為提高液壓挖掘機的能量利用率並更好地節省燃料，採用功率優化電子控制系統對發動機和液壓油泵系統進行綜合控制，使二者達到最佳匹配。該系統主要由單片機、感測器、直流伺服電動機和電磁比例閥組成，其中電機可帶動油門拉杆進退以調節油門的大小；電磁比例閥的開度又與油泵斜盤的變數活塞所受的控制壓力有關，可通過對比例閥閥芯開度的調節來改變斜盤傾角，以達到控制油泵吸收功率的目的。該系統在控制機工作時，可通過對油門和油泵吸收功率的控制使發動機始終保持在額定轉速附近，發揮最大有效功率，達到功率優化目的。
關鍵詞：液壓控制機；發動機；液壓泵；功率優化
引言
液壓挖掘機能量的總利用率一般僅為20%左右，能量損失巨大，因而節能技術便成為衡量液壓挖掘機先進性的重要指標。目前國外的技術大多是採用電子功率優化系統，對發動和液壓油泵系統進行綜合控制，使二者達到最佳匹配以獲得節能效果。該系統由單片機控制的無級調速的電控油門和電磁比例閥使挖掘機的機電一體化程度大大提高。可以根據發動機負荷的變化，由微處理器控制調節液壓泵所吸收的功率和油門的開啟度，使發動機始終保持在額定轉速附近以全功率投入工作；同時電控油門還可以使發動機轉速在很大的範圍內任意設定。由此電控系統控制的挖掘機工作性能將會更穩定，操作起來更加精細，平滑可靠，沒有衝擊感，能量利用率更高，更節省燃料，節能效果自然更明顯。另外，還可實現對發動機轉速的實時監控及自動怠速、自動升速和自動穩速等的控制功能。
1電控系統主控對象
液壓挖掘機主要由工作裝置、轉檯和行走裝置三部分組成，它的半臂鏟挖動作、駕駛室轉動動作和行走動作都是在液壓系統的油缸和馬達的驅動下完成的。而液壓系統的油源又是由發動機帶動的液壓油泵提供的，因此發動機和液壓油泵就是液壓挖掘機整車的動力源，功率優化控制系統的主控對象也就是發動機和液壓油泵。這裡配置的發動機是康明斯柴油發動機；而液壓油泵則是斜盤式柱塞變數泵，其結構示意圖如圖1所示。
斜盤式柱塞變數泵的排量和流量可以通過改變斜盤傾角來改變。柱塞泵的斜盤前後有兩根耳軸支承在變數殼體的兩個圓弧導軌上，斜盤可以耳軸中心線為軸心擺動，使傾角改變。斜盤中部裝有銷軸，其左側球形端部插入變數活塞的孔內。當變數活塞頂部的負載變大超過彈簧彈力時，變數活塞會向下移動，使斜盤傾角變大，泵的流量就會變大，液壓泵吸收的發動機的功率也會跟著變大。只要能控制好液壓油泵變數活塞所受壓力的大小就可以控制液壓油泵的吸收功率。
2電控系統控制原理
2．1對發動機轉速控制
圖2發動機的外特性曲線
柴油機的外特性曲線如圖2所示。由圖可見，柴油機基本上是恆扭矩調節的，其輸出功率的變化表現為輸出轉速的變化，即不同的油門開度對應著不同的柴油機輸出轉速，也就是說我們可以通過對油門開度大小的控制來實現對發動機輸出轉速的控制。門開度大時，噴油泵有效供油行程大，循環供油量大，發動機轉速提高；反之，轉速就低。只要我們能使油門開度微動調節，供油行程一點一點變化，就可對發動機進行無級調速。
2．2對液壓油泵的控制
由柴油機的外特性曲線還可以看出，當噴油泵的油門拉杆處於某一位置時，柴油機的輸出扭矩隨轉速變化的特性曲線很平坦。這種特性對柴油機的工作是很不利的，當柴油機的負荷有較小變化時，其轉速就會發生很大的變化。所以發動機在驅動工作機械時，只有當它的輸出扭矩與工作機械的阻力相等，發動機才可以穩定工作。如阻力矩超過發動機的輸出扭矩，發動機轉速將下降；反之，則升高。
2.2.1對超負荷運行狀態的控制液壓挖掘機在施工作業中，如遇到堅硬結實的地面時，鏟挖阻力大，工作負載變大，執行元件動作變緩，回油變慢，而油泵仍繼續向系統供油，油缸內的油壓急增，使系統壓力過大，發動機的輸出扭矩已小於這時的工作阻力，於是，發動機開始超負荷運轉，轉速迅速下降，甚至導致「熄火」。這時單靠拉大油門，硬性地使發動機轉速升上去，溢流損失會很大，甚至會使油路因壓力過大而漏油；還有一種情況是負荷特別重，油門已在最大位置，而我們已無法再通過調節油門來升速。這時我們可以通過降低液壓油泵向系統提供的液壓油量來降低系統的壓力，減少油泵對發動機功率的吸收，從而降低油泵的輸出扭矩。這樣一來，即使回油變慢，泵油量也會同時減小，油缸內的油壓就不會太大，系統的壓力也將減輕，從而降低了發動機的負載，這時發動機就不會再「熄火」，仍然可以保持額定轉速運轉，發揮最大的有效功率，只是挖掘動作變得慢了些。
2.2.2對正常負荷運行狀態的控制挖掘機正常工作負載時，我們也可以通過調節液壓油泵對發動機功率吸收量的大小使發動機始終能保持在額定轉速附近，發揮最大的功率；同時，防止發動機多餘的能量進入液壓系統，使系統壓力過高和液壓油過熱。而且對應著工作負載大小的不同，發動機保持額定轉速的油門位置也會不同，負荷越小，油門就越小，油料消耗也越小。另外，當挖掘機工作負載很輕時，為降低油耗，我們還可以將發動機轉速調小，相應的降低油泵的吸收功率，使發動機在較低轉速下仍能穩定工作，同時又降低了油門，減少了油料的消耗，達到更好的節能效果。
