挖掘机功率控制系统和方法 【技术领域】
本发明涉及一种挖掘机控制系统和方法，具体涉及一种挖掘机功率控制的系统和方法。
背景技术
传统的挖掘机液压系统与发动机的控制采用的这样一种措施：即保证液压系统的功率输入，长时间的让泵的输入功率达到甚至超过实际需求的功率，这样保证了液压系统始终工作在一种动力供过于求的状态，确实可以满足工作的要求，但由此带来了大量的功率损失。
为了更有效地利用发动机的功率，通常都采用恒功率变量泵，所谓的恒功率变量泵通俗一点说就是泵的压力与泵的流量的乘积是一个常数，如果这个数值大于发动机的功率时就会出现我们常说的憋车。所以每个设计者就其设计思想来说，都必须是使整个液压系统的功率无限接近发动机的功率而又绝对不能大于发动机的功率。在恒功率控制上分为两部分：一是泵内部的功率控制：根据泵输出压力对泵的排量进行的控制，当压力升高时，泵的排量随之减小；当压力降低时，泵的排量随之增大；如果系统的压力低于先导压力时则引入先导压力对其排量进行控制；二是外部信号对泵的功率的控制：这里说的外部信号是指先导操作系统、主压力系统、发动机系统等等一切与泵的功率控制有关的信息的综合。
另外，目前国内外还有采用极限功率来控制挖掘机的，根据柴油机的运行特性，其在运行过程中如果遇到负荷加重的情况，可以在一定范围内降低转速，提高扭矩，增大输出功率，从而自动提高做功能力，以达到恒功率的目的。但如果转速下降过多，输出功率反而会减小，在转速下降到比空载转速低7％左右的时候输出功率达到极限，低于该极限转速，输出功率骤然下降，泵的排量下降，导致工作装置动作缓慢，动力与响应速度下降，机器运作不稳定。
【发明内容】
本发明目的是提供一种挖掘机功率控制系统和方法，采用该控制系统与方法，在满足液压系统的功率需求下，可降低功率损失，提高发动机输出功率的利用率，减少能源消耗。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种挖掘机功率控制系统，包括设置于主泵出口处的压力传感器与主泵排量调节器，设置于发动机处的转速传感器以及设置于挖掘机主控制器内的负载计算模块，所述压力传感器、转速传感器的信息输出端以及主泵排量调节器的排量反馈端分别与所述主控制器连接，并通过所述负载计算模块运算后输出：(1)发动机转速目标值或改变量至所述发动机；(2)发动机油门位置的目标值或改变量至所述发动机；(3)主泵排量的目标值或改变量至所述主泵排量调节器。
上述技术方案中，所述主泵排量调节器为一电磁比例阀，其控制端与所述主控制器连接。
上述技术方案中，所述正流量控制方式为：执行元件不工作的时候，油泵上没有先导压力，斜盘摆角最小，油泵只输出少量的备用流量。操纵先导手柄，则液压先导回路中建立起与手柄偏转量成比例的压力来控制换向阀阀芯的位移和主泵的排量。主泵的流量和由此产生的执行元件的工作速度与先导压力、控制压力成正比例。在挖掘机低负荷时采用正流量控制方式，所谓低负荷即为挖掘机工作装置在正常压力下工作，而相反的，高负荷为工作装置到达最高位置，此时由于工作装置没有做功，故而主泵的功率输出都在溢流以及沿途的压力损失了，为避免损失，本发明的原则是恒功率调节优先于极限功率调节，在低负荷时由正流量控制发挥调节作用，恒功率与极限功率参与运算但不起主导作用；高负荷时恒功率发挥主导作用，在此基础上使用极限功率进行辅助调节，即为：在转速下降的初期(输出功率增加)，主控制器不作干预；在转速变化超出7％之后(输出功率开始减小)，才开始按比例减小主泵的排量，阻止转速继续下降，从而尽量将柴油发动机转速维持在极限功率点附近，以此在满足液压系统的功率需求的前提下，降低功率损失，节省油耗。
为达到上述目的，本发明采用的方法技术方案是：一种挖掘机功率控制方法，(1)挖掘机在低负荷时，由正流量控制方式控制；(2)挖掘机在高负荷时：a.发动机转速＞＝空载转速×(1-7％)：以恒功率方式控制，使发动机转速下降；b.发动机转速＜空载转速×(1-7％)：以极限功率方式控制，发动机转速停止下降；
所述恒功率方式为：实时采集主泵出口压力，根据实际工况计算出挖掘机当前操作需要的流量，利用主泵排量调节器进行流量调整，保持主泵输出功率不变；
所述极限功率方式为：测得主泵输出压力达到或者超过溢流压力时，在保证主泵输出压力恒定在实际工况所需压力值的前提下，控制主泵排量调节器，减少主泵排量，将主泵功率降低。
上述技术方案中，所述主泵排量调节器为一电磁比例阀，在所述恒功率方式中，根据电磁比例阀输入电流跟开度的关系，算出需要加到电磁比例阀上的控制电流大小，完成对流量的调整；在所述极限功率方式中，通过控制加到电磁比例阀上的电流值，减小该电磁比例阀的开度，完成对主泵排量的减少。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明通过设置主泵压力传感器、转速传感器以及主泵排量调节器，实时检测挖掘机的工作状态，将参数输入集成于主控制器中的负载计算模块，计算出实时工况所需的主泵压力、发动机转速及油门位置、液压排量的目标值或改变量，由主泵排量调节器调整主泵流量，使挖掘机液压系统的功率需求与发动机的输出功率达到实时匹配，且不影响整机的动力性和响应速度；
