一種全電控挖機帶動臂下降復合動作控制方法

【摘" 要】挖掘機最常見工況為挖掘循環，在挖掘循環中各執行部件的協調性是挖掘機操控性的重要指標。文章通過對各部件協同工作控制方式的研究，提出一種帶有動臂下降復合動作的協調性優化控制策略，通過工況識別及基于動臂下降先導壓力的前饋控制，對動作相關閥芯進行控制，實現帶有動臂下降的復合動作的協調控制，同時降低沖擊度。

【關鍵詞】全電控挖掘機；協調性；工況識別；前饋控制

中圖分類號：U469.79" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0037-02

A Composite Action Control Method for Lowering the Driving Boom of

Fully Electronic Controlled Excavator

LI Wenhui，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，HOU Xuanhui

（Electronic Control and Software Research Institute，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】The most common working condition of excavators is the excavation cycle，in which the coordination of various executive components is an important indicator of excavator controllability. Based on the research on the cooperative work control mode of various components，this paper proposes a coordinated optimization control strategy for the composite action with boom falling. Through the recognition of working conditions and the feedforward control based on the pilot pressure of boom falling，the action-related spool is controlled to realize the coordinated control of the composite action with boom falling and reduce the impact.

【Key words】excavator；coordination；condition identification；feedforward control

挖掘機作為工程機械領域的重要機型之一，在基礎設施建設中起著重要作用，其動作的響應性及平順性在滿足復雜的作業工況上顯得十分重要，挖掘循環作為挖掘機的主要運行工況，其沖擊度、協調性也成為市場競爭的重要評價指標。對于復合動作操控協調性的研究，有學者對帶有動臂上升復合動作的協調問題在策略上進行優化研究，也有基于閥芯設計的對動臂加回轉復合工況的協調性研究，對于動臂下降復合動作的策略優化研究較少。本文基于實際挖掘機整機調試中出現的在帶有動臂下降的復合工況下，由于動臂下降速度過快而產生不協調的問題進行分析，通過對液壓系統的研究，提出一種動作協調性控制策略，解決此工況下挖機整體動作的協調性問題，對挖機整機驗證過程中的優勢提升有重要意義。

1" 動臂及斗桿控制原理

動臂液壓回路由動臂閥芯、動臂油腔和負載等構成，駕駛員通過手柄對動臂動作進行控制，當接收到駕駛員動臂提升信號時，手柄信號轉換為壓力信號再轉換為電流信號對動臂閥芯進行控制實現動臂油腔的無桿腔進油、有桿腔回油。同理，當接收到動臂下落的信號時，通過閥芯控制實現動臂油腔的無桿腔回油及有桿腔進油。

斗桿控制方式與動臂基本相同。

2" 動臂下降加斗桿外翻協調性控制策略設計

根據手柄先導壓力對各動作閥芯開度進行控制實現對各動作供油的同時，根據手柄動作所產生的先導壓力進行工況識別，通過工況預測對復合動作下的各部件閥的動作及動臂進油閥的控制實現復合動作的協調性。帶有動臂下降的復合動作協調控制流程如圖1所示。

2.1" 泵的流量計算

為準確計算當前動作所需的需求流量值，根據駕駛員對手柄動作的先導壓力px0，換算出作用在各執行器上的先導壓力px后，進行各動作所需的流量計算。根據先導壓力與流量的正相關關系，由先導壓力px計算各動作所需的需求流量Qx，通過經驗公式計算泵的總的需求流量Q。其中，x表征不同的動作，如動臂上升、動臂下降、斗桿外翻和鏟斗內收等。

2.2" 工況識別

1）帶有動臂下降動作：當檢測到動臂下降先導壓力大于一定閾值，且作用在其它執行器上的先導壓力最大值大于一定閾值時，判斷為帶有動臂下降的復合工況。

2）撐地動作預測：挖掘機多由2個泵同時對執行機構供油，當檢測到當前泵1或泵2壓力大于一定閾值時，預測當前處于撐地工況。

2.3" 閥芯控制

1）動臂電磁閥驅動電流計算。根據駕駛員對先導手柄的操作，計算作用在動臂閥芯上的先導壓力，根據動臂閥的壓力電流特性曲線計算得到驅動閥芯所需的電流i0。該電流經過Ramp后得到最終作用在電磁閥上的電流值iv。考慮到挖機作業工況的復雜性，當駕駛員有快速停止動作或者快速動作切換時，根據駕駛員對手柄的操作，分工況對電磁閥開啟及關閉的速度進行控制，即根據不同的作業工況，分別計算Ramp值的修正系數fac，再根據如下公式計算iv：

iv = i0 ± Ramp × fac

經上式計算的電流值經過上下限值后得到最終作用在電磁閥上的驅動電流。

2）動臂進油閥控制。在動臂下降動作與其它動作復合時，若直接關斷動臂閥芯實現動臂進油回路的切斷，很可能會產生動臂速度的突變或沖擊，給駕駛員不好的駕駛體驗，因此本文通過加裝動臂進油閥實現動作的協調。

當檢測到當前工況為帶有動臂下降的復合工況，此時限制動臂進油閥的開度，減少動臂有桿腔的進油，降低動臂下降速度，實現復合動作的協調，但在撐地工況下，由于需要克服很大的外負載力，需要對動臂進行供油以實現撐車的功能，故引進撐地工況判斷。當處于撐地工況時，不對動臂進油閥閥芯電流進行控制，讓更多的流量可以給動臂油缸供油。同時，為使帶有動臂下降的復合動作可以在各種先導下實現動作協調的自適應，引入前饋控制，其控制原理圖如圖2所示。

在帶有動臂下降復合動作下計算動臂進油閥的控制電流ibomi0的基礎上，根據動臂下降的先導壓力信號作為前饋擾動信號，對動臂進油閥閥芯的驅動電流進行修正：

ibomi = k（p）ibomi0 + δ

式中：ibomi——最終計算的動臂進油閥驅動電流；k——修正系數；p——動臂下降作先導壓力；δ——偏移量。

通過控制動臂進油閥的驅動電流，控制動臂進油量，實現帶有動臂下降復合動作的協調性，同時不產生沖擊。

3" 策略結果驗證

根據驗證結果，通過動臂進油閥的加裝及基于工況識別的閥芯控制方法，可有效解決動臂下降與其它動作復合時的動作不協調問題，同時不會產生沖擊問題，在動臂下降單動作時，也不會對動臂下降速度及性能有負面影響。驗證結果如圖3所示，可以看出，帶有動臂下降的復合動作時，動臂進油閥關閉，減少動臂的進油，實現控制的協調性。

4" "結論

本文通過減少動臂下降時動臂油缸的進油量，降低動臂下降速度，實現帶有動臂下降的復合動作的協調性。為避免動臂下降速度突變或產生沖擊，引入動臂進油閥，通過動臂進油閥的控制實現動作協調性的目的，同時引入工況識別及前饋控制，使該策略達到自適應的目的。該方法在有效調節動臂下降與其它動作協調性的同時，不會產生其它速度突變等問題，同時動臂進油閥的加裝可在不同負載下控制動臂閥芯的進油速度及進油量，實現動臂動作適應負載協調控制。

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（編輯" 楊凱麟）