DE4342455C2

DE4342455C2 - Hierarchical control system for an excavator

Info

Publication number: DE4342455C2
Application number: DE19934342455
Authority: DE
Inventors: Cheoul Chang
Original assignee: Samsung Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Volvo Construction Equipment AB
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: DE4342455A1

Description

Background of the Invention 1. Field of the Invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hierarchisches Steuersystem für einen Bagger, insbesondere auf ein Steuersystem mit hierarchischer Struktur.The present invention relates to a hierarchical Control system for an excavator, especially one Tax system with a hierarchical structure.

2. Description of the prior art

Unter den verschiedenen Baumaschinen ist die Verwendung von Baggern im Bauwesen besonders weit verbreitet, aber verglichen mit allen anderen Baumaschinen ist das Führen eines solchen Baggers für Neulinge problematisch, da das Steuern eines Baggers generell schwierig ist. Dementsprechend ist es für ein geschicktes Führen eines solchen Baggers erforderlich, daß der Baggerführer sowohl genügend Zeit als auch Erfahrung hat.Among the various construction machines is the use of Excavators in construction particularly widespread, but compared with all other construction machines is the driving of such Excavators are problematic for newbies since controlling one Excavators is generally difficult. Accordingly, it is for one skillful operation of such an excavator required that the Excavator operator has both enough time and experience.

Automatische Baggersteuerungen lassen sich in zwei Hauptklassen einteilen. Eine erste Klasse, nämlich die Standardsteuerung zum Steuern des Motors und der Pumpe, die im Bagger vorhanden sind, ist auf einen hohen Energiewirkungsgrad ausgelegt. Die andere Klasse zielt auf eine verbesserte Steuerung der Baggergelenke im Hinblick auf eine vereinfachte Arbeit und Bedienung durch den Baggerführer.Automatic excavator controls can be divided into two Classify main classes. A first class, namely the Standard control to control the motor and pump used in the Excavators are available to ensure high energy efficiency designed. The other class aims to improve Control of the excavator joints with a view to a simplified Work and operation by the excavator operator.

Allgemein besitzen Bagger einen Ausleger, eine Schaufel, einen Schaufelarm, Schwenk- und andere Gelenke. Zum Steuern der Baggergelenke müssen im Bagger Gelenksensoren zum Erfassen des Drehwinkels und der linearen Verschiebung jedes Gelenks vorhanden sein. Auch eine arithmetische Verarbeitungseinheit muß im Bagger vorhanden sein, um die Gelenke gemäß angelegten elektrischen Signalen unter allen Arbeitsbedingungen zu steuern. Da von der arithmetischen Verarbeitungseinheit jedoch mehrere Gelenke gleichzeitig gesteuert werden müssen, ist ein sehr leistungsfähiger Prozessor erforderlich. Generally, excavators have a boom, a bucket, one Bucket arm, swivel and other joints. To control the Excavator joints must be in the excavator joint sensors to detect the Angle of rotation and the linear displacement of each joint to be available. Also an arithmetic processing unit must be present in the excavator to properly fit the joints electrical signals under all working conditions Taxes. As from the arithmetic processing unit, however multiple joints need to be controlled simultaneously is one very powerful processor required.

Näher ausgeführt bedeutet dies folgendes: Da das verbesserte Steuersystem zum Steuern der Baggergelenke leistungsfähige Sensoren zum Erfassen aller Gelenkstellungen sowie einen derartigen leistungsfähigen Prozessor erfordert, hat es einen komplizierten Aufbau und bedingt dadurch - im Vergleich zum Standardsteuersystem zum Steuern von Baggermotor und Baggerpumpe - hohe Herstellungskosten. Bei herkömmlichen Baggersteuersystemen wird je nach Kundenwunsch wahlweise eine der zwei Steuersystem-Arten im Bagger vorgesehen. Da bei den herkömmlichen Baggersteuersystemen jedoch keine Umstellungsmöglichkeit zwischen den beiden Steuersystem-Arten in Betracht gezogen ist, muß ein System als ganzes gegen ein anderes ausgetauscht werden, wenn ein Wechsel von der einen Steuerungsart zur anderen notwendig wird.In more detail, this means the following: Since the improved Control system for controlling the excavator joints powerful Sensors for detecting all joint positions and one requires such a powerful processor, it has one complicated structure and due to this - compared to the Standard control system for controlling excavator engine and Excavator pump - high manufacturing costs. With conventional Excavator control systems will be optionally one depending on customer requirements of the two types of control system provided in the excavator. There with the conventional excavator control systems, however, none Possibility of switching between the two types of tax systems is considered a system as a whole against one others are exchanged when there is a change from one Type of control to the other is necessary.

