CN102794823A - 混凝土搅拌运输车恒速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其包括：通过动力总线与发动机相连的恒速控制器、与恒速控制器相连的主控单元、与恒速控制器相连的辅控单元、用于实时显示主控单元操作情况的显示单元、与恒速控制器相连的变量泵电磁阀、由变量泵电磁阀控制的液压驱动单元、以及用于检测搅拌筒转速的转速传感器。本发明有利于我国混凝土搅拌运输车整车电子的国产化，降低恒速电子速控制系统的生产成本，同时既能保证混凝土的匀质性，又能降低能耗。

Description

混凝土搅拌运输车恒速控制系统

技术领域

本发明涉及一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统。

背景技术

近年来，由于基础设施及房地产建设的持续发展，中国对混凝土机械的需求高速增长，混凝土搅拌运输车承担者重要的运输任务，是混凝土搅拌站至混凝土泵车之间的最为重要一环。随着预拌商品混凝土的广泛采用，混凝土搅拌运输车正在发挥着日益重要的作用。现在，混凝土搅拌运输车在搅拌筒驱动方面，对传动和控制技术提出了更高的要求：可靠性高、操作简便、生产效率高、使用寿命长以及节能环保等。为了保证输送途中混凝土的质量，混凝土搅拌输送车满载预拌混凝土的搅拌筒在整个运输过程中都必须转动，且搅拌筒的搅动转速必须恒定，不受汽车发动机工作转速变化的影响，与车辆的行走速度无关，从而避免运输过程中出现因道路情况变化而使汽车速度频繁变化而导致搅拌筒的搅动转速忽高忽低，筒内混凝土流动不均匀，从而产生严重的离析，坍塌度变大，破坏混凝土品质。而且车辆加速的同时使搅拌筒加速，增加能耗的同时减少了车辆加速所需功率储备。这就势必要求液压系统能够保证搅拌筒的转速不随发动机转速的变化而变化，也就是搅拌筒的恒速控制问题。

目前，实现搅拌筒的恒速控制，大致有以下4种方式：第一种方式是采用发动机单独驱动，而其余三种方式都是通过取力器(PTO)从汽车底盘上引取动力。采用发动机单独驱动，虽能解决搅拌筒的恒速问题，并能够保证在任何行车工况下始终保持搅拌筒的恒速，但实际上因为太昂贵而很少被使用，而且这种驱动方式往往是以减少混凝土装载量为代价，以换取单独发动机的安装之地。

然而取力器的出现使得搅拌车能够做到全车共用一个动力源，不必配置单独发动机驱动搅拌筒，使整车经济性有明显提高，其包括以下两种方式：

(1)常规液压系统传动方式，通过控制手柄改变变量泵斜盘的角度，从而使变量泵实现双向无级变量，在变量泵的斜盘固定的情况下，变量泵输出流量与输入转速成正比。该方案是目前最普遍采用的方案。这种驱动方式没有加装搅拌筒恒速搅动装置，这主要是因为生产厂家有一种错误的看法。他们认为搅拌筒搅动时转速很低，反映在发动机转速变化时，搅拌筒转速似乎变化不大。如发动机转速为600r/min时，拌筒转速为1r/min；而当发动机转速为1800r/min时，拌筒转速增加为3r/min。转速增加了3倍，但搅拌筒转速的绝对值只增加了2r/min。他们所采用的减速机的减速比很大，当发动机转速改变量很小时，搅拌筒的速度不会有太大的改变，故也不会对混凝土的品质有较大的改变。然而采用这样的传动方式省去了恒速控制装置，在价格上取得了优势，但是，由于搅拌筒转动惯量大，搅拌筒的转速随发动机转速的变化而变化，从而就会导致如前所述的弊端。而且随着现代建筑技术的发展，对混凝土质量要求也越来越高。

(2)电子恒速传动(CSD)方式，通过控制电流来控制变量泵的流量，使之始终与按各工况转速要求所预定的流量一致。采用电子恒速传动的方式已经有多年的历史，最早是德国Rexroth公司于20世纪90年代中期开发的搅拌车专用泵A4VTG，其加装CSD电子恒速传动装置，即可实现搅拌筒的恒速驱动。美国Sauer-Danfoss公司于2001年也设计出了能实现电子恒速控制功能的TM系列搅拌车专用液压元件。电子恒速传动方案与常规液压系统传动方案大体上是一致的，只是变量泵的控制形式改为了电比例控制。它是通过调节带位移-力反馈的比例阀的输入电流，驱动变量泵斜盘角度变化，从而使变量泵实现双向无级变量，变量泵输出流量与输入电流成正比。恒速的实现是通过传感器检测拌筒的转速，电子装置根据实测转速与预选转速的差值，不断调节输出电流，从而使泵的输出流量按预定值保持不变。然而由于价格昂贵，很难得到广泛的应用。

