s 电子液压控制系统是一种广泛应用 于工程机械的全新电液控制系统。该系统采用 C A N总线通讯、软件压力补偿、双阀芯控制技术， 为增加系统稳定性、节约能源、功能多样化以及产 品快速升级换代等方面提供了新的思路， 并使得机 电液一体化控制技术在工程机械上的广泛应用成为 可能。该系统在国外已广泛应用于液压挖掘机、随 车起重机、森林机械、伸缩臂叉装机、挖掘装载机 等产品，并取得了良好的效果。 1 U l t r o n i c s 控制系统简介 完整的U l t r o n i c s 电子液压控制系统由系统硬 件和系统软件2 部分组成。 1 . 1 系统硬件 U l t r o n i c s 电子液压控制系统的系统硬件非 常简单，执行机构所需要的功能都通过软件编 程来实现。系统硬件主要是指系统调节阀片、工 作阀片、控制装置 E C U、手柄以及 C A N总线 等。 1 系统调节阀片。 系统调节阀片的主要功能是负责系统工作压 力的调节。系统工作时，通过手柄指令控制输人 比 例阀电磁铁的电流大小来控制比例阀阀芯的开 口， 从而控制比例阀人口处的工作压力，该压力 加上弹簧力构成变量泵 L S口处的工作压力。对 比例阀入口处压力的调节也就是对变量泵 L S口 处压力的调节，进而调节变量泵斜盘的摆角，从 而调节恒功率变量泵的排量以实现液压系统工作 压力的调节。 2 工作阀片。 U l t r o n i c s 控制系统的核心在于其独特的双阀 芯控制技术。其每一工作阀片都有2 个阀芯，进、 出油路各一， 相当于将 1 个三位四通阀片变成2 个 三位三通阀片的组合，工作阀片的2 个阀芯由先导 阀片的2 个相应的阀芯进行控制。工作阀片的2 个 阀芯可以进行单独控制，也可以根据控制逻辑进行 成对控制。2 个工作油口都有压力传感器， 2 个主 阀阀芯都有L V D T位移传感器， 通过对传感器所 检测到的反馈信号进行控制，可以分别实现对2 个 工作油路压力或流量的控制，具有很高的控制精 度;通过对2 个工作油路进行压力、流量控制的不 同组合，可以得到多种控制方案， 从而满足不同液 压系统的功能需求。 3 控制装置 E C U. 控制装置E C U有2 5 路和 5 0 路 2 种，可以采 用模拟方式或者数字方式与系统进行连接。它主要 〔 收稿日 期〕 〔 项目来源〕 [ 通讯地址〕 2 0 0 7一0 5一2 8 国家 “ 8 6 3 ”项目 2 0 0 3 A A 4 3 0 2 0 0 胡火焰，湖北省武汉市武昌区中山路4 5 0 号 建筑 机 械 2 0 0 7 . 1 1 上半月刊 万方数据 用于接收手柄所输人的信号， 经过处理之后发出相 应的控制指令以驱动相关的执行机构。同时， 它还 提供C A N卡接点，以便从 P C机上下载编写好的 应用程序，并对所编写的应用程序进行在线调 试 。 4 手柄。 手柄主要用于向控制装置 E C U输人指令信号 以驱动相关的执行机构，可以输出模拟、数字和 C A N总线3 种信号。 手柄的瞬时延迟与输出曲线 可以通过J o y C a l C a n E d i t i o n 进行调节与校准。 5 C A N总线。 采用C A N 2 . O B 无源两线式串行电缆将系统 调节阀片、工作阀片、控制装置E C U、手柄等连 接起来; 通过转接头还可以将 C A N卡与P C机相 连，以进行用户程序的下载与在线调试工作。 其传 输速度为1 Mb p s 、 最大传输长度为3 0 m 、最大节 点数为1 0 0 个， 最多可以8 个节点进行同步通讯。 1 . 2 系统软件 与传统液压控制系统不同的是，U l t r o n i c s 控 制系统的所有功能均在系统软件中进行开发， 所以 系统软件也是U l t r o n i c s 控制系统的重要组成部分。 系统软件主要是指程序编辑与编译环境 C o d e - Wr i g h t 、 工具软件C a n T o o l s 以及手柄调节与校准 工具J o y C a l C a n E d i t i o n . 