CN117702856A - 一种工程机械电液转向精准控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工程机械电液转向精准控制装置及方法，电液转向单元将主泵单元与液压执行单元连通；控制单元连接电控手柄单元、主泵单元和电液转向单元，通过控制单元实现电控手柄单元对主泵单元和电液转向单元的控制，转向手柄发出信号后经过控制器的阀芯位移计算模块和流量匹配模块，实现换向阀阀芯位移和电控泵输出流量的实时匹配，通过位移传感器反馈的实际位移与设定的目标位移进行比较，实时调节换向阀位移的驱动电流，实现电控主泵与阀芯位移高精度匹配及转向停止的电子缓冲。

Description

一种工程机械电液转向精准控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械电液转向精准控制装置及方法，属于工程机械转向技术领域。

背景技术

为了提高铲运机械的驾驶舒适性，大吨位装载机的转向控制系统向着电控化方向发展，电控手柄不仅能提高响应速度，驾驶舒适性，而且能实现液控系统无法实现的闭环控制，提高转向系统的控制精度。

现有技术通过高速开关阀及电比例阀实现阀芯的位移，但存在如下技术问题：

1.转向微操作时难以控制：高速开关阀控制阀芯位移时，在主阀芯微开口过程中由于是通过高速开关阀的开启实现主阀芯位移，在微开口过程中流量进入阀芯弹簧腔速度快，流量大，建立压力迅速，导致主阀芯位移出现超调量大，调节过程中阀芯不稳定，表现为整车转向微操作时，转向抖动现象。

2.采用四个高速开关阀，车辆故障率提高，成本高。

3.采用低压电比例先导控制的转向系统无法实现闭环转向控制，转向控制精度差。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种工程机械电液转向精准控制装置及方法，解决了现有技术中转向微操作控制性能差、成本高、车辆转向故障率高的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种工程机械电液转向精准控制装置，包括电液转向单元、主泵单元、控制单元、电控手柄单元、液压辅件单元和液压执行单元；

电液转向单元包括换向阀、优先阀、第一电控比例阀、第二电控比例阀，液压辅件单元包括液压管路、液压油箱；

主泵单元的进油口连接液压油箱，主泵单元的出油口P连接优先阀进油口，优先阀CF口连接换向阀A口，换向阀的B口、C口分别连接液压执行单元，换向阀LS口连接优先阀的右侧控制腔，换向阀的油口T连通液压油箱；

第一电比例阀的进油口和第二电比例阀的进油口连通先导油源块的出油口，第一电比例阀的回油口和第二电比例阀的回油口连通液压油箱，第一电比例阀的工作油口连通换向阀的控制端口L，第二电比例阀的工作油口连通换向阀的控制端口R，第一电比例阀的控制端口和第二电比例阀的控制端口与控制单元连通，控制单元还连接电控手柄单元、主泵单元；

当控制单元控制第一电比例阀得电，第一电比例阀工作在下位，第一电比例阀的进油口、工作油口连通，换向阀工作在左位，换向阀的A口、LS口、B口连通，换向阀的C口、T口连通；

当控制单元控制第二电比例阀得电，第二电比例阀工作在下位，第二电比例阀的进油口、工作油口连通，换向阀工作在右位，换向阀的A口、LS口、C口连通，换向阀的B口、T口连通。

进一步地，前述电液转向单元还包括位移传感器，位移传感器两端分别连接换向阀和控制单元，位移传感器用于将换向阀阀芯的实际位移传输至控制单元。

进一步地，前述电液转向单元还包括动态阻尼，动态阻尼的右侧控制腔、D口均连接换向阀的LS口，动态阻尼的E口与液压油箱连通。

进一步地，前述电液转向单元还包括单向阀和阻尼，单向阀进油口连接动态阻尼的D口，单向阀出油口连接换向阀的LS口，阻尼一端连接单向阀进油口，另一端连接优先阀CF口。

进一步地，前述电液转向单元还包括液控换向阀，液控换向阀进油口、控制口连接换向阀的T口，液控换向阀出油口连接液压油箱。

进一步地，前述控制单元包括控制器。

进一步地，前述电控手柄单元包括电子手柄。

进一步地，前述液压执行单元包括第一液压油缸和第二液压油缸，第一液压油缸无杆腔、第二液压油缸有杆腔与换向阀的B口连通，第一液压油缸有杆腔、第二液压油缸无杆腔与换向阀C口连通。

