電控正流量挖掘機功率控制技術研究

陳棟，顏伏伍，杜常清

(1.武漢理工大學汽車工程學院,湖北武漢 430070；2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室(武漢理工大學),湖北武漢 430070)

0 前言

液壓挖掘機是復雜的工程機械，其控制系統往往涉及到機械、液壓、電子等多個技術領域，呈現出高度耦合的分布式交互的特點。挖掘機液壓系統的控制主要是對液壓系統流量的控制，目的是使主泵輸出合適的流量，并使各執行機構獲得所需的流量以實現目標動作。

目前常用的流量控制方式有負流量控制、正流量控制和負載敏感控制，國內挖掘機以負流量控制為主。相比于傳統的負流量系統和液控正流量系統，電控正流量系統的空流損失更小，系統響應時間更短，易于實現“所供即所需”的控制特性，將成為未來挖掘機系統的發展方向。諸多學者對此展開了深入研究：浙江大學劉劍[1]深入分析了電控正流量系統的主泵、主控閥和先導回路，并建立了相應的系統模型，得到系統的動、靜態特性，通過實車測試驗證了電控正流量系統響應快、波動小以及節能性能好的特點；吉林大學韓紹斌[2]對全電控正流量系統的能耗損失分布進行分析，并進行了建模與實車驗證，驗證了模型的可行性。然而，目前關于電控正流量系統的研究非常少，仍存在許多問題，例如，電液配合程度低、控制策略不完善等等。

針對以上問題，本文作者以某公司大型挖掘機為研究對象，對其正流量控制策略進行了設計與建模， 搭建了基于AMESim和Simulink的挖掘機電液系統聯合仿真平臺，并通過聯合仿真平臺對其進行仿真分析，對挖掘機電液控制系統方面的研究具有一定的參考價值。

1 電控正流量挖掘機系統設計

液力傳動系統具有能量傳輸密度高、無級變速、布置靈活的特點，滿足挖掘機對傳動的多自由度、能量傳遞能力高、節能、靈活的要求[3]。電控正流量挖掘機系統主要由液壓泵組、多路閥組、執行機構以及控制系統所組成。

所研究的挖掘機系統采用電控正流量液壓泵，其控制特性為正流量控制和恒功率控制。圖1為正流量控制原理示意。正流量控制的特點是：操作先導手柄不僅可以控制多路閥開度，而且同時可以調節主泵排量，且主泵的排量正比于先導手柄提供的先導壓力的大小，從而使泵輸出的流量可根據操作手柄的需要而進行正比例改變[4]。相比于傳統的負流量變量泵和液控正流量變量泵，電控正流量變量泵增加了兩個電磁比例閥，可以在控制器中對輸入信號進行控制算法處理，以改變變量泵排量，實現對主泵的恒功率控制[5]。

圖1 正流量控制原理Fig.1 Principle of positive flow control

多路閥組是組成挖掘機系統的關鍵部分，其主要作用是控制換向閥閥芯的位移，改變閥口面積大小，對液壓泵輸出的流量進行二次調節，以滿足動臂、斗桿、鏟斗機構等各執行機構動作需要[6]。在實際工作中，挖掘機時常需要同時進行兩個執行機構的動作，這就使得壓力油總是會趨向于負荷較小的油路，而負荷較大的執行元件實際得到的流量較小，導致動作緩慢、乏力[7]。因此使用雙泵雙回路系統，即使用兩個主泵，泵1與泵2，分別給兩條回路供油。其中一條回路由動臂主控制閥、鏟斗控制閥以及斗桿副控制閥組成，另一條回路由動臂副控制閥以及斗桿主控制閥組成。

2 基于AMESim的正流量系統建模

AMESim是一款具有多學科復雜系統建模以及仿真分析的軟件。AMESim為用戶提供了建立機械、液壓、電動、氣動和熱等不同領域系統模型的平臺以及豐富的API接口。AMESim的建模仿真過程基本可以分為4步，即草圖建立、子模型選擇、參數設置和求解[8]。

挖掘機液壓系統可以通過AMESim軟件建立系統級模型或者元件級模型。系統級模型建立過程簡單，運行速度快，但當涉及液壓系統中具有特殊功能的液壓元件及回路，例如帶有閉鎖閥的動臂和斗桿回路時，不能夠精確實現其功能。此時需要利用液壓元件設計庫(HCD)進行元件級建模。元件級模型需要考慮彈簧剛度、閥芯質量、閥孔面積、液壓力等特性，可以對特殊液壓元件進行高精度定制[9]。

2.1 三位六通換向閥

三位六通換向閥的原理如圖2所示，A、B口分別接鏟斗油缸的大腔和小腔，P、D口接主泵，T口接回油路，C口接下一主閥的P口。當閥芯位于中位時，工作口A、B、P、T處于關閉狀態，液壓油從D口流入，從C口流出并流向下一主閥或流回油箱。先導壓力動作在換向閥上，決定了閥芯的方向及開度，從而實現流量的分配。