Wenn auf Kundenwunsch zum Beispiel das Standardsteuersystem, das nur eine Standardsteuerfunktion, wie die Steuerung von Pumpe und Motor, erfüllen kann, gegen das verbesserte Steuersystem, das eine verbesserte Steuerfunktion, wie die Steuerung der Gelenke, vollbringen kann, ausgetauscht werden soll, muß das Standardsteuersystem aus dem Bagger entfernt und das verbesserte Steuersystem in den Bagger eingebaut werden.If, for example, the standard control system, that's just a standard control function, like controlling Pump and motor, can meet against the improved Control system that has an improved control function, like that Control of the joints that can be accomplished can be exchanged the standard control system must be removed from the excavator and the improved control system can be built into the excavator.

Da das herkömmliche Steuersystem - wie vorstehend erläutert - eine isolierte Steuermethode verwendet, für die keine Umstellungsmöglichkeit zwischen dem Standardsteuersystem und dem verbesserten Steuersystem vorgesehen ist, ist es beim herkömmlichen Steuersystem unmöglich, das Standardsteuersystem auf das verbesserte Steuersystem umzuschalten.Since the conventional control system - as explained above - uses an isolated control method for which none Possibility of switching between the standard control system and the improved tax system is provided, it is at conventional control system impossible, the standard control system to switch to the improved control system.

Summary of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines hierarchischen Steuersystems, bei dem als Grundversion ein Standardsteuermodul zum Steuern eines Baggermotors und einer Baggerpumpe vorgesehen werden kann und ein Erweiterungs-Steuermodul dem Standardsteuermodul nur hinzugefügt zu werden braucht, um eine verbesserte Steuerfunktion zu leisten, die Baggergelenke ohne Verwendung eines eigenständigen elektrischen Steuersystems steuern kann.The object of the present invention is that Creation of a hierarchical tax system in which as Basic version a standard control module for controlling one Excavator motor and an excavator pump can be provided and an expansion control module only the standard control module needs to be added to improve To perform control function, the excavator joints without using can control an independent electrical control system.

Die vorliegende Erfindung schafft nach einem ersten Gesichtspunkt ein hierarchisches Steuersystem für einen Bagger, mit einem Standardsteuermodul zum Steuern eines Motors, einer Pumpe, eines Relais, eines Elektromagneten, eines Schrittmotors und/oder mehrerer Steuerventile in Abhängigkeit von Signalen von einem Sensor zur Erfassung der Motordrehzahl, einem Kraftstoffsensor, einem Strömungsdrucksensor, einem Temperatursensor und einer Mehrzahl von Ein/Aus-Schaltern, ferner mit einem Programmiergerät zum Empfangen einer vorgegebenen Anweisung einer Bedienungsperson, zum Weiterleiten der Anweisung an das Standardsteuermodul sowie zum Anzeigen von gemäß der Anweisung erbrachten Arbeitsergebnissen, wobei das Standardsteuermodul folgende Bestandteile aufweist: einen mit mehrkanaligem Analog-Digital-Wandler ausgestatteten Hauptsteuerprozessor zur Durchführung arithmetischer Operationen, einer schnellen seriellen Datenübertragungsfunktion und einer Ausgabefunktion gemäß einem Synchronisationssignal von einem Oszillator; einen an einem ersten Eingang des Hauptsteuerprozessors angeschlossenen Analogmultiplexer zum Multiplexen der Signale vom Temperatursensor, Strömungsdrucksensor und Kraftstoffsensor und zum Ausgeben des Multiplexsignals an den ersten Eingang; eine Signalschnittstelle, die zwischen jedem Sensor und dem Analogmultiplexer liegt; ein Signalfilter, das zwischen einem Steuerhebel oder Pedal und einem zweiten Eingang des Hauptsteuerprozessors liegt, um ein von der Bedienungsperson ausgelöstes Betätigungssignal vom Steuerhebel oder Pedal zu filtern und das gefilterte Signal an den zweiten Eingang zu liefern; einen seriellen Datenübertragungs-Sendeempfänger, der zwischen dem Programmiergerät und einer seriellen Datenschnittstelle des Hauptsteuerprozessors liegt, um zwischen diesen eine Zweirichtungs-Datenübertragung herzustellen; eine Signalformer-Schaltung, die zwischen dem Motordrehzahlsensor und einem schnellen Dateneingang des Hauptsteuerprozessors liegt, um ein sinusförmiges Signal vom Motordrehzahlsensor umzuformen und ein rechteckförmiges Signal an den schnellen Dateneingang auszugeben; eine Schrittmotorsteuereinheit zum Erzeugen eines Schrittmotorsteuersignals unter Verwendung eines Steuersignals, das von einem Ausgang des Hauptsteuerprozessors zugeführt wird; eine Schrittmotortreiberschaltung, die zwischen der Schrittmotorsteuereinheit und dem Schrittmotor liegt, um den Schrittmotor in Abhängigkeit vom Schrittmotorsteuersignal zu betreiben; einen Speicher, der am Hauptsteuerprozessor über einen lokalen Bus angeschlossen ist; einen Ein/Aus- Ausgangstreiber zum Steuern des Elektromagneten oder Relais mittels Daten, die von einem Ein-/Ausgabe-Datenbus zugeführt werden, der an dem Speicher angeschlossen ist; und einen mehrkanaligen Digital-Analog-Wandler, der am Ein-/Ausgabe- Datenbus angeschlossen ist, um Antriebssignale an Verstärker zu liefern, die ein Mehrfachsteuerventilsystem und die Pumpe antreiben.The present invention provides a first Aspect of a hierarchical control system for an excavator, with a standard control module for controlling an engine, one Pump, a relay, an electromagnet, a stepper motor and / or several control valves depending on signals from a sensor for detecting the engine speed, one Fuel sensor, a flow pressure sensor, a Temperature sensor and a plurality of on / off switches, also with a programming device for receiving a given instruction by an operator to forward the instruction to the standard control module and to display Work results provided according to the instruction, whereby the Standard control module has the following components: one equipped with multi-channel analog-digital converter Main control processor for performing arithmetic Operations, a fast serial Data transfer function and an output function according to one Synchronization signal from an oscillator; one on one connected to the first input of the main control processor Analog multiplexer for multiplexing the signals from Temperature sensor, flow pressure sensor and fuel sensor and for outputting the multiplex signal to the first input; a Signal interface between each sensor and the Analog multiplexer; a signal filter between one Control lever or pedal and a second input of the Main control processor lies to one by the operator actuated signal from the control lever or pedal filter and the filtered signal to the second input deliver; a serial data transmission transceiver that between the programmer and a serial Main control processor data interface is between establish a two-way data transmission; a Signal conditioner circuit that is between the engine speed sensor and a fast data input from the main control processor is a sinusoidal signal from the engine speed sensor to transform and a rectangular signal to the fast Output data input; a stepper motor control unit for Generate a stepper motor control signal using a Control signal from an output of the main control processor is fed; a stepper motor driver circuit that between the stepper motor control unit and the stepper motor the stepper motor depending on the stepper motor control signal to operate; a memory that is on the main control processor a local bus is connected; an on / off Output driver to control the solenoid or relay using data supplied from an input / output data bus connected to the memory; and one multi-channel digital-to-analog converter that is connected to the input / output Data bus is connected to drive signals to amplifiers too supply that a multiple control valve system and the pump drive.