2.采用恒功率调节优先于极限功率调节，在低负荷时由正流量控制发挥调节作用，在高负荷时，恒功率发挥主导作用，在此基础上使用极限功率进行辅助调节，降低发动机转速，提高扭矩，增大输出功率，提高做功能力，转速小于发动机空载转速的(1-7％)后，在保证主泵输出压力恒定在实际所需压力值附近的前提下，减小主泵排量，阻止转速继续下降，从而尽量将柴油机转速维持在极限功率点附近；因而以恒功率控制综合极限功率控制，在保证挖掘力前提下兼顾动力系统的功率输出，动态调节液压系统的实际功率需求之间的匹配，减少功率损失；
3.本发明可以将挖掘机的一般(低负载)工况以及高负载工况区别开，在高负荷时进行功率切换控制，避免液压损失，节省油量的消耗，且保证挖掘机在各种工况下的动作柔和性及平稳性。
【附图说明】
图1是本发明实施例一的控制原理框架示意图；
图2是本发明实施例一的高负荷时主泵压力操控流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1、2所示，一种挖掘机功率控制系统，包括设置于主泵出口处的压力传感器与电磁比例阀，设置于发动机处的转速传感器以及设置于挖掘机主控制器内的负载计算模块，所述压力传感器、转速传感器的信息输出端以及电磁比例阀的控制端分别与所述主控制器连接，并通过所述负载计算模块运算后输出：(1)发动机转速目标值或改变量至所述发动机；(2)发动机油门位置的目标值或改变量至所述发动机；(3)主泵排量的目标值或改变量至所述主泵排量调节器；其控制方法为：(1)挖掘机在低负荷时，由正流量控制方式控制；(2)挖掘机在高负荷时：a.发动机转速＞＝空载转速×(1-7％)：以恒功率方式控制，使发动机转速下降；b.发动机转速＜空载转速×(1-7％)：以极限功率方式控制，发动机转速停止下降；
所述恒功率方式为：实时采集主泵出口压力，根据实际工况计算出挖掘机当前操作需要的流量，根据电磁比例阀输入电流跟开度的关系，算出需要加到电磁比例阀上的控制电流大小，进行流量调整，保持主泵输出功率不变；
所述极限功率方式为：测得主泵输出压力达到或者超过溢流压力时，在保证主泵输出压力恒定在实际工况所需压力值的前提下，控制加到电磁比例阀上的电流值，减小该电磁比例阀的开度，减少主泵排量，将主泵功率降低。
所述压力传感器为：根据压力输出一个0.5v-4.5v的电压值，
要求：(1)精度1％；
(2)温度补偿范围-30℃-120℃；
(3)使用温度-40℃～120℃。
根据发动机的设定转速以及用户设定的工况，查表获取发动机输出功率，即W＝P×Q。考虑传动系统和主泵的效率，假设发动机输出功率中有70％被液压泵转换后输出，发动机输出功率乘以70％获得液压泵的输出功率。对照表如下：以20吨挖掘机用发动机为例，该表为对应发动机厂商提供的功率曲线图对照查得。
转速与功率对照表
空负荷转速 1650 1750 1830 2000 2250
功率(KW) 90 94 99 108 114
作业模式与功率系数表
模式名称 轻载模式 标准模式 重载模式
系数 0.8 0.9 1.0
在低负荷下，挖掘机按照正常的正流量控制方式运作，也就是说主泵的流量和由此产生的执行元件的工作速度与先导压力、控制压力成正比例；在高负荷下，功率切换控制，以避免功率损失(工作装置已经到达最大位置，但是操作手柄没有松开，此时的泵排量等于发动机输出功率除以主压力，但是这时执行元件未做功，主泵压力达到溢流阀压力后，溢流而造成损失)，降低发动机转速，输出功率增加，由发动机转速传感器测得转速，当发动机转速＞＝空载转速×(1-7％)时，由主泵压力传感器采集当前主泵出口压力，输入负载计算模块中，根据实际工况计算出需要的实际液压流量，再根据电磁比例阀输入电流与阀门开度的关系，算出需要加到电磁比例阀上的控制电流大小，由主控制器控制电磁比例阀，从而完成根据主压力的恒功率控制(保证主泵输出功率不变)；在此基础上，当测得发动机转速＜空载转速×(1-7％)时，主泵输出压力传感器测得压力达到或者超过溢流压力时，输出功率开始减小，若发动机转速再下降，必将导致动力不足，因而此时以主压力为被控对象，控制过程如图2所示，在保证输出压力在实际工况下所需的恒定压力的前提下，由主控制器调整电磁比例阀的开度，尽可能多的降低主泵排量，直到主压力有下降趋势后，调整泵控压力值停止压力下降，从而阻止转速继续下降，尽量将发动机转速维持在极限功率点附近(也就是主泵输出压力在溢流压力左右)。