3電控系統硬體配置
圖3液壓挖掘機功率優化電控系統示意圖
3．1系統執行部件的選用
伺服系統是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。為實現對發動機油門開度大小的控制，我們選用額定工作電壓為12V、功率為30W的永磁式直流伺服電動機。該電機將從控制系統過來的直流電信號快速轉變為軸上的角位移輸出，從而通過與電機軸相連的擺桿來帶動油門拉杆運動。
對於液壓油泵斜盤傾角的調節和控制，我們是通過在液壓油泵的先導控制油路前增加一個電磁比例閥來實現的。電磁比例閥是將手動調節壓力、流量等參數的壓力閥、流量閥改為電動調節，並使被調整參數和給定的電量成比例。改變電磁鐵線圈上的電流就可調整閥芯的開度，進而改變作用在液壓油泵變數活塞上的壓力以及活塞的位置，由此可以實現對液壓油泵的變數調節。
3．2系統檢測器件的選用
為對發動機轉速進行實時監控，需在發動機飛輪處加一個轉速感測器。這裡配置的是磁電式轉速感測器。它可以直接給出發動機轉速值。
在發動機升降速調整時，為協調好油門開度和液壓油泵斜盤傾角之間的關係，我們在油門拉杆的最大位置和最小位置處分別裝了兩個電感式位置感測器，每當油門拉杆到達這兩個極限位置，電感線圈的磁通量就會發生相應的變化，檢測到油門此時的位置並向控制器發出信號。
另外，為使控制系統能完成自動怠速、自動升速等功能，我們在挖掘機駕駛室內的操作手柄內部和腳踏板的底部也安裝了感測器。手柄內裝的感測器是電容式的，可以檢測任何非金屬物體；腳踏板下的感測器與油門位置感測器相同都是電感式的，可檢測任何金屬物體。這樣，只要挖掘機的操作人員將手握住手柄或踏下腳踏板，感測器就會向控制器提供有液壓操作的信號。
3．3系統主要元件的選用
該控制系統是液壓挖掘機功率優化的中樞，其基本組成部分有中央處理單元、存儲器、I/O介面、人機界面及系統支持單元等。
3.3.1控制核心CPU的選擇將中央處理單元、隨機存儲器、只讀存儲器、定時/計數器和I/O介面都集成在一個晶元上的單片機，是專為工業控制和智能儀器設計的集成度很高的微型計算機。其簡單可靠，小巧便宜的優點恰能滿足我們的設計需求，非常適合做電控系統的核心。為防止軟體程序過大，所選用的單片機只讀存儲器內存應該大一些。AT89C52型單片機是一種低功耗，高性能的CMOS八位機，它帶有8K可編程和擦除的只讀存儲器，還提供了256位元組的隨機存儲器，32線I/O口，三個16位定時器/計數器，八個中斷源，並且還具有三級程序存儲器加密功能，條件比較適合，因此，我們就選用了這種單片機。
3.3.2顯示器件的選擇在所設計的控制系統中我們使用了兩片SAA1064驅動8位LED顯示數碼管，4位LED用來顯示4位轉速值，還有一位分別顯示不同的兩個字母以表明顯示速度值是實際轉速還是設定轉速。
3.3.3模/數、數/模轉換器的選擇在控制電磁比例閥時，單片機89S52發出的控制信號是數字量的，這樣的控制信號還不能實現對比例閥電磁線圈通電電流大小的改變，還需要D/A轉換器將數字量的控制信號轉換成模擬信號，在此我們選用了帶ⅡC匯流排介面的PCF8591A/D、D/A轉換器。
圖4主程序流程圖
3.3.4光電隔離器的選擇由於光電耦合的信號傳遞採取電—光—電形式，發光部分和受光部分不直接接觸，被耦合的兩個部分可以自成系統，使強電部分與弱電部分隔離，所以可有效的避免干擾由輸出或輸入通道竄入控制器，從而保證電路工作的可靠性。在進行電路設計時，為避免干擾使電路工作更可靠、穩定，我們在控制器與輸出信號的放大電路和輸入信號的整形電路之間都使用了光電耦合TLP521A。
4電控系統的軟體設計
該挖掘機功率優化電控系統的程序設計主要由主程序、調速子程序、怠速子程序、穩速子程序和按鍵程序等幾個部分組成，程序中使用了四個中斷，其中TO做計數器，T1做通用延時定時器，T2做閘門定時器讀TO，INTO判斷按鍵。
這裡只將主程序流程圖列出，如圖4所示。
5結語
實踐證明，該液壓挖掘機全程功率優化電控系統的設計，大大提高了液壓挖掘機的能量利用率，既節約了燃料，又節省了人力。並且，經優化改進的液壓挖掘機工作性能更加穩定，操作起來更加精細，平滑可靠。完全達到了預期目的，即：實現對發動機轉換的實時監控及自動怠速、自動升速和自動穩速等的控制功能。該技術若進一步得以推廣應用，必將為我國挖掘市場帶來重大經濟效益。
