一種全電控挖機的斗桿自適應控制方法

侯軒輝， 孫曉鵬， 胡永慧， 李文慧

（濰柴動力股份有限公司電控研究院， 山東 濰坊 261061）

1 挖機行業背景

隨著經濟迅速發展，建筑業與煤礦業等多種不同行業的層次規模發展到以往難以企及的高度。而挖機作為一種能夠挖掘、移料的大型工程機械，廣泛出現在以上相關行業的各種施工現場。市場上挖機數量日益增加，競爭日益激烈，如何提高駕駛品質是一個急需解決的重要問題。

斗桿挖掘是挖掘過程中的常見挖掘方式，挖掘停止時往往伴隨沖擊。迅速操作、突松手柄等操作更易引起泵壓的劇烈變化，所以本文針對先導壓力變化識別突松手柄工況進行油泵和閥芯的控制，實現降低泵壓變化，減小沖擊，提高駕駛體驗。

2 斗桿自適應方法設計方案

斗桿運動原理：發動機旋轉泵將泵油旋轉到各個主閥位置，當檢測到有關斗桿先導壓力增加時，報文信號轉換為電信號，推動著相應斗桿閥芯打開關閉。若進行斗桿大腔進油，小腔回油，則實現斗桿挖掘動作；若進行小腔進油，大腔回油則進行斗桿卸料動作。先導壓力停止時，斗桿閥芯關閉，泵停止供油，斗桿停止動作。如圖1所示。

圖1 斗桿自適應方案流程圖

2.1 突松手柄工況檢測

斗桿運動過程中，手柄變化伴隨著先導壓力變化。檢測先導壓力的變化，當先導壓力低于設定閾值，且先導壓力變化率高于設定閾值時，判斷為突松手柄工況的檢測。于此特殊工況進行區別于一般手柄工況的特殊處理。

2.2 閥芯開度控制

1） 閥芯電流速度處理：手柄運動的輕重緩急，對應機手不同的駕駛意圖，對應閥芯電流也有所不同。斗桿閥芯電流根據原始的斗桿先導壓力信號設定原始電流信號對應表格。斗桿運動過程中，由于實際原始先導壓力變化過于靈敏，根據先導得到的電流信號需根據手柄內收和外翻按照不同的RAMPup和RAMPdown改變速率進行處理。

2） 閥芯電流大小處理：斗桿閥芯電流控制設置電流起調、終調點，設置相對應最低閾值以及最高閾值。當先導壓力轉換為電流低于最低閾值Imin時，直接關閉閥芯驅動電流；當轉換電流高于最高閾值Imax時，保證閥芯驅動電流最大。最終得到閥芯驅動的設定電流ivlv。

2.3 泵的流量控制

1） 正常無突松手柄操作：為了使閥芯動作和泵動作能夠跟隨一致，本文未采用原始先導壓力對應泵的設定電流，而采用閥芯設定電流ivlv對應處理得到用于計算泵流量的先導壓力pvlv，根據該二次處理得到的先導壓力信號pvlv進行斗桿需求流量計算。若期間存在除斗桿外其他動作，分別計算其他部分所需求流量。依據總流量計算公式匯總總泵所需計算流量。泵流量決策對應泵的驅動電流，電流越大，泵的流量供應越多。

總流量計算公式如下：

式中：Qdes——總泵的需求流量；Qmax——該泵供的所有動作的最大流量；Qsum——該泵供所有動作中的流量總和；fac——流量修正系數。以上操作即可以實現正常操作時的泵閥一致性，泵的供應流量隨先導呈正相關變化。先導越大，泵的流量越大；先導越小，泵的流量供應越小。待先導壓力完全關閉時，將泵的流量完全關閉。

2） 突松手柄操作：當處于突松手柄工況時，需對二次先導信號pvlv進行再處理，以及增加對閥芯開度的檢測。突松斗桿，先導壓力變化得太快。此時若仍舊采用由閥芯設定電流ivlv對應來的二次先導信號pvlv，則會造成泵壓波動較為劇烈，容易引起整車沖擊大。于是在檢測突松手柄工況時，當閥芯電流低于設定閾值時，二次先導壓力采用原始報文信號，保證泵的控制信號更加跟隨實際工況，即可實現泵和閥芯的分布控制關閉。降低泵壓的變化，減小停止沖擊。

3） 電流修正系數的控制：電流改變速度除去先導壓力的變化情況以外，還根據整車過程中的發動機轉速變化、泵壓變化等不同的壓力參數和轉速參數對泵電流改變速度進行修正，保證電流變化隨整車實際需要，防止泵壓變化劇烈，降低整車沖擊。

2.4 反饋控制

當斗桿停止時，檢測斗桿停止時的沖擊狀況。若整車沖擊顯著改善，泵壓變化緩和，則保持此時設定參數，后續突松手柄動作均按照該流量閥芯設定系數進行修正；若整車沖擊仍舊難以接受，則重新再次調節泵電流設置的閥芯電流閾值，以及先導壓力變化速率，直至沖擊滿足需求。

3 結果驗證

在挖機仿真平臺進行試驗驗證。之前的程序版本采用的是原始先導壓力控制泵流量，以及原始先導壓力控制閥開度的并行控制，沒有考慮閥泵的相互制約，也沒有考慮突松手柄的操作，導致泵壓波動較為劇烈，沖擊較大。更新自適應斗桿控制邏輯，泵壓改善顯著，具體仿真結果導出如圖2所示。

圖2 動態優化方法物理仿真實驗結果比較圖

圖2信號從上到下依次代表原始報文壓力信號、斗桿電流信號、泵的壓力信號。其中泵壓與整車沖擊度聯系密切，沖擊越大，泵壓波動越劇烈。圖2a為修改策略之后的仿真圖，圖2b為修改策略之前的仿真圖，可見泵壓變化有明顯改善，該方法策略能夠有效降低斗桿沖擊。

4 結論

1） 本文提出的斗桿自適應控制方法，綜合考慮了泵和閥的協同控制。既保證正常操作手柄時泵和閥能夠同開同閉，保證操控性和連貫性，又保證了突松手柄時閥芯和泵電流錯開關閉，保證了駕駛體驗的舒適性。

2） 本文提出的斗桿自適應控制方法注重駕駛員的駕駛體驗，在整車沖擊大駕駛不舒暢時，又可以反饋控制重新調節之前設置的相關參數，保證整車的實時更新性和自適應性。