CN102943498B - 一种挖掘机的节能控制方法及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机的节能控制方法及挖掘机，属于节能控制技术领域。该节能控制方法，包括以下步骤，根据发动机万有特性曲线得到对应的发动机负载功率-最佳转速曲线；控制器采集发动机和负载的控制信号输入，计算得到当前负载所需功率P_E；由发动机负载功率-最佳转速曲线得到发动机当前最佳转速n_Best；控制器输出转速控制信号，调节发动机转速达到最佳转速n_Best。本发明通过控制器采集发动机和负载的输入信号，并根据负载过滤-最佳转速曲线计算出发动机最佳转速，由控制器发出信号调节发电机转速，使得发电机工作在最佳油耗区附近，降低了系统的耗能，整机性能得到提高。

Description

一种挖掘机的节能控制方法及挖掘机

技术领域

本发明涉及节能控制技术领域，特别涉及一种挖掘机的节能控制方法及挖掘机。

背景技术

目前，市场上的大多数挖掘机主要采用的是与外部负载无关的发动机定工作点的控制方式，即固定发动机的输出功率。但实际工作中，挖掘机工况是非常复杂的，外部负载变化很频繁：当其外部负载由大变小时，定工作点的控制方式并不能及时调整发动机的功率，造成整机输出功率远大于负载实际需求功率，从而导致部分能量的浪费；同样，当外部负载由小变大时，此种控制方式也不能及时增大输出功率，导致整机失速严重，甚至熄火。由此可见，定工作点的控制方式并不能实现发动机输出功率与负载所需功率的最优匹配，发动机经常偏离最佳油耗区工作，使整机性能得不到充分发挥，而系统的能源消耗更为严重。因此如何充分利用发动机的输出功率，降低整个系统的能耗，成为挖掘机领域研发人员的一个重要课题。

发明内容

为了解决目前挖掘机发动机定工作点控制方式不能实现发动机输出功率与负载所需功率的最优匹配，整机性能得不到充分发挥，造成系统的能源消耗较为严重的问题，现提供了一种挖掘机的节能控制方法及挖掘机。具体技术方案如下：

一种挖掘机的节能控制方法，包括以下步骤，

根据发动机万有特性曲线得到对应的发动机负载功率-最佳转速曲线；

控制器采集发动机和负载的控制信号输入，计算得到当前负载所需功率P_E；

由发动机负载功率-最佳转速曲线得到发动机当前最佳转速n_Best；

控制器输出转速控制信号，调节发动机转速达到最佳转速n_Best。

进一步的，所述发动机和负载输入的控制信号包括有当前发动机转速n，前、后泵主压力P₁、P₂，前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂，前、后泵设定排量V_F、V_R。

进一步的，还包括对主泵排量进行调节的步骤，在调节发动机转速的同时，控制器输出PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号，调节前、后泵达到需要的排量V_F＇、V_R＇。

进一步的，所述输出的转速控制信号为油门电机的控制信号或具有通信协议的CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)信号。

进一步的，还包括负载所需扭矩T(t)的计算，

根据主泵的电流-排量关系和前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂分别得到前、后泵当前理论排量V₁、V₂；

然后由前、后泵当前理论排量V₁、V₂和前、后泵主压力P₁、P₂计算得出当前负载所需扭矩T(t)；

通过负载所需扭矩T(t)和当前发动机转速n计算得出负载所需功率P_E。

进一步的，还包括计算负载所需功率P_E前对负载所需扭矩T(t)进行数字滤波的步骤。

进一步的，在数字滤波中，引入上一周期的扭矩T(t-1)作为滤波器的遗传因子，进行滤波计算，

滤波后的扭矩T=A·T(t-1)+B·T(t),

其中A=0.9～1，B=0～0.1；

根据滤波后的扭矩T和发动机转速n，计算负载所需功率P_E。

进一步的，通过加入排量调节因子β=n/n_Best，得到调节后的前、后泵排量V_F＇=V_F·β、V_R＇=V_R ·β。

进一步的，还包括作为PWM信号输出结果的电流PID控制，

控制器采集前、后泵排量比例阀回路上的控制电流，并计算出其平均电流I₁、I₂作为反馈值；

根据主泵排量-电流关系和调节后的前、后泵排量计算得出前、后泵的目标控制电流值I_F＇和I_R＇；

将反馈电流I₁、I₂与目标电流值I_F＇、I_R＇进行闭环PID控制；

PID计算的结果作为PWM信号的输出。

一种挖掘机，所述挖掘机运用了上述任一项所述的挖掘机的节能控制方法。

与现有技术相比，上述技术方案提供的挖掘机的节能控制方法及挖掘机具有以下优点：通过控制器采集发动机和负载的输入信号，并根据负载过滤-最佳转速曲线计算出发动机最佳转速，由控制器发出信号调节发电机转速，使得发电机工作在最佳油耗区附近，降低了系统的耗能，整机性能得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中提供的发动机万有特性曲线示意图；

