基于EPEC2024的遙控挖掘機電氣控制系統設計

2018-03-19 08:13:50佘江雪趙立宏王湘江鄧搴

機械制造與自動化 2018年1期

佘江雪，趙立宏，王湘江，鄧搴

(南華大學 a. 電氣工程學院; b. 機械工程學院，湖南衡陽 421001)

0 引言

挖掘機作業范圍廣泛，是一種重要的工程機械設備，但是在一些復雜危險場合中，如核輻射環境中，工作人員的安全無法得到保障，因此對挖掘機實現無線遙控是最佳選項之一。國外對挖掘機的遙控研究較早，并取得了大量成果，目前國外一些研究所把重點放在基于穿戴式設備的挖掘機器人上[1]。我國對機器人技術在工程機械性能和質量提升的重要性認識較晚，受此影響國內對工程機械無線遙控研究與應用較國外落后。例如，浙江大學研制的遙控采掘機，可實現遠程遙控、智能操作、節能控制、工況監測和故障診斷等多種功能。但是受限于成本，并未推廣[2]。中南大學和山河智能聯合研制的電控挖掘機可實現100 m的良好控制效果[3]。吉林大學機械學院以WY1.5挖掘機為基礎，研制了具有近距離有線遙控和自動控制功能的挖掘機[4]。山河智能研發了具有遙控、在線學習、自動挖掘等功能的挖掘機樣機[5]。

根據現有的無線遙控技術，本文提出了基于EPEC2024控制器的無線遙控挖掘機電氣系統設計方案，為挖掘機遙控功能的實用化提供了一種思路，在應急搶險等裝備研發方面具有研究價值。

1 挖掘機電氣設計

1.1 總體電氣設計

以某微型挖掘機為例，該挖掘機是機械液壓先導控制系統，將其改造成電液比例控制系統，實現手動和遙控且手動優先控制。改造后挖掘機電氣原理圖如圖1所示，即在已有電氣系統的基礎上增加2臺EPEC2024控制器、遙控裝置接收端、若干繼電器、手動/自動切換開關、電液比例閥組、油門電機等電氣元件實現。EPEC2024控制器和遙控器接收端采用CAN總線協議進行通訊。

當進行手動控制時，駕駛室操作起作用，遙控操作無效；當進行遙控操作時，需要工作人員按下安裝在駕駛室內的手動/自動切換開關并拉起先導拉桿。這時，遙控有效，手動操作無效。在遙控狀態時，EPEC2024控制器接收來自遙控器的指令信號，對柴油發動機而言，通過對啟動、熄火繼電器通電斷電，對油門電機伸縮實現發動機的啟停、轉速調節；對工作和行走裝置而言，通過輸出PWM電流信號，控制電液比例閥組動作，實現操作手柄的運動控制要求。與此同時，控制器實時采集水溫、轉速、燃油液位量、變量泵壓力值等傳感器數據，并傳輸至遙控器顯示屏供操作人員及時了解挖掘機工作狀態信息。

圖1 挖掘機電氣原理圖

1.2 控制器簡介

EPEC2024控制器是車載PLC設備，主要用于工程機械領域。該控制器具有52路I/O引腳，且為一針多用，用戶可根據需求對針腳功能進行配置，其中PWM輸出為24路，電流反饋接口為4路[6]。

EPEC2024控制器支持CANopen協議和CAN2.0B協議。文中選用CAN2.0B通訊方式。

需要注意的是挖掘機的電瓶電壓是12 V，而EPEC2024的推薦電壓是24 V，為保證系統正常工作，通過升壓模塊為EPEC2024提供工作電壓。

1.3 電液比例閥的油路及電路設計

挖掘機的電液比例閥組采用HCEV31系列電液比例減壓閥。EPEC2024控制器通過改變PWM信號的占空比改變比例閥驅動電流的大小，比例減壓閥的輸出壓力也隨之改變，從而改變先導油壓，由先導油液控制換向閥，最后實現工作裝置的控制。為不改變原液壓先導系統，以動臂控制油路為例如圖2所示，通過接入三通梭閥，實現電液先導控制系統和機械先導系統的并存。

挖掘機的液壓缸或液壓馬達的動作實現，如對斗桿控制，需要2個比例閥分別實現斗桿的內收和外擺。整個系統的控制對象分別為：動臂、斗桿、鏟斗、回轉平臺、左右履帶和推土鏟，所以共需要增加14路電液比例減壓閥。

1—電液比例減壓閥；2—三通梭閥；3—動臂液壓缸；4—主閥；5—手柄先導閥；6—液壓泵圖2 動臂控制油路簡圖

為提高控制精度，將驅動比例閥的電流反饋回EPEC2024控制器。由前面的分析可知挖掘機共有14路比例閥，而每臺EPEC2024只有4路反饋電流端口。由于換向閥每次只能實現一個動作，所以每次只有一個線圈得電，即2個比例閥可以共用一個反饋電流端口。為防止線圈斷電后產生感應電動勢對控制器EPEC2024的PWM輸出端口產生影響，在每個比例閥的線圈上并聯續流二級管。控制電路圖如圖3所示。