进一步地，前述主泵单元包括压力传感器、电比例控制模块和电控泵，电控泵出油口连接P口，电控泵进油口连接液压油箱，压力传感器一端连接电控泵出油口，另一端连接控制单元，电比例控制模块一端连接电控泵控制口，另一端连接控制单元。

一种工程机械电液转向精准控制方法，包括如下步骤：

基于接收的电子手柄信号百分比，计算对应的推动换向阀阀芯位移的先导压力，并根据的先导压力计算换向阀阀芯的目标位移；

基于的换向阀阀芯的目标位移，计算第一电比例阀、第二电比例阀的驱动电流，向第一电比例阀、第二电比例阀输出驱动电流，控制换向阀阀芯动作；

接收位移传感器传递的换向阀阀芯的实际位移，与目标位移进行比较后，基于PID算法对驱动电流进行实时调节。

进一步地，前述还包括如下步骤：

基于的换向阀阀芯的目标位移，计算此时电液转向单元需要的流量；

基于电液转向单元需要的流量，计算电控泵输出流量，并根据电控泵输出流量计算电比例控制模块的驱动电流，向控制电比例控制模块输出驱动电流，控制电控泵流量输出与换向阀流量需求实时匹配。

进一步地，前述包括如下步骤：

接收到电子手柄向左掰动一定位置或在左位一定范围内连续变化时，输出电流控制第一电比例阀工作在下位，第二电比例阀工作在上位，换向阀工作在左位。

进一步地，前述包括如下步骤：

接收到电子手柄向右掰动一定位置或在右位一定范围内连续变化时，输出电流控制第一电比例阀工作在上位，第二电比例阀工作在下位，换向阀工作在右位。

进一步地，前述包括如下步骤：

接收到电子手柄处于中位，输出电流控制第一电比例阀工作在上位，第二电比例阀工作在上位，换向阀工作在中位。

本发明所达到的有益效果：

1.通过电比例阀实现换向阀的阀芯换向，利用电比例阀的输出压力的线性特征，实现转向换向时平稳加速或减速，降低阀芯开启冲击及停止冲击，且降低成本，减小故障率。

2.阀芯运动过程中利用位移传感器读出阀芯的实际位移，实现阀芯位移的闭环控制，提高电液转向的控制精度。

3.采用电液比例控制，提高车辆的驾驶舒适性，能够实现阀芯位移的闭环控制，提高工程机械转向系统的控制精度。

4.采用电控正流量的转向系统，实时根据转向阀的流量需求调节电控泵的排量，降低流量损失，降低能耗。

附图说明

图1是本发明液压电气系统原理图；

图2是本发明阀芯位移模块和流量匹配模块工作流程图。

图3是本发明阀芯位移闭环控制的流程图。

图中附图标记的含义：1-电液转向单元；2-主泵单元；3-控制器；4-电子手柄；5-液压油箱；6-液压执行单元；1.1-换向阀；1.2-优先阀；1.3-动态阻尼；1.4-位移传感器；1.5-第一电比例阀；1.6-第二电比例阀；1.7-单向阀；1.8-液控换向阀；1.9-阻尼；2.1-压力传感器；2.2-电比例控制模块；2.3-电控泵；6.1-第一液压油缸；6.2-第二液压油缸。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本实施例公开了一种工程机械电液转向精准控制装置，如图1所示，包括电液转向单元1、主泵单元2、控制单元、电控手柄单元、液压辅件单元和液压执行单元6。