圖2 三位六通換向閥原理Fig.2 Principle of three position six way reversing valve

以鏟斗三位六通閥為例，合理設計每個臺肩面上槽口的形狀、大小和數量，相互匹配，即可滿足執行機構的各種運動特性要求[10]。在AMESim軟件中，建立圖3所示的三位六通閥的元件級模型。為了便于使用，將模型封裝為圖4所示。

圖3 三位六通閥AMESim模型

圖4 三位六通閥AMESim封裝圖

2.2 閉鎖回路

挖掘機在實際應用中，經常需要保持某一動作不動。由于此時不需要泵輸出壓力，可將控制閥切回中位。然而滑閥結構存在泄漏問題，容易造成執行機構下掉。設置閉鎖回路可以減小油液泄漏程度，保證安全性。以斗桿閉鎖回路為例，如圖5所示，其閉鎖回路由一個三通錐閥和一個二位三通閥組成。錐閥結構如圖6所示，A、B為工作油孔，C為控制油口。當先導信號控制液壓缸小腔進油時，斗桿伸出。此時將控制閥切換至中位，液壓缸大腔壓力瞬間增大，小腔壓力油在回油中通過錐閥閥芯內鉆孔和二位三通閥通向錐閥彈簧端，并將錐閥壓緊在閥座上，防止斗桿因自重而下掉。根據此原理，在AMESim中建立圖7所示的閉鎖回路模型。

圖5 斗桿閉鎖回路 圖6 錐閥結構簡圖

圖7 斗桿閉鎖回路AMESim模型Fig.7 AMESim model of blocking circuit of boom

2.3 電控正流量液壓泵

電控正流量液壓泵主要由2個變量液壓泵、1個先導泵、2個電磁比例閥以及變量機構組成[2]。在AMESim軟件中建立如圖8所示的電控正流量泵元件級模型。

圖8 電控正流量液壓泵AMESim模型Fig.8 AMESim model of electronic positive flow pump

3 基于Simulink的控制器建模

Simulink是當今主流的仿真軟件，借助于MATLAB強大的數值計算能力，能夠在Simulink下建立系統框圖和仿真環境，在各個工程領域發揮巨大的作用[11]。電控正流量挖掘機的控制策略利用Simulink進行模塊設計，如圖9所示，控制策略模型主要可以分為4個模塊，即手柄信號處理模塊、狀態判斷模塊、流量分配模塊以及控制信號輸出模塊。Simulink模型整體控制流程如圖10所示。

圖9 Simulink控制策略Fig.9 Simulink control strategy

圖10 Simulink模型控制流程Fig.10 Control flow of Simulink model

3.1 手柄信號處理模塊

手柄先導信號作為整個控制系統的輸入部分，對挖掘機的動作控制起著至關重要的作用。挖掘機的復雜工況會對手柄先導信號產生很多干擾，例如手柄的抖動、手柄機械裝置的顫動等，從而嚴重影響手柄先導信號的數據采集，因此必須對手柄先導信號進行濾波處理，去除信號中的噪聲，提取出有用信號。

本文作者利用Simulink設計一階低通濾波器，確定其數學模型為

Yn=qXn+(1-q)Yn-1

(1)

式中：q為濾波器的時間常數，取q=0.15；Xn為第n次采樣時的濾波器輸入；Yn為第n次采樣時的濾波器輸出。

除了接收包含X、Y方向在內的共6個手柄先導信號，該模塊還接收液壓泵出口壓力信號和發動機轉速信號，以及挖掘機啟停開關信號。通過對手柄信號進行濾波，結合執行機構的幾何參數計算得出執行機構的需求流量[12]。

3.2 狀態判斷模塊

在實際工作中，挖掘機動作復雜，執行機構動作變化頻繁。因此，正確判斷挖掘機執行機構的工作狀態是實現對挖掘機動作精準控制的基礎。

利用Stateflow構建狀態判斷邏輯。該部分首先根據啟停開關判斷液壓系統處于關機或是開機狀態。若處于開機狀態，則根據需求流量矢量值判斷動臂、斗桿和鏟斗3個執行機構分別是處于何種狀態，包括停止、提升以及下降狀態，并輸出相應的指示信號。同時，由于在人為操作時會不可避免地出現手柄的輕微抖動，從而造成輸出狀態值頻繁變化的問題，導致挖掘機發生誤動作。為消除這一影響，在判斷執行機構的控制策略中采用重復判斷措施，使信號在保持同一狀態0.1 s后再進行一次狀態確認。圖11為動臂狀態判斷Stateflow框圖。