发明内容

本发明目的是提供一种性价比高的混凝土搅拌运输车恒速控制系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其包括：通过动力总线与发动机相连的恒速控制器、与恒速控制器相连的主控单元、与恒速控制器相连的辅控单元、用于实时显示主控单元操作情况的显示单元、与恒速控制器相连的变量泵电磁阀、由变量泵电磁阀控制的液压驱动单元、以及用于检测搅拌筒转速的转速传感器。

在上述技术方案的基础上，进一步包括附属技术方案：

所述恒速控制器采集多路开关量信号，并输出两路功率驱动输出信号。

所述主控单元包括急停开关、模式设置按钮、速度设置按钮、确认开关、切换开关以及停止按钮。

所述恒速控制器每隔固定时间T将搅拌筒转速与用户设定目标速度的差值带入增量式PID算法公式，并由该公式的输出量决定单片机PWM方波的占空比，然后变量泵电磁阀根据此PWM方波的占空比来决定流量。

架构恒速控制器、主、辅控单元之间的通讯协议至少包括通讯速率、通讯信息的长度、协议字、命令字、数据、校验方式、纠错机制、冲突仲裁。

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：

有利于我国混凝土搅拌运输车整车电子的国产化，降低恒速电子速控制系统的生产成本，同时既能保证混凝土的匀质性，又能降低能耗。

附图说明

图1是本发明的功能方块图；

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例：如图1-2所示，其为本发明的一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统的具体实施例，其包括通过动力总线与发动机相连的恒速控制器、与恒速控制器相连的主控单元、与恒速控制器相连的辅控单元、用于实时显示主控单元操作情况的显示单元、与恒速控制器相连的变量泵电磁阀、由变量泵电磁阀控制的液压驱动单元、以及用于检测搅拌筒转速的转速传感器。其中架构恒速控制器、主、辅控单元之间通过F-CAN总线平台的车身总线连接，且通讯协议包括通讯速率、通讯信息的长度、协议字、命令字、数据、校验方式，纠错机制、冲突仲裁等内容，并符合汽车电子工业的相关要求，同时参照SAE J1939协议制定。主控单元位于驾驶室内，而辅控单元则位于驾驶室之外包括左右操作面板，由此实现系统的闭环控制。

恒速控制器为核心模块并包括单片机，接收来自主控单元和辅控单元的操作请求，输出控制比例电磁阀的脉宽调制信号控制变量泵的排量，通过动力CAN总线控制发动机转速，最终实现搅拌筒在各种工况下的恒速控制。恒速控制器采集发动机转速、搅拌筒转速、操作面板各种设置参数，通过这些实时输入信号输出两路可变电流(PWM)来实时控制变量泵的流量和方向，即采集开关量信号、1路频率信号、和2路功率驱动输出信号，从而达到设定模式控制水泥罐的工作状态。同时恒速控制器还采集驾驶室内主控单元、左右操作面板的输出信号，综合所有信号显示并发出相应的控制信息。恒速控制器每隔固定时间T将搅拌筒转速与用户设定目标速度的差值带入增量式PID算法公式，由该公式的输出量决定单片机PWM方波的占空比，而后变量泵根据此PWM方波的占空比来决定流量。搅拌筒转速与预设转速的偏差大则占空比增大，变量泵的流量大，使搅拌筒转速的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，变量泵流量减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。

本发明的液压驱动单元由变量泵、和定量马达组成，用电控变量泵代替目前的手动变量泵，同时用电控比例阀代替手动伺服阀，之后对变量泵电磁阀的输入电流按上述要求进行控制，达到液压马达转速恒定的要求。搅拌筒的转速ω_b由两个变量控制：一是发动机转速n_m；二是液压变量泵的排量q_p(液压马达是定量马达)，即：ω_b＝f(n_m，q_p)，运输过程中的恒速控制原理就是根据发动机的转速信号的变化，对液压变量泵的排量q_p做出调整，从而确保罐体的转速保持恒定。进、出料过程的恒速控制是在发动机转速基本恒定的情况下(处于经济转速区)调节变量泵的排量来实现转速的恒定。

匀速控制方式在变量泵的控制形式为电比例控制。它是通过调节带位移-力反馈的比例电磁阀的输入电流，驱动变量缸，从而使变量泵双向无级变量，变量泵单位时间内的输出流量与输入电流成正比。匀速的实现是搅拌系统动力从发动机取力口传出到变量泵，通过调节比例电磁阀的输入电流，驱动变量泵斜盘角度变化，从而使变量泵实现双向无级变量，变量泵输出流量与输入电流成正比。通过转速传感器检测搅拌筒的转速，根据实测转速与预设转速的差，不断调节输出电流，即通过控制电流的大小来控制变量泵的排量，从而使泵的输出流量按预设值保持不变，并且能够根据工况(装料、卸料、运输等)要求调整搅拌筒转速。搅拌筒转速可通过安装在减速马达上的传感器来采集，通过减速马达减速比的换算得出搅拌筒的实际转速。

恒速控制器接收主控面板的开关量信号，辅控单元的报文信号，发动机转速信号，搅拌罐转速信号，通过内部算法模块控制两路PWM波输出驱动变量泵同时将实时工作状态发送到显示单元指导驾驶员对系统进行操作。

