沃爾沃挖掘機整機電控系統

繆秋蓮

摘 要：本文針對沃爾沃挖掘機整機電控系統的功能以及實現途徑加以研究，分析各電子控制單元之間的協調控制技術，實現發動機、液壓泵、各前端操作裝置等之間的電子控制。

關鍵詞：電控技術；ECO模式；傳感器；CAN總線；節能

0 引言

挖掘機電氣與電子控制系統主要實現挖掘機電氣系統控制及工作狀態監測。隨著挖掘機技術的發展，發動機、液壓系統的控制越來越復雜，對電氣控制系統的要求也越來越高，挖掘機電氣與電子控制系統地位也越來越重要，成為挖掘機重要的組成部分，代表了挖掘機整車技術發展水平及方向。

1 沃爾沃挖掘機電子控制系統組成及功能

沃爾沃挖掘機電子控制系統如圖1所示，共包含以下五個重要的電子控制單元：EECU（發動機電子控制系統）、IECU（儀表盤電子控制系統）、ECC（空調系統控制單元）、WECU（無線電子控制單元）、VECU（車載電子控制系統）。

EECU（發動機電子控制系統）功能包括（1）控制燃油量和泵噴嘴；（2）溫度監測；（3）檢測預熱是否正在運行；（4）運行發動機速度（轉/分）。

IECU（儀表盤電子控制系統）功能包括：（1）顯示從傳感器和機器開關接收的信息；（2）異常現象向操作員發出警告。

ECC（空調系統控制單元）功能包括：（1）溫度控制；（2）空氣分布和駕駛室通風；（3）軟起動控制；（4）空調壓縮機；（5）溫度與壓力監測。

VECU（車載電子控制系統）功能包括：（1）自我診斷（2）機器狀態的指示；（3）應急操作；（4）防盜系統；（5）起動鎖定控制；（6）安全起動和停止；（7）X1控制器；（8）快換裝置控制；（9）自動增壓和點增壓；（10）大臂浮動位置；（11）冷卻風扇控制；（12）自動發動機熄火；（13）警報控制；（14）超載警告；（15）自動怠速；（16）ECO模式；（17）功率下降等。

2 沃爾沃挖掘機重要電子控制單元功能實現

2.1 EECU發動機電子控制系統

電控柴油噴射式發動機電子控制系統主要由電子控制裝置ECU、傳感器和執行機構三部分組成。其中沃爾沃發動機主要傳感器分布如圖2所示。

發動機電子控制裝置ECU接收以上各傳感器的信號，判別發動機的狀態，從而控制燃油噴射量與噴射時間。

2.2 發動機與液壓泵功率匹配

挖掘機操作員可根據作業條件和環境選擇發動機轉速和作業模式以便優化機械性能和燃油效率。由EECU向VECU持續發送發動機當前信息。據此動力換擋閥將調整泵斜盤角度，以便轉矩保持在設定發動機轉速所產生轉矩以下，使發動機輸出功率與液壓泵驅動馬力保持平衡。圖3為功率模式控制系統的原理圖。

電比例液壓泵實際上就是在恒功率變量泵上加裝一個電液比例減壓閥，電液比例減壓閥的輸入油壓來自先導油路，電液比例減壓閥輸出的二次壓力加至排量調節油缸一端。從而通過調節比例閥的電流大小，進而調節電液比例減壓閥的二次壓力，實現了對液壓泵功率的調節，泵的實際功率調節曲線是根據發動力功率模式設定由控制器進行實時調節的，以保證泵的液壓功率與發動機功率的實時匹配。

3 VECU（車載電子控制系統）功能實現

VECU（車載電子控制系統）如圖4所示由信號輸入部分（模擬信號、開關信號）、信號處理部分、控制器、監控器及控制執行機構組成。

液壓挖掘機車載電子控制系統主要是對發動機、液壓泵、多路換向閥和執行元件（液壓缸、液壓馬達）的一些溫度、壓力、速度、開關量的檢測并將有關檢測數據輸入給挖掘機的專用控制器，控制器綜合各種測量值、設定值和操作信號發出相關控制信息，對發動機、液壓泵、液壓控制閥和整機進行控制。