Im Aufbau kann das Standardsteuermodul ferner einen Steuerlogikschaltkreis aufweisen, der an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle des Hauptsteuerprozessors angeschlossen ist, um Adressen von einem Adreßbus zu decodieren und den Zugriff auf den Speicher zu verwalten.The standard control module can also have a structure Control logic circuitry connected to a Main control processor input / output interface is connected to decode addresses from an address bus and manage access to storage.

Ferner kann das Steuersystem folgende Bestandteile aufweisen: einen Systembus, der den Adreßbus, einen Datenbus und einen Steuerbus umfaßt; einen Arithmetikprozessor, der mit dem Hauptsteuerprozessor verbunden ist und gemeinsam mit diesem den Speicher über den Systembus mit Hilfe der Verwaltung des Steuerlogikschaltkreises benutzt; und eine Sensorschnittstelle, die mit einer Mehrzahl von Gelenksensoren verbunden ist und über den Systembus an das Standardsteuermodul angeschlossen ist; wobei von dem Steuersystem Ausleger-, Schaufel-, Schaufelarm-und Schwenkgelenke des Baggers gesteuert sind.Furthermore, the control system can have the following components: a system bus, the address bus, a data bus and one Control bus includes; an arithmetic processor that works with the Main control processor is connected and together with this the Memory over the system bus using the management of the Control logic circuit used; and a sensor interface, which is connected to a plurality of joint sensors and connected to the standard control module via the system bus is; boom, bucket, Bucket arm and swivel joints of the excavator are controlled.

Brief description of the drawings

Durch Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen kann die vorliegende Erfindung besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Zwecke und Vorteile werden für die einschlägigen Fachleute ersichtlich. In den Zeichnungen istBy referring to the accompanying drawings, the present invention can be better understood, and their numerous purposes and advantages are relevant to the Experts can see. In the drawings is

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das den Aufbau des hierarchischen Bagger-Steuersystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt; und Fig. 1 is a block diagram showing the construction of the hierarchical excavator control system according to an embodiment of the invention; and

Fig. 2 ein ausführlicher Schaltplan des in Fig. 1 dargestellten Standardsteuermoduls. Fig. 2 is a detailed circuit diagram of the standard control module shown in Fig. 1.