其中，电液转向单元1包括换向阀1.1、优先阀1.2、动态阻尼1.3、位移传感器1.4、第一电控比例阀1.5、第二电控比例阀1.6、单向阀1.7、液控换向阀1.8；主泵单元2包括压力传感器2.1、电比例控制模块2.2、电控泵2.3；控制单元包括控制器3；电控手柄单元包括电子手柄4；液压辅件单元包括液压管路及液压油箱5；液压执行单元6包括第一液压油缸6.1和第二液压油缸6.2。

电液转向单元1将主泵单元2与液压执行单元6连通，控制单元连接电控手柄单元，主泵单元2和电液转向单元1，通过控制单元实现电控手柄单元对主泵单元2和电液转向单元1的控制。

电控泵2.3出油口压力油经P口进入电液转向单元，经优先阀1.2位置选择，决定进入CF口及EF口流量。控制单元通过总线CAN1信号与电液转向单元1通信，通过CAN2信号与电控手柄单元通信，通过AI1信号及PWM1信号与主泵单元2通信。

位移传感器1.4安装在换向阀1.1的L测，当换向阀1.1换向时，通过位移传感器1.4采集阀芯实际位移值，经过总线CAN1信号传输至控制器3。

第一电比例阀1.5的进油口和第二电比例阀1.6的进油口由先导油源块的供油，第一电比例阀1.5的控制端口和第二电比例阀1.6的控制端口通过总线CAN1与控制器3连通，电子手柄4通过总线CAN2与控制器3连通，位移传感器1.4通过总线CAN1将实际位移数据传输至控制器3，压力传感器2.1通过AI1硬线将泵出口的压力值传输至控制器3，控制器3通过PWM1信号控制电控泵的电比例控制模块2.2，实现电控泵变排量控制。

进一步地，主泵单元2为电控泵，通过调节电控模块2.2的电流来实现电控泵排量的大小调节，电控泵2.3出口与优先阀1.2进油口相通，优先阀CF口与换向阀1.1的A口相通，换向阀1.1的B口与第一液压油缸6.1无杆腔、第二液压油缸6.2有杆腔连通，C口与第一液压油缸6.1有杆腔、第二液压油缸6.2无杆腔连通；同时电控泵2.3中压力油经P口进入优先阀1.2的CF口时，压力油经阻尼1.9，将单向阀1.7开启，进入LS管路，将LS管路与优先阀1.2的右侧控制腔，及动态阻尼1.3的右侧控制腔连通，动态阻尼1.3的E口与液压油箱5相通，换向阀1.1的T口经两位两通液控换向阀1.8与液压油箱5相通，第一电比例阀1.5和第二电比例阀1.6的进油口与稳定压力的先导油源块连通，第一电比例阀1.5的工作油口连通换向阀1.1的控制端口L，第二电比例阀1.6的工作油口连通换向阀1.1的控制端口R，第一电比例阀1.5和第二电比例阀1.6的回油口与液压油箱5连通，当第一电比例阀1.5得电，第二电比例阀1.6不得电时，第一电比例阀1.5下位处于工作位，减压后的先导压力进入换向阀1.1的L控制腔，第二电比例阀1.6上位处于工作位，换向阀1.1的R侧控制腔压力与油箱相通，L腔压力油推动阀芯向右侧移动，阀芯实现换向，三位五通换向阀1.1左位处于工作位，压力油经A口、B口进入执行机构，同时B口与LS口相通，将负载压力传输至优先阀1.2右侧控制腔及动态阻尼处，优先阀1.2根据负载压力调节进入CF及EF油道的流量，实现转向优先，同时将多余的流量共给EF侧，实现流量的有效利用，降低能耗损失，同时执行机构回油通过C口、T口进入两位两通液控换向阀1.8，当回油流量增大时，两位两通液控换向阀1.8右位处于工作位，大流量回油流回液压油箱，实现车辆的左转，此时通过位移传感器1.4将阀芯的实际位移传输至控制器3，用于车辆转向的精确控制，当第二电比例阀1.6得电，第一电比例阀1.5不得电时，电比例阀1.6下位处于工作位，减压后的先导压力进入换向阀的R控制腔，第一电比例阀1.5上位处于工作位，换向阀1.1的L控制腔压力与油箱相通，推动阀芯向左侧移动，换向阀1.1右位处于工作位，压力油经A口、C口进入执行机构，实现车辆的右转。