发动机转速输入信号：通过动力CAN总线报文；

搅拌筒转速信号：在减速马达上加装转速传感器，通过频率信号输入；

正转比例电磁阀控制信号：通过PWM可调电流输出1；

反转比例电磁阀控制信号：通过PWM可调电流输出2；

恒速控制器的参数标定通过车身CAN以及柔性开发系统标定，如取力器传动比、减速器传动比、变量泵参数等，数据存储在恒速控制器的EEPROM中。

主控单元为纯开关面板，将开关量信号送入恒速控制器，实现以下功能：第一将控制开关信息发送到恒速控制器；第二在恒速控制器发生故障不能发出控制信号时启动紧急接通开关，保证变量泵电磁阀能工作，以及在恒速控制器发生故障输出错误的情况下，切断恒速控制器的输出，保证变量泵电磁阀能够停止；

其中主控单元包括以下信号：

速度设置按钮：有两路，速度加和速度减，输出到恒速控制器；

模式设置开关：触发选择信号，从停止、进料、运输、出料、清洗5种模式循环选择；必须按“确认开关”之后才起作用；

确认开关：操作模式设置开关之后，必须按“确认”键才将工作模式正式转换成当前设置模式，否则5秒钟之后操作取消，维持原有工作模式。

切换开关：输出到恒速控制器，用于切换主控单元及辅控单元控制权，当切换开关关闭时，控制权在主控单元，打开时控制权交给辅控单元；

急停按钮：急停按钮直接接到电源和电磁阀继电器，当恒速控制器系统故障时，按下急停按钮，系统迅速切断电源，停止工作，当需要恢复工作时，需将急停按钮取消。

停止按钮：停止按钮接到恒速控制器，当系统需要停止工作时，按下停止按钮，系统输出的占空比逐渐减小，搅拌筒缓慢停止工作。

而辅控单元包括电源模块、微处理器模块、显示模块、开关输入模块和CAN通讯模块等。

转速传感器采用非磁性的金属测量接近开关，频响1KHZ以内，安装螺纹：5/8＂-18"UNF，感应距离10MM以上。

本发明共有六种工作模式，分别为：自动进料模式、自动出料模式、驾驶员控制油门出料模式、恒速模式、停止模式、应急工作模式。

1)自动进料模式：发动机油门由恒速控制器自动控制，实现搅拌筒在目标转速下进料的工作模式。

2)自动出料模式：发动机油门由恒速控制器自动控制，实现搅拌筒在目标转速下出料的工作模式。

3)驾驶员控制油门出料模式：发动机油门由驾驶员控制，恒速控制器不参与油门控制，恒速控制器仅用于设定变量泵的排量大小，在变量泵排量一定的情况下，搅拌筒的出料速度是由驾驶员控制油门大小来决定的工作模式。

4)恒速模式：在此工作模式下发动机油门由驾驶员控制，控制器不参与控制油门，但控制器会根据发动机转速的变化实时调整变量泵排量，使变量泵输出流量恒定，来达到搅拌筒恒速的工作模式。

5)停止模式：在搅拌筒内无料等情况下，需要搅拌筒停止旋转；

6)应急工作模式：在控制器硬件发生故障时，为防止搅拌筒内的混凝土凝固，保证搅拌筒能够旋转的应急运行模式；

本发明通过CAN总线平台来实现搅拌筒搅拌匀速控制，其优点如下：

1)在车辆行驶时搅拌筒可调至恒定低速，搅拌转速恒定。车辆的行走性能受到的影响很小，车速变化时搅拌筒转速不会变化。

2)车辆加速时不需要同时使搅拌筒加速的附加功率；

3)恒定的搅拌筒转速使混凝土流动均匀，可保证运送混凝土的质量；

4)避免了因搅拌筒随发动机转速变化而变化所引起的不必要的附加的功率浪费。

Claims (5)

1.一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其特征在于其包括：通过动力总线与发动机相连的恒速控制器、与恒速控制器相连的主控单元、与恒速控制器相连的辅控单元、用于实时显示主控单元操作情况的显示单元、与恒速控制器相连的变量泵电磁阀、由变量泵电磁阀控制的液压驱动单元、以及用于检测搅拌筒转速的转速传感器。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其特征在于：所述恒速控制器采集多路开关量信号，并输出两路功率驱动输出信号。

3.根据权利要求2所述的一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其特征在于：所述主控单元包括急停开关、模式设置按钮、速度设置按钮、确认开关、切换开关以及停止按钮。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其特征在于：所述恒速控制器每隔固定时间T将搅拌筒转速与用户设定目标速度的差值带入增量式PID算法公式，并由该公式的输出量决定单片机PWM方波的占空比，然后变量泵电磁阀根据此PWM方波的占空比来决定流量。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种混凝土搅拌运输车恒速控制系统，其特征在于：其中架构恒速控制器、主、辅控单元之间的通讯协议至少包括通讯速率、通讯信息的长度、协议字、命令字、数据、校验方式、纠错机制、冲突仲裁。

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