Description of the preferred embodiment (s)

In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 100 einen Arithmetikprozessor, der aus einem Hochleistungs- Verarbeitungsmodul besteht, von mehreren Sensoren gelieferte Daten empfängt, zum Beispiel von Sensoren, welche die Baggergelenke abtasten, sowie Arbeitssteuerdaten empfängt, die infolge der Steuertätigkeit des Baggerführers gebildet werden, um die zur Steuerung von Antriebseinheiten des Baggers erforderlichen Vorgänge mit hoher Geschwindigkeit zu erledigen )und das Softwareprogramm für automatische Betriebssteuerung des Baggers in Echtzeit ablaufen zu lassen. Bezugsziffer 200 bezeichnet ein Programmiergerät zum Bereitstellen der Arbeitssteuerdaten sowohl an den Arithmetikprozessor 100 als auch an ein Standardsteuermodul 400, das unten beschrieben wird, und zum Anzeigen von Ergebnissen, die aus der Ausführung der Arbeitssteuerdaten hervorgehen. Bezugsziffer 300 bezeichnet eine Sensorschnittstelle für den Datenaustausch mit Sensoren, wie z. B. einem Gelenkabtastsensor, einem Sensor zum Erfassen eines Gelenkknickwinkels und einem Sensor zum Erfassen der Baggerfahrt, sowie anderen Einheiten, die mit einem Systembus verbunden sind. Bezugsziffer 400 stellt das Standardsteuermodul dar, das als Schnittstelle zu- weiteren Eingabe- und Ausgabe-Gliedern - außer den Gelenkerfassungssensoren - dient und Betriebsschritte für eine Standard-Automatikfunktion ausführt, und Bezugsziffer 500 bezeichnet eine Verstärkungseinrichtung zum Verstärken von Stromsignalen, die zum Antreiben elektrischer Proportionalventile verwendet werden. Die Proportionalventile dienen zum Einstellen eines Mehrfachsteuerventilsystems, das zum Steuern von Pumpen und der darin strömenden Flüssigkeit verwendet wird.In Fig. 1, reference numeral 100 designates an arithmetic processor consisting of a high-performance processing module, receives data supplied by a plurality of sensors, for example, sensors that scan the excavator joints, and receives work control data that is formed as a result of the excavator operator's control activity by which operations required to control the drive units of the excavator at high speed) and to run the software program for automatic operation control of the excavator in real time. Reference numeral 200 denotes a programmer for providing the work control data to both the arithmetic processor 100 and a standard control module 400 , described below, and for displaying results from the execution of the work control data. Reference numeral 300 denotes a sensor interface for data exchange with sensors, such as. B. a joint scanning sensor, a sensor for detecting an articulation angle and a sensor for detecting excavator travel, as well as other units that are connected to a system bus. Reference number 400 represents the standard control module, which serves as an interface to further input and output elements - apart from the joint detection sensors - and carries out operating steps for a standard automatic function, and reference number 500 denotes an amplification device for amplifying current signals which drive electrical proportional valves be used. The proportional valves are used to set a multiple control valve system that is used to control pumps and the fluid flowing therein.

Wie in Fig. 1 gezeigt, erfolgt die Datenübertragung zwischen dem Arithmetikprozessor 100 und dem Programmiergerät 200 über eine serielle Datenleitung. Diese Datenübertragungsmethode wird "serielle Datenübertragungsmethode" genannt. Ferner erfolgt die Datenübertragung zwischen dem Arithmetikprozessor 100, der Sensorschnittstelle 300 und dem Standardsteuermodul 400 über einen im Systembus enthaltenen Datenbus. Diese Datenübertragungsmethode wird "Datenbus Datenübertragungsmethode" genannt. Die Datenbus- Datenübertragungsmethode ist ein Verfahren, bei dem mehrere Module gegebene Übertragungskanäle, wie den Datenbus, gemeinsam nutzen, was für die Datenübertragung zwischen Modulen von Datenverarbeitungssystemen geläufig ist.As shown in FIG. 1, the data transmission between the arithmetic processor 100 and the programming device 200 takes place via a serial data line. This data transfer method is called "serial data transfer method". Furthermore, the data transmission between the arithmetic processor 100 , the sensor interface 300 and the standard control module 400 takes place via a data bus contained in the system bus. This data transmission method is called "data bus data transmission method". The data bus data transmission method is a method in which several modules share given transmission channels, such as the data bus, which is common for data transmission between modules of data processing systems.

Wenn nur wenige Daten übertragen zu werden brauchen, ist die Ausbildung einer seriellen Busstruktur in dem Datenverarbeitungssystem nützlich, wenn aber große Datenmengen zu übertragen sind, ist die Ausbildung einer parallelen Busstruktur in dem Datenverarbeitungssystem nützlich.If only a little data needs to be transferred, that is Formation of a serial bus structure in the Data processing system useful when large amounts of data to be transferred is the formation of a parallel Bus structure useful in the data processing system.

Nachstehend wird die Betriebsweise des hierarchischen Steuersystems für einen Bagger beschrieben.The following is the operation of the hierarchical Control system for an excavator described.