进一步地，换向阀1.1的LS口与动态阻尼1.3右侧控制腔相通，当换向阀1.1左位处于工作位时，B口处负载压力通过LS传输至动态阻尼右侧控制腔，当负载压力增加，或负载压力波动明显增大的时候，通过动态阻尼1.3回油箱流量变大，负载压力随之减小，从而有效地过滤负载的冲击，起中位卸荷作用，同时动态阻尼1.3始终保持LS很小的流量与油箱相通，提高优先阀1.2响应速度。

实施例二

本实施例公开了一种工程机械电液转向精准控制方法，如图2、图3所示，包括以下步骤：

当工程机械直线行走时，电子手柄4处于中位，电子手柄信号经CAN2输出中位信号0给控制器，控制器经过运算将电流值通过CAN1信号传输至第一电比例阀1.5，和第二电比例阀1.6，电比例阀接收到的控制电流为最小控制电流，第一电比例阀1.5和第二电比例阀1.6的上位处于工作位，换向阀1.1控制腔L腔和R腔与油箱连通，L腔和R腔控制腔压力为零，换向阀1.1处于中位，电控泵2.3出口压力经优先阀1.2的CF口至换向阀1.1的A口截至，A口压力推动优先阀1.2左位处于工作位，电控泵2.3流量连通EF口。

当工程机械左转向时，电子手柄4向左掰动一定位置或在左位一定范围内连续变化时，电子手柄4信号经总线信号CAN2传输至控制器3，控制器3接收到手柄信号后经过阀芯位移模块将手柄信号百分比转化为换向阀1.1的目标位移，根据目标位移产生驱动电流，驱动电流经总线信号CAN1传输至第一电比例阀1.5，第二电比例阀1.6，第一电比例阀1.5受电流驱动，换向，第一电比例阀1.5的下位处于工作位，输出减压后的压力值至换向阀1.1控制腔L腔，此时第二电比例阀1.6接收到的电流值仍为最小电流，上位为工作位，换向阀1.1的R侧控制腔压力为油箱压力，L侧控制腔先导压力推动阀芯向右侧移动，换向阀1.1左位处于工作位，电控泵2.3压力油经优先阀1.2的CF口、换向阀1.1的A口、B口进入第一液压油缸6.1、第二液压油缸6.2，实现工程车辆的左转向。换向阀1.1产生实际位移，位移传感器检测到实际位移值经总线CAN1传输至控制器3，与目标位移进行比较后，由PID算法对驱动电流进行实时调节，由此形成了阀芯位移的闭环控制，提高工程机械转向的控制精度；同时根据反馈的实际位移可实现电液转向的电子缓冲控制。

进一步地，当工程机械左转向时，电子手柄4向左掰动一定位置或在一定范围内连续变化，电子手柄信号经总线信号CAN2传输至控制器3，控制器3接收到电子手柄4信号后经过先导压力计算及流量匹配计算后，确定出此时电控泵2.3需要输出流量对应的排量大小，实时调节电控泵2.3的排量，满足换向阀1.1开口大小对应的流量需求，实现电控泵2.3流量输出与换向阀1.1流量需求实时匹配调节，节能降耗。

