基于電液比例控制的遙控挖掘機控制系統設計

孟凡建，楊裕豐，馬瑞永MENG Fan-jian, YANG Yu-feng, MA Rui-yong（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

基于電液比例控制的遙控挖掘機控制系統設計

孟凡建，楊裕豐，馬瑞永
MENG Fan-jian, YANG Yu-feng, MA Rui-yong
（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

[摘 要]提出了基于電液比例控制實現液壓挖掘機的智能遙控，可實現液壓挖掘機的近控操作、遙控操作及自動挖掘，介紹了智能遙控挖掘機的技術原理及技術方案。

[關鍵詞]液壓挖掘機；電液比例控制；控制器；智能遙控

隨著社會生產的不斷發展，往往需要挖掘機在高溫、爆炸、污染、遠距離等特殊環境下進行施工作業，同時又要保證操作人員的人身安全。遙控挖掘機通過無線遙控技術在挖掘機上的應用，可以實現在上述特殊環境工況下通過遠程操作控制，完成同手動操作完全相同的作業功能，滿足無人駕駛機器快速完成作業的要求。在保證人員安全的前提下，提高作業效率，完成特殊作業要求。

隨著微電子技術以及機電一體化的不斷發展與應用，電子控制系統為挖掘機的智能化奠定了基礎，通過控制器程序的編寫和現場調試，能夠達到挖掘機的智能控制。

1 技術原理

遙控液壓挖掘機的控制系統主要由無線遙控系統、控制器系統和液壓系統等組成。無線遙控系統包括無線遙控發射器和遙控接收器。控制器系統包括主控制器、存儲器、油門執行器及壓力傳感器等。液壓系統包括電液比例閥塊、液壓泵、多路主閥、液壓油缸等。其系統簡圖如圖1所示。

普通液壓挖掘機由液壓先導手柄操縱，通過操作手柄控制多路主閥的先導壓力，進而控制挖掘機主閥閥芯的開度，實現控制整機動臂、斗桿、鏟斗、回轉及行走的動作。

圖1 遙控液壓挖掘機系統簡圖

本方案通過在先導油路中加裝電液比例閥塊，通過主控制器控制電液比例閥輸出的先導壓力，實現控制整機動臂、斗桿、鏟斗、回轉及行走的動作。同時電液比例閥的精度較高，容易實現精準控制，方便實現遙控時對整機動作的精準控制。遙控挖掘機駕駛室內仍采用液壓先導手柄，僅需在先導手柄壓力輸出端加裝壓力傳感器，成本低且改動少，易于實現。

遙控操作時操作遙控發射器上相應的手柄，此時遙控發射器發射相應信號。遙控接收器接收遙控發射器的信號，并通過CAN總線發送給主控制器，主控制器根據輸出信號控制電液比例閥的輸出壓力，進而控制挖掘機主閥閥芯的開度，實現對動臂、斗桿、鏟斗、回轉及行走等動作的控制。

在挖掘機上近控操作時，仍使用液壓先導手柄操作。主控制器通過檢測先導手柄上壓力傳感器的壓力，控制電液比例閥的輸出壓力，從而控制挖掘機主閥閥芯的開度，實現對動臂、斗桿、鏟斗、回轉及行走等動作的控制，相應動作速度和先導手柄轉動角度成正比。

挖掘機動作學習與回放時，首先執行學習模式，由熟練的操作手通過遙控發射器或在駕駛室內操作需要存儲的動作，主控制器將所有動作的電流信號通過CAN總線按時序存儲在存儲器中。回放模式時，主控制器按時序讀取存儲器中的電流信號，并輸出給電液比例閥，從而使挖掘機再現之前學習的動作。

2 技術方案

2.1 無線遙控系統

無線遙控系統包括無線遙控發射器和遙控接收器。工作頻率為863～870MHz，標準操作距離可達200m。遙控器采用雙CPU控制，第一個CPU工作時第二個CPU對第一個CPU實行監控，如果第一個CPU產生誤指令，第二個CPU將切斷第一個的工作指令，以保證在任何非正常工作狀態下實現遙控系統的自動關閉功能，避免任何錯誤信號對接收繼電器或通訊接口產生錯誤指令，減少事故的發生。