Wenn zum Steuern des Baggers zunächst nur die oben genannte Standardsteuerfunktion erforderlich ist, besteht das hierarchische Steuersystem aus dem Programmiergerät 200, dem Standardsteuermodul 400 und der Verstärkungseinrichtung 500, und wenn zum Steuern des Baggers eine Gelenksteuerfunktion erforderlich ist, umfaßt das Steuersystem ferner den Arithmetikprozessor 100 und die Sensorschnittstelle 300, und zwar zusätzlich zu den Bauteilen, die zur Durchführung der Standardsteuerfunktion erforderlich sind. Da jedes der Schaltungsbauteile des Steuersystems als Moduleinheit ausgebildet ist, können die Schaltungsbauteile leicht mittels Steckplätzen kombiniert werden, um die Standardsteuerfunktion oder die Gelenksteuerfunktion zu erbringen. Wenn es also notwendig ist, ein Standardsteuersystem, das nur die Standardsteuerfunktion erbringen kann, gegen ein erweitertes Steuersystem, das die Gelenksteuerfunktion leisten kann, auszuwechseln, werden dem Standardsteuersystem mittels darin befindlicher Schlitze nur die Erweiterungsbauteile hinzugefügt, um die Gelenksteuerfunktion durchführen zu können. Dementsprechend brauchen zur Erzielung der Gelenksteuerfunktion im Standardsteuersystem lediglich die Erweiterungsmodule hinzugefügt zu werden, und mithin werden Zeit und Kosten für einen Systemwechsel stark verringert. Dieses Systemwechselverfahren wird "hierarchisches Steuerungsverfahren" genannt.If initially only the above-mentioned standard control function is required to control the excavator, the hierarchical control system consists of the programming device 200 , the standard control module 400 and the amplification device 500 , and if an articulation control function is required to control the excavator, the control system further comprises the arithmetic processor 100 and sensor interface 300 , in addition to the components required to perform the standard control function. Since each of the circuit components of the control system is designed as a modular unit, the circuit components can easily be combined by means of slots in order to provide the standard control function or the articulation control function. So if it is necessary to replace a standard control system that can only provide the standard control function with an extended control system that can perform the joint control function, only the expansion components are added to the standard control system by means of slots in it in order to be able to perform the joint control function. Accordingly, in order to achieve the joint control function in the standard control system, only the expansion modules need to be added, and thus the time and costs for a system change are greatly reduced. This system change procedure is called "hierarchical control procedure".

Damit das hierarchische Steuersystem verwirklicht werden kann, müssen die folgenden Funktionen erfüllt sein.So that the hierarchical tax system can be implemented, the following functions must be fulfilled.

Zunächst ist es erforderlich, eine arithmetische Datenverarbeitung vorzusehen, eine Bussteuerlogik zum Übertragen von Information über einen Systembus zu entwerfen, eine serielle Datenübertragung zum Informationsaustausch mit dem Programmiergerät 200 sowie mehrere Eingabe/Ausgabeprozesse als Schnittstelle zu externen Geräten zu unterstützen.First of all, it is necessary to provide arithmetic data processing, to design a bus control logic for transmitting information via a system bus, to support serial data transmission for information exchange with the programming device 200 and to support several input / output processes as an interface to external devices.

Zur Durchführung einer verbesserten, automatischen Arbeitsweise des Baggers bedarf es im wesentlichen eines elektrischen Steuerhebels, eines Pedals, elektromagnetischer Proportionalventile, Ein/Aus-Elektromagnete, Relais und verschiedener Arten von Schaltern.To carry out an improved, automatic The operation of the excavator essentially requires one electric control lever, a pedal, electromagnetic Proportional valves, on / off solenoids, relays and different types of switches.

Fig. 2 zeigt den Detailaufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Standardsteuermoduls 400, das in dem hierarchischen Steuersystem realisiert ist und die vorgenannten Grundvoraussetzungen erfüllt. Fig. 2 shows the detailed structure of an embodiment according to the invention of the standard control module 400, which is realized in the hierarchical control system, and meets the above-mentioned basic requirements.

In Fig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 401 einen Oszillator zum Erzeugen von Impulssignalen vorgegebener Frequenz, und Bezugsziffer 402 bezeichnet einen Hauptsteuerprozessor, der aus einem Mikrocomputer mit mehrkanaligem Analog-Digital-Wandler besteht. Der Hauptsteuerprozessor 402 kann schnelle arithmetische Operationen, eine schnelle serielle Datenübertragung und mehrere Ein-/Ausgabe-Funktionen erledigen.In Fig. 2, reference numeral 401 denotes an oscillator for generating pulse signals of a predetermined frequency, and reference numeral 402 denotes a main control processor consisting of a microcomputer with a multi-channel analog-to-digital converter. The main control processor 402 can perform fast arithmetic operations, fast serial data transfer and several input / output functions.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind ein Wärmeerfassungssensor, Signale von einem Strömungsdruckerfassungssensor und ein Kraftstofferfassungssensor über eine Signalschnittstelle 403 zum Zweck eines Multiplexbetriebs an einen Analogmultiplexer 404 gelegt, und das Multiplexsignal vom Multiplexer 404 wird an einen ersten Eingang des Hauptsteuerprozessors 402 geleitet. Dann wandelt der Hauptsteuerprozessor 402 das Multiplexsignal in digitale Daten um. Ferner wird ein Arbeitsbefehlssignal von dem vom Baggerführer betätigten Steuerhebel oder Pedal durch ein Tiefpaßfilter 405 gefiltert und dann an einen zweiten Eingang des Hauptsteuerprozessors 402 gelegt, um die verschiedenen Baggerfunktionen in Abhängigkeit vom Arbeitsbefehlssignal zu steuern.As shown in FIG. 2, a heat sensing sensor, signals from a flow pressure sensing sensor and a fuel sensing sensor are applied to an analog multiplexer 404 via a signal interface 403 for multiplexing, and the multiplexing signal from the multiplexer 404 is passed to a first input of the main control processor 402 . Then the main control processor 402 converts the multiplex signal into digital data. Furthermore, a work command signal from the operator's control lever or pedal is filtered through a low pass filter 405 and then applied to a second input of the main control processor 402 to control the various excavator functions in response to the work command signal.