当工程机械右转向时，电子手柄4向右掰动一定位置或在一定范围内连续变化，电子手柄信号经总线信号CAN2传输至控制器3，控制器3将经过阀芯位移模块将手柄信号百分比转化为换向阀1.1的目标位移，根据目标位移产生驱动电流，驱动电流经总线信号CAN1传输至第二电比例阀1.6，第二电比例阀1.6受电流驱动，换向，第二电比例阀1.6的下位处于工作位，输出减压后的压力值至换向阀1.1控制腔R，此时第一电比例阀1.5接收到的电流值仍为最小电流，上位为工作位，换向阀1.1的L侧控制腔压力为油箱压力，R侧控制腔先导压力推动阀芯向左侧移动，换向阀1.1右位处于工作位，电控泵2.3压力油经优先阀1.2的CF口，换向阀1.1的A口、C口油道进入第一液压油缸6.1、第二液压油缸6.2，实现工程车辆的右转向。换向阀1.1产生实际位移，位移传感器检测到实际位移值经总线CAN1传输至控制器3，实际位移值与目标位移进行比较后，由PID算法对驱动电流进行实时调节，实现阀芯位移的闭环控制，提高工程机械转向的控制精度。LS压力调节及泵的流量调节同上。

进一步地，阀芯位移计算模块，用于根据手柄信号百分比计算对应的推动换向阀1.1阀芯位移的先导压力，根据先导压力，计算目前状态换向阀1.1阀芯的目标位移。流量匹配计算模块，用于根据换向阀1.1阀芯的目标位移，计算此时电液转向单元1需要的流量。

如上所述，当工程机械右转向时，控制器根据电子手柄4信号，经过进行电液转向单元需求流量及电控泵输出流量计算，计算出泵需要的排量，根据泵的排量计算出驱动电控泵电比例控制模块的驱动电流，经PWM1传输至电控泵电比例控制模块，并根据手柄信号实时调节电控泵电比例控制模块，实现泵排量与手柄信号的实时调节，即满足换向阀1.1流量需求与电控泵流量输出的实时匹配，降低流量损失，降低能耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，包括电液转向单元(1)、主泵单元(2)、控制单元、电控手柄单元、液压辅件单元和液压执行单元(6)；

所述电液转向单元(1)包括换向阀(1.1)、优先阀(1.2)、第一电控比例阀(1.5)、第二电控比例阀(1.6)，所述液压辅件单元包括液压管路、液压油箱(5)；

所述主泵单元(2)的进油口连接液压油箱(5)，所述主泵单元(2)的出油口P连接优先阀(1.2)进油口，所述优先阀(1.2)CF口连接换向阀(1.1)A口，所述换向阀(1.1)的B口、C口分别连接液压执行单元(6)，所述换向阀(1.1)LS口连接优先阀(1.2)的右侧控制腔，所述换向阀(1.1)的油口T连通液压油箱(5)；

所述第一电比例阀(1.5)的进油口和第二电比例阀(1.6)的进油口连通先导油源块的出油口，所述第一电比例阀(1.5)的回油口和第二电比例阀(1.6)的回油口连通液压油箱(5)，所述第一电比例阀(1.5)的工作油口连通换向阀(1.1)的控制端口L，所述第二电比例阀(1.6)的工作油口连通换向阀(1.1)的控制端口R，所述第一电比例阀(1.5)的控制端口和第二电比例阀(1.6)的控制端口与控制单元连通，所述控制单元还连接电控手柄单元、主泵单元(2)；

当所述控制单元控制第一电比例阀(1.5)得电，所述第一电比例阀(1.5)工作在下位，第一电比例阀(1.5)的进油口、工作油口连通，所述换向阀(1.1)工作在左位，换向阀(1.1)的A口、LS口、B口连通，换向阀(1.1)的C口、T口连通；

当所述控制单元控制第二电比例阀(1.6)得电，所述第二电比例阀(1.6)工作在下位，第二电比例阀(1.6)的进油口、工作油口连通，所述换向阀(1.1)工作在右位，换向阀(1.1)的A口、LS口、C口连通，换向阀(1.1)的B口、T口连通；

当所述控制单元控制第一电比例阀(1.5)、第二电比例阀(1.6)均不得电，所述第一电比例阀(1.5)和第二电比例阀(1.6)均工作在上位，所述换向阀(1.1)处于中位，换向阀(1.1)控制端口L、控制端口R与液压油箱(5)连通，换向阀(1.1)的LS口、T口连通。