1 C o d e Wr i g h t . C o d e Wr i g h t 是一个 C语言编辑与编译环境， 用户可以 在该环境中应用C语言开发自己的程序 以实现所需要的功能。同时，该软件还可以将编译 好的用户程序通过C A N卡下载到E C U中， 从而 实现应用程序所设计的功能。 2 C a n T o o l s . C a n T o o l s 是U l t r o n i c s 控制系统的工具软件。 通过该软件可以 对阀芯的工作模式、 先导阀片的更 换等进行管理，可以对阀芯的流量配置参数、零位 指令时的阀芯位置、阀芯允许的最大流量、阀口的 最大工作压力、阀口的溢流压力、连接设备两腔的 面积比， 铲斗振动掘削的频率、振幅以及输人波形 等参数进行设置，还可以实现对压力控制器、流量 控制器的P I D参数进行调节，以及对系统调节阀 片进行训练以生成前馈曲线等等。此外， 还可以在 该软件中开展阀片和手柄的模拟工作，以对所编写 的应用程序进行离线调试。 3 J o y C a l C a n E d i t i o n o 手柄的按钮开关、轴方向可以在该软件中进行 校准，手柄的瞬时延迟与输出曲线也可以在该软件 中进行调节。 2 双阀芯换向阀系统结构及特点 由传统的单阀芯换向阀所组成的液压控制系 统， 其进、出油口 通过1 根阀芯来进行调节， 如图 1 所示。两油口 的开口 对应关系在阀芯设计加工时 就已经确定， 在使用过程中不能被修改， 使得通过 两油口的流量或压力不能进行独立地调节， 难以合 理解决以下功能和控制之间存在的矛盾。 图1 传统单阀芯液压系统 1 设计液压系统时，为了提高系统的稳定性 和降低负载变化对执行机构速度的影响，一般都采 用增加额外的液压元件如调速阀、 压力控制阀等方 法， 通过增加阻尼、 增大系统速度刚度来提高系统 的稳定性。 但是， 元件的增加会降低系统的效率， 使能源浪费，同时还会降低系统的可靠性， 增加系 统的成本。 2 由于换向 结构的特殊性， 用户在实现某一 功能时必须购买相应的液压元件， 再加上工程机械 厂家会根据不同的最终用户要求设计相应的功能， 这样会造成生产厂家采购同类、多规格的液压控制 元件来满足不同的功能要求，不利于产品通用化及 产品管理，大大提高了产品成本。 由U l t r o n i c s 双阀 芯换向阀 所组成的液压控制 系统， 其进、出油口通过 2 个独立的阀芯进行调 节，如图2 所示。两油口的开口对应关系在工作过 程中互不影响，因此通过两油口的流量或压力可以 进行独立调节， 从而可实现由 传统单阀芯换向阀所 组成的液压系统无法实现的功能。 建筑 机 械 2 0 0 7 . 1 1 上半月刊 万方数据 液压液力 H Y D R O D Y N A MI C S 及 H Y D R O S T A T I C S 图2 U l t r o n i c s 双阀芯液压系统 3 液压挖掘机执行机构控制策略 由于双阀芯换向阀两油口 控制的灵活性，两油 口 可以分别采取流量控制、压力控制或者流量一压 力组合控制。以下结合液压挖掘机的实际工况探讨 动臂、斗杆及铲斗3 个液压缸的控制策略。 3 . 1 负载方向保持不变时的控制策略 液压挖掘机动臂上升、斗杆挖掘、铲斗挖掘时 的受力情况如图3 a 所示，动臂下降时的受力情况 如图3 b 所示。 其负载方向在整个工作过程中始终 保持不变，因此可以采取 “ 液压缸有杆腔采用压力 控制、无杆腔采用流量控制”的控制策略。无杆腔 侧采用流量控制，通过检测连接到无杆腔侧阀前后 两侧的压差，再根据所需流人或流出流量的多少， 计算出阀芯开口大小;有杆腔侧采用压力控制，使 该侧维持一个较低的压力，不至于因压力过低而引 起空穴现象，不至于因负载变化而引起液压冲击， 因该侧压力较低，所以系统更加节能。 3 . 2 负载方向发生改变时的控制策略 液压挖掘机斗杆液压缸、铲斗液压缸在整个工 作过程中负载方向会发生改变，例如当斗杆液压缸 缩回、斗杆运动到垂直位置前后，负载方向与运动 方向由相同变为相反， 负载由超越负载变为被动负 载，负载方向的变化可能会导致压力突变，影响斗 杆运动的稳定性。 在这种情况下，采取 “ 进油侧压力控制、出油 侧流量控制”的控制策略，如图4 所示。