Ferner ist das Programmiergerät 200 über einen seriellen Datenübertragungs-Sendeempfänger 406 an einem seriellen Dateneingang des Hauptsteuerprozessors 402 angeschlossen, und der Motordrehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl des Baggermotors, zum Beispiel in Umdrehungen pro Minute, ist mit einem schnellen Dateneingang des Hauptsteuerprozessors verbunden, und zwar über eine Signalformer-Schaltung 407, die ein vom Motordrehzahlsensor als Sinuswelle ankommendes Motordrehzahlsignal umformt und als rechteckförmiges Signal an den schnellen Dateneingang ausgibt. Ein Schrittmotor ist zum Öffnen und Schließen eines Kraftstoffzufuhrventils vorhanden, um die an den Motor zu fördernde Kraftstoffmenge einzustellen. Ein Ausgang des Hauptsteuerprozessors ist über eine Schrittmotorsteuereinheit 408 mit einer Schrittmotortreiberschaltung 409 verbunden. Dementsprechend wird ein vom Ausgang des Hauptsteuerprozessors 402 abgegebenes Schrittmotorsteuersignal in ein an die Schrittmotortreiberschaltung 409 zu leitendes Analogsignal umgewandelt. In Abhängigkeit von diesem Analogsignal steuert dann die Schrittmotortreiberschaltung 409 den Schrittmotor. Darüber hinaus ist eine Adreß- und Datenschnittstelle des Hauptsteuerprozessors 402 über einen lokalen Bus an einen mit anderen Einheiten gemeinsam benutzten Speicher 410 angeschlossen. Der gemeinsame Speicher 410 wird über den lokalen Bus auch vom Arithmetikprozessor 100 benutzt. Da der gemeinsame Speicher 410 von zwei Prozessoren benutzt wird, zum Beispiel vom Hauptsteuerprozessor 402 und dem Arithmetikprozessor 100, benötigt der Arithmetikprozessor 100 einen Adreßdecodierer zum Decodieren von dessen Adressen und einen Speicherzugangsschiedsrichter zum Regeln des Zugriffs der beiden Prozessoren auf den Speicher 410. Wenn in diesem Fall separate Logikbauelemente - z. B. ein Adreßdecodierer und ein Speicherzugriffsschiedsrichter - zur gemeinsamen Benutzung des Speichers 410 vorgesehen werden, entsteht das Problem, daß für die zeitliche Steuerung des gemeinsamen Betriebs der beiden Prozessoren zusätzliche Schaltkreise erforderlich sind. Deshalb verwendet die vorliegende Erfindung anstelle der separaten Logikelemente eine Softwarelösung, damit die beiden Prozessoren den Speicher 410 gemeinsam nutzen können. Im einzelnen besteht bei der vorliegenden Erfindung ein Steuerlogikschaltkreis 411 aus einer programmierbaren Logikeinrichtung, die in der Lage ist, dieselben Funktionen wie ein Adreßdecodierer und ein Speicherzugriffsschiedsrichter auszuführen, und ist an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle des Hauptsteuerprozessors 402 angeschlossen.Furthermore, the programmer 200 is connected to a serial data input of the main control processor 402 via a serial data transmission transceiver 406 , and the engine speed sensor for detecting the speed of the excavator engine, for example in revolutions per minute, is connected to a fast data input of the main control processor via a signal shaping circuit 407 , which converts an engine speed signal arriving from the engine speed sensor as a sine wave and outputs it as a rectangular signal to the fast data input. A stepper motor is provided to open and close a fuel supply valve to adjust the amount of fuel to be delivered to the motor. An output of the main control processor is connected to a stepper motor driver circuit 409 via a stepper motor control unit 408 . Accordingly, a stepper motor control signal output from the output of the main control processor 402 is converted into an analog signal to be supplied to the stepper motor driver circuit 409 . The stepper motor driver circuit 409 then controls the stepper motor in dependence on this analog signal. In addition, an address and data interface of the main control processor 402 is connected via a local bus to a memory 410 shared with other units. The shared memory 410 is also used by the arithmetic processor 100 over the local bus. Since the common memory is used 410 by two processors, for example, from the main control processor 402 and the arithmetic processor 100, the arithmetic processor 100 requires an address decoder for decoding the addresses, and a memory access arbiter for controlling the access of the two processors to the memory 410th If in this case separate logic components - e.g. B. an address decoder and a memory access arbitrator - are provided for sharing the memory 410 , the problem arises that additional circuits are required for timing the common operation of the two processors. Therefore, the present invention uses a software solution instead of the separate logic elements so that the two processors can share memory 410 . More specifically, in the present invention, a control logic circuit 411 is comprised of a programmable logic device capable of performing the same functions as an address decoder and a memory access arbitrator, and is connected to an input / output interface of the main control processor 402 .