圖11 動臂狀態判斷Stateflow框圖Fig.11 Judgement Stateflow block diagram for boom state

狀態判斷模塊的總體目標是根據工作機構的需求信號，采集動臂、斗桿、鏟斗以及系統的控制狀態，從而判斷液壓系統處于何種工作狀態，并給出相應狀態信號。

3.3 流量分配模塊

完成動臂提升、斗桿回收及伸出動作的過程中經常伴隨著大負荷，若只用單泵供油，會造成相應動作的遲緩，導致挖掘機動作效率低下。因此在大負載工況中，需要兩個油泵一起供油，這就需要設置合流閥及其閾值，以及執行機構與變量泵的供油關系。單變量泵的最大輸出流量與發動機轉速成正比，因此可由查表函數和簡單的邏輯判斷搭建控制模型來實現這一過程，如圖12所示。

圖12 動臂斗桿主副閥流量分配

為提高雙變量泵的工作效率，針對單動作時執行機構與變量泵的供油關系制定了一套供油規則，如表1所示。

表1 單動作供油策略Tab.1 Fuel supply strategy for single action

液壓油是經過多路控制閥進入執行機構油缸的，因此閥口的開度與流經閥口的液壓油流量有直接關系。多路閥閥口流量特性可表示為

(2)

式中：C為流量系數；ρ為液壓油密度；A為多路閥閥口開度；Q為流經閥口的流量，即相應執行機構的需求流量；Δp為流過控制閥的液壓油前后壓力差，可由主閥參數表中的壓降數據計算得到。即可根據式(2)得到多路閥開度信號。

該模塊總體目標是通過計算多路閥中各換向閥需要通過的流量，來控制換向閥的開度以及合流閥的開關，實現流量分配的控制。

3.4 控制信號輸出模塊

對于多路閥開度控制信號的輸出，它與多路閥開度信號的關系可以視為一個比例環節。

對于主泵排量控制信號的輸出，則需要通過功率控制來實現。為提高效率，使發動機的輸出功率被泵完全吸收，發動機的輸出功率應與泵的吸收功率相等，即

Ne=Np

(3)

Mene=Mpnp=(p1q1+p2q2np

(4)

式中：p1、p2、q1、q2為泵1、泵2的出口壓力和排量。由于發動機和變量泵在同一軸上，因此ne=np。要使功率損失最小，理論上應滿足變量泵的吸收扭矩Mp實時跟蹤發動機的輸出扭矩Me。由于泵出口壓力取決于外負載，因此當外負載不斷變化時，這就要求控制器能夠實時調節變量泵排量q1、q2。

恒功率控制是一種變量泵控制方法，它可以保證泵的輸出壓力與輸出流量的乘積為一定值，根據系統中壓力的變化，調節變量泵排量。通常恒功率控制利用兩個剛度不同的彈簧機構分段起變量控制作用，導致其輸出特性僅僅是逼近雙曲線特性的雙折線[13]。若使用電控系統來實現恒功率控制，即實時采集泵出口壓力信號并轉化為電信號，在控制器中綜合計算出變量泵排量，理論上可以使泵輸出特性呈理想的雙曲線特性。

當前普遍應用的恒功率控制算法主要是分功率控制以及全功率控制。分功率控制是將總功率平均分給泵1和泵2，使雙泵獨立進行恒功率調節及控制，如式(5)所示。全功率控制是將兩個變量泵的排量通過機械或液壓機構保持一致，使泵1、泵2的流量始終保持相同，可由式(6)來表示，式中：q表示泵1或泵2的排量。

(5)

(6)

但不論是分功率控制還是全功率控制，都會造成功率的浪費。為了提高雙泵功率的利用率，提出一種更為合理的恒功率控制算法，即改進全功率控制，其控制框圖與對應模型分別如圖13和圖14所示。當雙泵需求總功率大于發動機的設定功率時，將完全利用發動機設定功率，根據雙泵需求功率按比例進行匹配，盡可能滿足雙泵的功率需求。

圖13 改進全功率控制框圖Fig.13 Improved full power control block

圖14 改進全功率控制模塊Fig.14 Improved full power control module

4 聯合仿真分析

4.1 聯合仿真設置

實施聯合仿真的關鍵是開發出可信度高的虛擬樣機，等效簡化實際工況進行虛擬樣機仿真與試驗，并在新產品開發中提供有效的仿真分析結果[6,9]。進行AMESim和Simulink聯合仿真時，首先在AMESim中創建一個SimuCosim接口模塊，設置好相關參數并完成連接后，進入求解模式。此時會生成一個后綴名為mex64的文件。在Simulink模型中創建一個AME2SLCoSim接口模塊，讀入mexw64文件，完成AMESim與Simulink的聯合仿真接口設置，從而實現控制器程序對虛擬樣機的實時控制[9]。聯合仿真模塊如圖15所示，AMESim將主泵出口壓力信號以及發動機轉速信號傳遞到Simulink中，Simulink將變量泵排量信號和多路閥閥芯開度信號傳遞到AMESim中，實現同時對多路閥開口和液壓泵排量的控制。