3.1 挖掘機工作模式切換功能

車載電子控制系統中，可以獲得10個等級的發動機轉速和5種工作模式。通過旋轉發動機轉速控制開關，發動機轉速和工作模式被同時設定。此功能允許操作員根據工作條件和環境選擇發動機轉速和工作模式。此功能也用來優化機器性能和燃油效率。其中I（怠速）和F（精確）模式。無論發動機負荷情況如何，控制電流值是固定的規定數值。這意味著發動機的輸出功率遠大于泵的輸入功率。而P（最大功率），H（重載），G（通用）模式下，如果發動機沒有負荷，它使用每個發動機轉速下的指定電流值。當發動機有負荷時，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（經濟模式）實現

在ECO模式（經濟模式）下，發動機轉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濟模式增加了5%。同一轉速下，P、H和G模式下，ECO模式（注：ECO 模式為經濟模式）比非ECO模式燃油比率低。這是由于當發動機轉速降低100RPM時，曲線上的扭矩值較高，燃油功率較高而性能損失最低。同個模式下，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，說明ECO模式比非ECO模式模式流量損失小。ECO模式通過以下三種途徑減少流量損失：（1）回轉流量限制；（2）溢流切斷功能；（3）靈活的P-Q曲線。

3.2.1 回轉流量限制

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

回轉流量限制限制了特定時間內流向馬達的流量增速比。如果操作員全行程操作回轉操縱桿，則VECU限制回轉馬達流量，從而僅有一小部分流量溢流到油箱。通過應用回轉流量限制，可以提高燃油效率而不損失回轉扭矩。即在全行程操作開始到平穩轉動期間，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，從而節省燃油，提高燃油經濟效益。

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定壓力之前就開始進行液壓溢流。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，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擴大MCV閥柱（注：MCV閥柱為操作手柄行程閥柱）開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流量需求的簡單求和。但在ECO模式下，流量需求為各操縱桿信號流量的均方根。因此，進行復合操作時，如果操作員要擁有相同的速度，則先導操縱桿要多傾斜一些，然后MCV閥柱多移動一些，最后MCV流量面積擴大，在同樣流量下，ECO模式比正常模式的閥柱開口面積大，這意味通過MCV閥的壓降有所減少，減少截流損失。

3.3 自動怠速功能

當操作員打開自動怠速功能且沒有使用任何操作桿和踏板時，發動機轉速自動將至I1模式。這可以提高燃油經濟性和降低噪音。在發動機降低轉速后，若操作員改變一個輸入信號時，則發動機轉速恢復到先前的轉速。

4 各控制單元間CAN總線技術應用

CAN（Controller Area Network）屬于總線式串行通訊網絡，最初被設計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絡。隨著挖掘機電子控制技術的發展，控制器的普遍采用，電噴發動機的推廣，CAN總線也在逐步得到應用?？刂破骶钟蚓W絡CAN總線是工程機械的通 訊發展趨勢[2]。

圖5為沃爾沃挖掘機各控制單元間CAN總線連接圖，圖中紅色和藍色線條部分即為CAN總線技術。當今國際著名的工程機械制造商都在其最新的產品上應用了CAN總線網絡，其主要應用目的有：（1）與電控發動機的CAN接口交換數據，實現節能控制與環保排放，并且可以監控發動機的運行參數和故障信息，實現發動機儀表數字化。（2）通過具有CAN接口的新型傳感器采集數據，不僅可以減少接線，更可以避免模擬信號傳感器的干擾問題，提高數據采集的準確性和速度。（3）多個控制器及顯示單元之間相互交換數據，使得控制系統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，實現工程車輛的遠程機群控制、故障診斷和管理功能。（5）與具有CAN接口的遙控系統聯網，實現工程機械的遙控操作或無人駕駛。

5 展望

挖掘機電氣與電子控制系統不斷發展，未來的挖掘機控制勢必越來越精確，越節能。沃爾沃建筑設備（中國）有限公司生產的沃爾沃系列挖掘機的電子控制系統采用電子技術勢必越來越先進，有待繼續開發和學習。

參考文獻

[1] Volvo EC380D-480D挖掘機系統培訓資料

[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GPS功能的監控系統[D]. 中國工程機械學報，2012，9（3）