图2是本发明实施例中提供的节能控制方法工作流程图；

图3是本发明实施例中提供的主泵电流-排量关系曲线图；

图4是本发明实施例中提供的主泵排量-电流关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种挖掘机的节能控制方法，包括以下步骤，

根据发动机万有特性曲线得到对应的发动机负载功率-最佳转速曲线，如图1所示，发动机万有特性曲线上的等功率曲线与最佳油耗曲线的交点，即为对应的负载功率-最佳转速曲线。

控制器采集发动机和负载的控制信号输入，计算得到当前负载所需功率P_E，其中，发动机和负载输入的控制信号包括有当前发动机转速n，前、后泵主压力P₁、P₂，前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂，前、后泵设定排量V_F、V_R。

并通过负载所需扭矩T(t)和当前发动机转速n计算得出负载所需功率P_E。

负载所需扭矩T(t)的计算步骤为，根据主泵的电流-排量关系（如图3所示）和前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂分别得到前、后泵当前理论排量V₁、V₂；然后由前、后泵当前理论排量V₁、V₂和前、后泵主压力P₁、P₂计算得出当前负载所需扭矩T(t)；

由于实际工作中负载所需扭矩会频繁波动而导致发动机转速及主泵排量的频繁调节，因此在计算负载所需功率P_E前还需要对负载所需扭矩T(t)进行数字滤波，以减小其频繁波动，使其更平缓。在数字滤波中，引入上一周期的扭矩T(t-1)作为滤波器的遗传因子，进行滤波计算，

滤波后的扭矩T=A·T(t-1)+B·T(t),其中A=0.9～1，B=0～0.1；根据滤波后的扭矩T和发动机转速n，计算负载所需功率P_E。

最后由发动机负载功率-最佳转速曲线得到发动机当前最佳转速n_Best；并由控制器输出转速控制信号，调节发动机转速达到最佳转速n_Best。其中，输出的转速控制信号为油门电机的控制信号或具有通信协议的CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)信号。

为保证调速前后整机的输出功率保持一致，还需要对主泵排量进行调节，在调节发动机转速的同时，控制器输出PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号，调节前、后泵达到需要的排量V_F＇、V_R＇。通过加入排量调节因子β=n/n_Best，得到调节后的前、后泵排量V_F＇=V_F·β、V_R＇=V_R ·β。

主泵排量调节是通过电流PID控制并输出PWM信号来进行，其步骤有，

控制器采集前、后泵排量比例阀回路上的控制电流，并计算出其平均电流I₁、I₂作为反馈值；根据主泵排量-电流关系（如图4所示）和调节后的前、后泵排量计算得出前、后泵的目标控制电流值I_F＇和I_R＇；后将反馈电流I₁、I₂与目标电流值I_F＇、I_R＇进行闭环PID控制；最终以PID计算的结果作为PWM信号的输出。

如图2所示，下面简单描述挖掘机的节能控制方法的控制流程，

输入当前转速n， 前、后泵滤波主压P₁、P₂，前、后泵当前设定排量值V_F、V_R，前后泵排量比例阀反馈电流I₁、I₂，将上述数据传送到控制器。

按主泵电流-排量关系（如图3所示），计算出I₁、I₂对应的理论排量值V₁、V₂，根据P₁、P₂ 、V₁、V₂，计算出当前负载所需的扭矩T(t)。同时设定初次运行扭矩常量T₀，                                                                            T₀= T(t-1)。