圖3 電液比例減壓閥控制電路圖

1.4 挖掘機啟動控制電路設計

在原挖掘機中，柴油發動機的啟動功能是通過鑰匙開關實現。鑰匙開關順時針第一檔是上電擋，即ACC和Br端從電瓶處得電；順時針轉動第二檔是啟動檔，即ACC、C和Br端得電。

需要注意的是，在實現對挖掘機遙控啟動前，需要手動對挖掘機上電，所以只需要在C端增加一個24 V的繼電器即可完成上述功能。如圖4所示，當DO端有效時，控制器輸出24 V高電平，繼電器得電，直接通過EPEC2024給啟動線路提供12 V電壓。需要注意的是，原挖掘機有防重啟保護功能，即發動機啟動后，DO可以一直有效，不會危害挖掘機電路。

圖4 挖掘機啟動控制電路

1.5 挖掘機熄火控制電路設計

在原挖掘機中，熄火功能是通過熄火電磁閥實現。挖掘機上電的瞬間，熄火電磁閥得電將燃油油路打開，為發動機啟動作準備；當需要熄火時，將熄火電磁閥斷電，燃油油路斷開，停止為發動機供油，挖掘機熄火。

基于上述分析，改造后的熄火控制電路如圖5所示。將熄火繼電器的搭鐵端接EPEC2024控制器的DO端，當DO端有效時，端口接地，二級管導通，熄火繼電器動作，熄火電磁閥上電；當DO端無效時，輸出24 V，二級管截止，熄火繼電器斷電，發動機熄火。

圖5 熄火控制電路

1.6 挖掘機先導控制電路設計

在原挖掘機中，操作手通過先導拉桿的提降實現對先導油路的通斷控制。當提起先導拉桿時，先導開關斷開，先導繼電器斷電不動作；當放下先導拉桿時，先導開關閉合，先導繼電器得電動作，先導閥導通，定量泵實現先導油路供油。

根據上述分析，將先導控制電路改造如圖6所示。當操作手需要遙控操作時，需先將先導開關斷開后按下切換開關，EPEC2024控制器檢測到高電平后，遙控模式有效。在遙控端按下先導開關，DO端接地，先導繼電器得電動作打開先導油路。

需要注意的是，在電氣設計中為實現發動機不熄火，將急停開關安裝在先導控制電路處。

圖6 先導控制電路

1.7 挖掘機傳感器控制電路設計

對于燃油位置傳感器、水溫傳感器而言，工作原理是將物理量轉化為電阻變化值進行測量。在原挖掘機中安裝有燃油位置傳感器和水溫傳感器，所以在遙控狀態下，通過繼電器將傳感器線路接入控制器中。因為EPEC2024控制器只能測量電壓值和電流值，不能測量電阻值，所以采用電阻分壓方式將電阻值轉化為電壓值進行測量，電路圖如圖7所示。

對于發動機轉速而言，因為EPEC2024只能識別脈沖信號的上升沿，所以采用霍爾式轉速傳感器直接測量柴油發動機飛輪轉速；對于變量泵的壓力值，直接采用壓力傳感器進行測量。

圖7 傳感器控制電路

1.8 油門電機控制電路設計

將原挖掘機的手動拉線式油門控制改為油門旋鈕控制，即控制器接收油門旋鈕擋位信號后，控制油門電機伸縮拉動油門拉桿實現柴油發動機的全程調速。

直線電機選用KECM-1524油門馬達。其控制電路如圖8所示。當DO端無效時，即DO接地，KM1和KM2不動作，油門電機RED端接控制信號(PWM)，BLUE端接地(GND)，電機收縮拉動油門拉桿向發動機轉速增加的方向移動；當DO端有效時，輸出24 V高電平，油門電機BLUE端接控制信號(PWM)，RED端接地(GND)，電機延伸拉動油門拉桿向發動機轉速降低的方向移動。

圖8 油門電機控制電路

1.9 其他功能的電路設計

為實現挖掘機行走快慢、喇叭的無線遠程控制，在行走控制電路和喇叭控制電路處，增加相應的繼電器。在遙控模式下EPEC2024控制器接收控制指令后，對相應端口輸出高電平有效，實現對行走快慢和喇叭功能的控制。

1.10 遙控裝置

遙控裝置系統可以實現1 000 m以內的視距遙控。在遙控端，在發送控制指令的同時操作手可通過顯示屏查看挖掘機狀態信息；在接收端通過CAN總線與EPEC2024控制器實現數據交換。

2 總線通訊

在工程機械中使用CAN總線技術，可實現數據集中化處理，從而減少線束數量，縮小了布線空間，大大提高了系統的可靠性和可擴展性[7]。在遙控挖掘機電氣控制系統中采用CAN2.0B總線協議進行通信，CAN報文形式為標準格式。其通訊網絡基本結構如圖9所示。

圖9 遙控挖掘機通訊網絡

當挖掘機進入遙控模式后，啟動CAN總線，系統自動將遙控器的控制指令以CAN標準報文形式發送給EPEC2024控制器。與此同時，控制器循環讀取各個傳感器的信號值，經過相應計算后以CAN標準報文形式發送給遙控器接收端。各報文都有唯一ID地址，當多個節點同時向總線發送數據時，CAN總線控制器根據ID地址進行總線仲裁，ID最小的CAN報文獲得總線使用權[8]。遙控挖掘機通訊網絡的具體通訊協議如表1、表2所示。