2.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述电液转向单元(1)还包括位移传感器(1.4)，所述位移传感器(1.4)两端分别连接换向阀(1.1)和控制单元，所述位移传感器(1.4)用于将换向阀(1.1)阀芯的实际位移传输至控制单元。

3.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述电液转向单元(1)还包括动态阻尼(1.3)，所述动态阻尼(1.3)的右侧控制腔、D口均连接换向阀(1.1)的LS口，所述动态阻尼(1.3)的E口与液压油箱(5)连通。

4.根据权利要求3所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述电液转向单元(1)还包括单向阀(1.7)和阻尼(1.9)，所述单向阀(1.7)进油口连接动态阻尼(1.3)的D口，所述单向阀(1.7)出油口连接换向阀(1.1)的LS口，所述阻尼(1.9)一端连接单向阀(1.7)进油口，另一端连接优先阀(1.2)CF口。

5.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述电液转向单元(1)还包括液控换向阀(1.8)，所述液控换向阀(1.8)进油口、控制口连接换向阀(1.1)的T口，所述液控换向阀(1.8)出油口连接液压油箱(5)。

6.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述控制单元包括控制器(3)。

7.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述电控手柄单元包括电子手柄(4)。

8.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述液压执行单元(6)包括第一液压油缸(6.1)和第二液压油缸(6.2)，所述第一液压油缸(6.1)无杆腔、第二液压油缸(6.2)有杆腔与换向阀(1.1)的B口连通，所述第一液压油缸(6.1)有杆腔、第二液压油缸(6.2)无杆腔与换向阀(1.1)C口连通。

9.根据权利要求1所述的工程机械电液转向精准控制装置，其特征在于，所述主泵单元(2)包括压力传感器(2.1)、电比例控制模块(2.2)和电控泵(2.3)，所述电控泵(2.3)出油口连接P口，所述电控泵(2.3)进油口连接液压油箱(5)，所述压力传感器(2.1)一端连接电控泵(2.3)出油口，另一端连接控制单元，所述电比例控制模块(2.2)控制端连接电控泵(2.3)控制口，另一端连接控制单元。

10.一种工程机械电液转向精准控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于接收的电子手柄(4)信号百分比，计算对应的推动换向阀(1.1)阀芯位移的先导压力，并根据所述的先导压力计算换向阀(1.1)阀芯的目标位移；

基于所述的换向阀(1.1)阀芯的目标位移，计算第一电比例阀(1.5)、第二电比例阀(1.6)的驱动电流，向第一电比例阀(1.5)、第二电比例阀(1.6)输出驱动电流，控制换向阀(1.1)阀芯动作；

接收位移传感器(1.4)传递的换向阀(1.1)阀芯的实际位移，与所述目标位移进行比较后，基于PID算法对驱动电流进行实时调节。

11.根据权利要求10所述的工程机械电液转向精准控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

基于所述的换向阀(1.1)阀芯的目标位移，计算此时电液转向单元(1)需要的流量；

基于电液转向单元(1)需要的流量，计算电控泵(2.3)输出流量，并根据电控泵(2.3)输出流量计算电比例控制模块(2.2)的驱动电流，向控制电比例控制模块(2.2)输出所述驱动电流，控制电控泵(2.3)流量输出与换向阀(1.1)流量需求实时匹配。

12.根据权利要求11所述的工程机械电液转向精准控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收到电子手柄(4)向左掰动一定位置或在左位一定范围内连续变化时，输出电流控制第一电比例阀(1.5)工作在下位，第二电比例阀(1.6)工作在上位，换向阀(1.1)工作在左位。

13.根据权利要求11所述的工程机械电液转向精准控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收到电子手柄(4)向右掰动一定位置或在右位一定范围内连续变化时，输出电流控制第一电比例阀(1.5)工作在上位，第二电比例阀(1.6)工作在下位，换向阀(1.1)工作在右位。

14.根据权利要求11所述的工程机械电液转向精准控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收到电子手柄(4)处于中位，输出电流控制第一电比例阀(1.5)工作在上位，第二电比例阀(1.6)工作在上位，换向阀(1.1)工作在中位。