Ferner ist der Steuerlogikschaltkreis 411 über Zwischenspeicher 412 und 413 mit einem Systembus verbunden. Der Zwischenspeicher 412 ist mit einem Adreßbus des Systembusses und der Zwischenspeicher 413 mit einem Datenbus des Systembusses verbunden.The control logic circuit 411 is also connected to a system bus via buffers 412 and 413 . Buffer 412 is connected to an address bus of the system bus and buffer 413 is connected to a data bus of the system bus.

Ein Ein/Aus-Schalter ist über eine Ein/Aus-Schnittstelle 414 mit einem Zwischenspeicher 415 verbunden, der seinerseits am Ein-/Ausgabe-Datenbus angeschlossen ist. Um ein Relais oder einen Elektromagneten zu betätigen, ist ein Ein/Aus- Ausgangstreiber 417 über einen Zwischenspeicher 416 mit dem Ein-/Ausgabe-Datenbus verbunden. Ebenfalls am Ein-/Ausgabe- Datenbus angeschlossen ist ein Digital-Analog-Wandler 418, der mit einer Spannungsanpassungsschaltung 419 verbunden ist, um ein Mehrfachsteuerventilsystem und eine Pumpe zu steuern.An on / off switch is connected via an on / off interface 414 to an intermediate memory 415 , which in turn is connected to the input / output data bus. In order to actuate a relay or an electromagnet, an on / off output driver 417 is connected to the input / output data bus via an intermediate memory 416 . Also connected to the input / output data bus is a digital-to-analog converter 418 , which is connected to a voltage adjustment circuit 419 in order to control a multiple control valve system and a pump.

Im allgemeinen hängt die in der Verstärkungsschaltung 500 (Fig. ) zu verwendende Spannung vom Anwendungsfall ab, und daher wird die Spannungsanpassungsschaltung 419 benötigt, um einen Ausgangsbereich des Wandlers 418 zu verschieben und zu skalieren. Da ferner die Genauigkeit des Analog-Digital- Wandlers bzw. des Digital-Analog-Wandlers stark von Schwankungen einer ihnen zugeführten Bezugsspannung abhängt, ist es erforderlich, ihnen eine Bezugsspannung gleichbleibenden Pegels zuzuführen. Die in einem Mikrocomputer zu verwendende Spannung, 5 Volt, wird in den Wandlern als Bezugsspannung benutzt, aber die 5-Volt-Spannung wird nach unten geregelt und ist somit als Bezugsspannung für die Wandler ungeeignet. Als Schaltungselement zum Liefern der Bezugsspannung kann ein handelsübliches Bezugsspannungs-Schaltungselement angepaßt werden, aber dieses ist kostenaufwendig. Dementsprechend ist es erstrebenswert, zum Erzeugen einer Bezugsspannung eine einfache Schaltung zu erstellen und zu verwenden.In general, the voltage to be used in the amplification circuit 500 (Fig.) Depends on the application, and therefore the voltage adjustment circuit 419 is needed to shift and scale an output range of the converter 418 . Furthermore, since the accuracy of the analog-to-digital converter or the digital-to-analog converter strongly depends on fluctuations in a reference voltage supplied to them, it is necessary to supply them with a reference voltage of a constant level. The voltage, 5 volts, to be used in a microcomputer is used as the reference voltage in the converters, but the 5 volt voltage is regulated downwards and is therefore unsuitable as a reference voltage for the converters. As a circuit element for supplying the reference voltage, a commercially available reference voltage circuit element can be adapted, but it is expensive. Accordingly, it is desirable to create and use a simple circuit to generate a reference voltage.