圖15 聯合仿真模塊

液壓挖掘機由于作業范圍大，靈活度高，其動作可分解為多個單動作。對某一個執行機構進行單動作仿真時，保持其余執行機構固定姿勢，控制手柄階躍信號使對應油缸全伸與全縮來觀察執行機構液壓缸的響應情況[14-15]。主要液壓元件參數如表2—表3所示。

表2 變量泵主要參數Tab.2 Main parameters of variable pump

表3 執行機構主要參數 單位：mm

其他元件參數如油液密度、油溫、體積彈性模量、絕對黏度、庫侖摩擦因數等均采用系統默認參數。

4.2 單動作仿真

液壓挖掘機作業循環主要可以分解為動臂提升與下降、斗桿內收與外擺、鏟斗挖掘與卸料6個單動作。現以動臂提升與下降仿真為例，研究電控正流量挖掘機系統的輸出特性。對動臂油缸施加一負載信號，如圖16所示。因負載采用階躍信號，負載端使用彈簧阻尼系統，以減小由于負載壓力變化而引起的液壓系統振動，增強液壓系統的穩定性。

圖16 AMESim負載模型Fig.16 AMESim load model

設置油缸的初始位移最小，即油缸活塞處于全部縮回的狀態，通過聯合仿真得到的仿真特性曲線如圖17—圖18所示。t=1 s時，在先導壓力的作用下，換向閥閥芯開始移動，動臂油缸活塞桿開始提升，油缸大腔和小腔壓力均迅速提高。動臂升高初始由于系統震蕩，存在短暫的波動，波動之后大小腔壓力逐漸趨于平穩。直在t=4.4 s左右時，動臂油缸活塞運動到極限位置，油缸大腔壓力迅速達到最大壓力，通過溢流閥維持溢流壓力，而有桿腔壓力迅速降低。t=8.1 s左右時，在先導壓力的作用下，換向閥打開，動臂油缸活塞桿開始下降，由于下落主要靠重力作用，油缸內壓力低于動臂提升時的壓力。到t=13 s左右時，油缸活塞達到極限位置，換向閥關閉，大小腔壓力迅速減小。經分析，符合預期。

鏟斗和斗桿機構的仿真特性曲線如圖19—圖22所示，經分析，同樣符合預期。

圖17 動臂油缸位移仿真曲線 圖18 動臂油缸壓力仿真曲線

圖19 斗桿油缸位移仿真曲線 圖20 斗桿油缸壓力仿真曲線

圖21 鏟斗油缸位移仿真曲線 圖22 鏟斗油缸壓力仿真曲線

4.3 功率控制方法對比

以上一小節的動臂提升單動作為例，將控制策略中的功率控制部分分別用分功率控制、分壓力控制以及改進全功率控制進行仿真，將設定功率Ns設置為125 kW，得到雙泵需求功率及雙泵實際功率曲線如圖23—圖25所示。

對于分功率控制，由于設定功率被平均分給兩個變量泵進行獨立的恒功率控制，因此每個泵能吸收的最大功率為62.5 kW，當動臂提升時，泵1功率被限制在62.5 kW，泵2只吸收了40 kW左右的功率，存在超過20 kW的空閑功率無法被利用，因此該系統造成了嚴重的功率浪費。

圖25 改進全功率控制泵功率曲線Fig.25 Bump power curves under improved full power control

對于全功率控制，兩個變量泵的排量是相同的。當動臂提升時，壓力較大的泵1通過恒功率調節可以使功率滿足需求，但壓力較小的泵2不能完全吸收剩余的功率，因此也會造成功率浪費。

相比于分功率控制和全功率控制，改進全功率控制很好地滿足了雙泵各自的需求，并且功率損失極小。仿真結果表明:雙泵功率之和基本在設定功率附近輕微波動，滿足性能需求。

5 結論

通過對某大型正流量液壓挖掘機系統的分析，基于AMESim和Simulink建立一套聯合仿真平臺，制定一套改進全功率控制策略，并設置合理仿真參數進行仿真，得到電控正流量挖掘機系統執行元件的輸出特性。結果表明：該仿真模型表現良好，執行機構在外負載下的運動變化符合執行機構的實際運動規律，且與分功率控制和全功率控制相比，建立的改進全功率控制對雙泵的功率匹配更加合理，驗證了文中所建模型的合理性，對復雜的電控正流量挖掘機控制策略的設計與調試提供一定的參考。