对扭矩滤波，滤波后的扭矩为

T=A·T(t-1)+B·T(t)。

计算当前负载所需的功率P_E

P_E=（T·n）/9550

根据发动机负载功率-最佳转速曲线，计算出发动机当前最佳转速n_Best。

计算排量调节因子β=n/n_Best，得到前泵排量V_F＇=V_F·β，后泵排量V_R＇=V_R ·β，并按照排量-电流曲线（如图4所示），得到前后泵所需的控制电流I_F＇、I_R＇。将前后泵排量比例阀反馈电流平均值I₁、I₂作为反馈值，控制电流I_F＇、I_R＇作为目标值，进行闭环电流PID控制，PID控制计算的结果作为PWM信号输出。

控制器输出转速控制信号（对于欧Ⅱ发动机，是油门电机的控制信号；对于欧Ⅲ、Ⅳ发动机，可以是满足相关通信协议的CAN信号），调节发动机转速达到最佳转速n_Best；同时输出PWM信号，调节前、后泵达到需要的排量V_F’和 V_R’。

一种挖掘机，该挖掘机运用了上述所述的挖掘机的节能控制方法。挖掘机的其它部分可参考现有技术，在此不再赘述。本发明实施例公开的挖掘机的节能控制方法及挖掘机将发动机的输出功率基于外部负载的大小进行动态调整，使动力系统与负载所需功率能更好的匹配，提高了发动机功率利用率，真正实现“输出”即“所需”； 发动机转速调节基于负载功率--最佳转速曲线，由发动机的最佳油耗线得出，它使发动机经常工作于最佳油耗区附近，降低了系统的能耗；而在转速调节的同时，对主泵排量也进行等比例的反向调节，以保证整机在转速调整前后，具有相同的输出功率，再搭配更大排量的主泵，能达到更佳的工作效率，可实现真正的“高效节能”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种挖掘机的节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

根据发动机万有特性曲线得到对应的发动机负载功率-最佳转速曲线；

控制器采集发动机和负载的控制信号输入，计算得到当前负载所需功率P_E；

由发动机负载功率-最佳转速曲线得到发动机当前最佳转速n_Best；

控制器输出转速控制信号，调节发动机转速达到最佳转速n_Best；

所述发动机和负载输入的控制信号包括有当前发动机转速n，前、后泵主压力P₁、P₂，前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂，前、后泵设定排量V_F、V_R；

还包括负载所需扭矩T(t)的计算，

根据主泵的电流-排量关系和前、后泵排量调节比例阀反馈电流I₁、I₂分别得到前、后泵当前理论排量V₁、V₂；

然后由前、后泵当前理论排量V₁、V₂和前、后泵主压力P₁、P₂计算得出当前负载所需扭矩T(t)；

通过负载所需扭矩T(t)和当前发动机转速n计算得出负载所需功率P_E。

2.根据权利要求1所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，还包括对主泵排量进行调节的步骤，在调节发动机转速的同时，控制器输出脉冲宽度调制信号，调节前、后泵达到需要的排量V_F＇、V_R＇。

3.根据权利要求1所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，所述输出的转速控制信号为油门电机的控制信号或具有通信协议的控制器局域网络信号。

4.根据权利要求1所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，还包括计算负载所需功率P_E前对负载所需扭矩T(t)进行数字滤波的步骤。

5.根据权利要求4所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，在数字滤波中，引入上一周期的扭矩T(t-1)作为滤波器的遗传因子，进行滤波计算，

滤波后的扭矩T＝A·T(t-1)+B·T(t),

其中A＝0.9～1，B＝0～0.1；

根据滤波后的扭矩T和发动机转速n，计算负载所需功率P_E。

6.根据权利要求2所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，通过加入排量调节因子β＝n/n_Best，得到调节后的前、后泵排量V_F＇＝V_F·β、V_R＇＝V_R·β。

7.根据权利要求6所述的挖掘机的节能控制方法，其特征在于，还包括作为脉冲宽度调制信号输出结果的电流PID控制，

控制器采集前、后泵排量比例阀回路上的控制电流，并计算出其平均电流I₁、I₂作为反馈值；

根据主泵排量-电流关系和调节后的前、后泵排量计算得出前、后泵的目标控制电流值I_F＇和I_R＇；

将反馈电流I₁、I₂与目标电流值I_F＇、I_R＇进行闭环PID控制；

PID计算的结果作为脉冲宽度调制信号信号的输出。

8.一种挖掘机，其特征在于，所述挖掘机运用了权利要求1至7任一项所述的挖掘机的节能控制方法。