液压缸有 杆腔侧采用压力控制、无杆腔侧采用流量控制， 通 过检测无杆腔侧的压力来实现有杆腔侧的压力控 制。进油侧用压力控制器维持一个较低的参考压 力，一方面提高了系统的效率， 另一方面保证了该 侧不致因压力过低而发生空穴现象。 参考压力压力 反馈负 载 速 度 1}}杏 门{ 参考压力 参考压力 压 力 反 馈输 岖 力 流量控制器 卜 今 阀 压力反馈 压力反馈 参考流量 参考流t a 速度方向与负载方向相反 负载速度 图4 负载方向发生改变时的控制策略图 b速度方向与负载方向相同 图3 负载方向保持不变时的控制策略图 为了使负载方向变化的执行机构能够得到很好 的控制， 在有杆腔侧的压力控制器中使用了另外一 个压力控制器。负载方向改变时，无杆腔的压力将 减小;如果有杆腔仍维持一个很低的压力，当负载 很大时，液压缸活塞杆将向相反的方向运动。此时 可以用所增加的压力控制器监视无杆腔压力的变 化，当压力控制器检测到无杆腔压力低于所设定的 参考值时， 提高有杆腔压力控制器设定的压力， 从 而保证系统的正常工作。 参考压力参考流量 已山油箱 建筑 机械 2 0 0 7 . 1 1 上半月刊 万方数据 4 液压挖掘机控制系统硬件设计 U l t r o n i c s 电子液压控制系统将液压技术、机 械技术、计算机技术以及自 动控制理论完美地结合 在一起， 其中，总线结构和液压系统构成了系统的 硬件平台，而系统的功能则通过软件编程进行开 发。 4 . 1 总线结构设计 U l t r o n i c s 电 子式液压控制系统的控制指令由 C e n t u r i 光电手柄通过 C A N总线输人到控制装置 E C U中， E C U将控制指令转换成相应阀片或者阀 组运动的应用编码，并通过C A N总线传输到相关 阀片以驱动相关工作装置。运行于个人 P C机中的 系统软件C o d e Wr i g h t , C a n T o o l s 以及J o y C a l C a n E d i t i o n 可以通过 C A N总线和 C A N卡与 E C U连 接，以开展应用程序的下载与调试工作。在网络的 两端加接1 2 0 S Z 的电阻作为线路的匹配。 4 . 2 液压系统设计 由于U l t r o n i c s 电子液压控制系统的功能都通 过软件编程进行开发，所以由该系统所组成的液压 挖掘机液压控制系统就变得非常简单。 根据实际功 能需求， 设计出如图5 所示的液压系统， 该系统由 2 组 8 片阀组成，共同完成液压挖掘机动臂、斗 杆、 铲斗、回转以及左右行走的操作， 每片阀组都 有自 己的减压阀片以向该组其他工作阀片提供先导 控制油液，阀组1 中的系统调节阀片则负责调整系 统压力、检测系统压力及回油压力并对液压系统提 供安全保护。 动臂斗杆铲斗 图5 基于U l t ro n i c s 系统的液压挖掘机液压系统原理图 采用U l t r o n i c s 电子液压控制系统一般情况下 仅需增加简单的附件， 其功能的升级则通过应用程 序实现， 存储于阀中。与产品应用有关的 参数， 诸 如最大流量、系统压力、控制模式等，都可通过工 具软件 C a n t o o l 、 进行设置或修改，因此产品的开 发周期将大大缩短。 总之，通过C A N总线通讯、独特的双阀芯结 构和压力、位移传感器的应用以及压力或流量的闭 环控制技术， U l t r o n i c s 电子液压控制系统将使工 程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、 较高的性价比以及控制理念、维修模式等诸多方面 都发生一次革命性的变化。 〔 参考文献〕 [ 1 ]李安良. U l t r o n ic s 电液控制技术及其应用 [ J l， 建筑 机械， 2 0 0 5 , 1 0 9 3 一 9 5 . [ 2 ]李安良. 液压多路换向阀双阀芯控制技术的应用[ 7 ]. T - 程 机 械 ， 2 0 0 5 , 2 5 4 一 5 6 .霭、 〔 责任编辑 杨晓光〕 建筑 机 械 2 0 0 7 . 1 1 上半月刊 万方数据