無線遙控發射器上設有萬向操作手柄及開關，操作手柄可定義為與挖掘機實際操作習慣相同，方便對挖掘機進行安全地操作。

遙控接收器與控制器通訊采用CAN總線通訊方式。遙控發射器外形如圖2所示。遙控發射器操作手柄及開關定義如表1所示。

2.2 控制器系統

圖2 遙控發射器外形圖

表1 遙控發射器操作手柄及開關定義

控制器系統包括主控制器、存儲器、油門執行器、壓力傳感器和水平傳感器等。主控制器接收先導操作手柄壓力傳感器的電壓信號，通過CAN總線與遙控接收器之間進行通訊，通過CAN總線與存儲器之間進行存儲控制。選用帶位置反饋電位計的油門執行器，主控制器通過接受油門旋鈕指令及位置反饋電位計信號，達到精確控制油門執行器來控制發動機的轉速。最后根據各控制信號對回轉、動臂、斗桿、鏟斗、行走等動作相應的比例電磁閥進行控制。

壓力傳感器將回轉、動臂、斗桿、鏟斗、行走等動作的壓力信號轉換成電壓信號傳送給控制器，電壓信號隨先導操作手柄開度的變化而變化。水平傳感器選用總線式雙軸水平傳感器。水平傳感器通過CAN總線將挖掘機整機的傾角信號發送給主控制器，當機器傾斜角度大于設定值時，主控制器限制動臂下降、斗桿收回動作的輸出電流，限制動臂下降、斗桿收回動作，防止機器因誤操作出現傾翻，保證操作安全。

系統軟件采用CoDeSys，CoDeSys是一種支持IEC1131-3標準，功能強大的PLC軟件編程工具。控制系統軟件由主程序PRG和相關功能模塊FBD構成，主程序通過調用相關子程序和功能模塊完成控制功能。

基本控制流程為：系統上電后默認為近控狀態，當使用駕駛室內鑰匙開關啟動發動機時切換為近控狀態，駕駛室內先導安全鎖處于開鎖狀態時也切換為近控狀態。只有駕駛室內先導安全鎖處于鎖定狀態下才允許進入遙控狀態， 在此狀態下，當遙控器上的先導開關由關閉切換為打開狀態，按下遙控器上的喇叭后才切換為遙控狀態。遙控狀態下，可通過遙控器上的啟動、熄火開關控制發動機的啟動、熄火。任何狀態下，在駕駛室內通過鑰匙開關均可控制發動機的啟動、熄火；任何狀態下，在駕駛室內通過喇叭按鈕或通過遙控器上的喇叭按鈕均可控制喇叭的鳴響。

2.3 液壓系統

液壓系統包括電液比例閥塊、液壓泵、多路主閥、液壓先導手柄及液壓執行元件（液壓油缸、液壓馬達）等。先導控制比例閥為電比例控制式液壓閥，電液比例閥輸出壓力與給定比例電磁閥線圈的電流成正比。在主控制器輸出電流的控制下，控制各動作的先導液壓油壓力，從而控制各主換向閥的開度和換向。

液壓系統其它部分不做改動，便于利用普通液壓挖掘機進行快速改裝，可快速滿足特殊需求。

3 系統功能

通過實施上述技術方案的遙控液壓挖掘機具有以下功能。

1）遙控功能 通過操作遙控器上相應手柄，可實現機器的遠程啟動、熄火，遙控挖掘機完成相應的整機作業動作。

2）近控操作功能 可在挖掘機駕駛室內正常進行手動操作，適應性更強。

3）動作學習與回放功能 打開遙控器上的學習開關，控制系統可記錄手動操作時所做的動作；打開遙控器上的回放開關，挖掘機可以進行自動操作，所做的動作與手動操作時所做的動作完全相同。

4）防傾翻功能 應用水平傳感器，當機器傾斜角度大于設定值時限制動臂下降、斗桿收回動作，防止機器因誤操作出現傾翻，保證操作安全。

5）自動怠速 當挖掘機無操作動作時，自動降低發動機轉速，降低油耗，減小噪音。

6）急停功能 設有急停開關，有效保證挖掘機安全運行。

4 總結及展望

通過在徐工XE40液壓挖掘機上實施上述技術方案，達到了預期效果。遙控操作改變了傳統手動操作的束縛，具有使用靈便、節省人力、作業安全等特點。為液壓挖掘機滿足特殊工況需求做了有益的嘗試。今后需進一步研究各種工況下遙控操作的適應性，提高控制精度，滿足施工工況要求。

[參考文獻]

[1] 劉心昊，張大慶．一種新型智能挖掘機的設計與實現[J]．建筑機械，2010,（5)：100-102.

[2] 崔國華，張艷偉，侯紅娟．基于遙控操作的挖掘機操縱系統的實現[J]．農業裝備與車輛工程，2007, （5)：19-20.

[3] 鄒寬明．CAN總線原理和應用系統設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1996.

（編輯 吳學松）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0041-03

［收稿日期］2015-01-04

Design of remote control excavator control system based on electro-hydraulic proportional control