Um den Motor und die Pumpe zu steuern, ist es erforderlich, ihre Betriebszustände zu erfassen. Im einzelnen wird ein magnetischer Abtastsensor vorgesehen, um die Drehzahl des Motors z. B. als Umdrehungen pro Minute zu erfassen, und ein Strömungsdrucksensor ist vorgesehen, um den Abgabedruck der Pumpe zu erfassen. Eine zum Abgabedruck der Pumpe proportionale Spannung kann mittels des Strömungsdruckerfassungssensors ohne weiteres gewonnen und mittels eines in den Mikrocomputer einbezogenen Analog-Digital-Wandlers in digitale Daten umgewandelt werden, aber durch die Verwendung des Motordrehzahlerfassungssensors wird ein sinusförmiger Impulszug erhalten, der proportional zur Drehzahl ist und nicht unmittelbar in digitale Daten umgewandelt werden kann. Dementsprechend ist es erforderlich, daß zwischen dem Motordrehzahlerfassungssensor und dem Analog-Digital-Wandler eine Impulsintervall-Erfassungsschaltung liegt, um jeweils das zwischen den Impulsen des Impulszuges liegende Intervall zu erfassen. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist als Impulsintervall-Erfassungsschaltung die Signalformer- Schaltung 407 vorhanden, die ein sinusförmiges Signal in ein rechteckförmiges Signal umwandelt. Außerdem wirkt der Mikrocomputer als schnelle Erfassungseinrichtung zum Messen der Zeitspanne zwischen den Rechteckimpulsen von der Signalformer- Schaltung 407.In order to control the motor and the pump, it is necessary to record their operating states. In particular, a magnetic scanning sensor is provided to measure the speed of the motor e.g. B. as revolutions per minute, and a flow pressure sensor is provided to detect the discharge pressure of the pump. A voltage proportional to the discharge pressure of the pump can be easily obtained by means of the flow pressure detection sensor and converted into digital data by means of an analog-to-digital converter integrated in the microcomputer, but by using the engine speed detection sensor a sinusoidal pulse train is obtained which is proportional to the speed and cannot be directly converted into digital data. Accordingly, it is necessary that a pulse interval detection circuit is located between the engine speed detection sensor and the analog-digital converter in order to detect the interval between the pulses of the pulse train. In the present embodiment of the invention, the waveform shaping circuit 407 , which converts a sinusoidal signal into a rectangular signal, is provided as the pulse interval detection circuit. In addition, the microcomputer acts as a fast detector for measuring the period between the rectangular pulses from the waveform shaping circuit 407 .

Da das hierarchische Baggersteuersystem erfindungsgemäß einen hierarchischen Aufbau hat, braucht, wenn ein Standardsteuersystem auf Kundenwunsch auf ein verbessertes, automatisches Steuersystem erweitert werden soll, lediglich ein Erweiterungs-Steuermodul dem Standardsteuersystem hinzugefügt zu werden, um ein optimierendes Steuersystem zu erzielen.Since the hierarchical excavator control system according to the invention one hierarchical structure, if one needs Standard control system on customer request for an improved, automatic control system to be expanded, just a Expansion control module added to the standard control system to achieve an optimizing control system.

Ferner ist eine Spannungsanpassungsschaltung am Ausgang eines mehrkanaligen Digital-Analog-Wandlers angeschlossen, so daß ein breiter Eingangsbereich einer Verstärkungsschaltung befriedigt werden kann. Außerdem verwendet das hierarchische Steuersystem ein Datenbusverfahren zur Mehrfachnutzung von Datenübertragungskanälen, und somit kann durch Hinzufügung nur eines neuen Moduls zum Standardmodul ohne Änderung eines herkömmlichen Systems eine besondere Steuerfunktion erfüllt werden.Furthermore, a voltage adjustment circuit at the output of a multi-channel digital-to-analog converter connected so that a wide input range of an amplification circuit satisfied can be. It also uses the hierarchical control system a data bus method for multiple use of Data transmission channels, and thus can only by adding of a new module to the standard module without changing one conventional system fulfills a special control function become.

Darüber hinaus verwendet das hierarchische Steuersystem ein Verfahren zur Mehrfachnutzung eines Speichers, und somit kann ein Teil der Standardsteuerung mit einem an einem Systembus angeschlossenen Arithmetikprozessor 100 kommunizieren. Um einen Speicher von mehreren Einheiten gemeinsam nutzen zu lassen, kann die Schiedsrichterfunktion zwischen einem Adreßdecodierer und einem Speicher durch eine einzige programmierbare Logikeinrichtung realisiert werden, und somit kann das Datenübertragungsprotokoll durch Umprogrammierung der Logikeinrichtung ohne Änderung ihrer Hardware abgeändert werden. Schließlich kann das hierarchische Steuersystem neben Baggern ohne weiteres auch auf andere Baumaschinen angewendet werden.In addition, the hierarchical control system uses a memory sharing method, and thus part of the standard controller can communicate with an arithmetic processor 100 connected to a system bus. In order to have a memory shared by several units, the arbiter function between an address decoder and a memory can be implemented by a single programmable logic device, and thus the data transfer protocol can be changed by reprogramming the logic device without changing its hardware. Finally, the hierarchical control system can be easily applied to other construction machines in addition to excavators.

Es versteht sich, daß für Fachleute verschiedene weitere Abwandlungen ersichtlich und ohne weiteres durchführbar sind, ohne vom Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, den Schutzumfang der bei liegenden Ansprüche auf die vorstehende Beschreibung zu beschränken, sondern vielmehr sollen die Ansprüche in der Weise ausgelegt werden, daß sie alle patentfähigen neuen Merkmale abdecken, die in der vorliegenden Erfindung enthalten sind, einschließlich aller Merkmale, die von den einschlägigen Fachleuten als deren Äquivalente behandelt würden.It is understood that various others for professionals Variations can be seen and can be carried out without further ado, without the scope and spirit of the present invention to deviate. Accordingly, it is not intended to Scope of protection of the attached claims to the above Restrict description, but rather are intended to Claims are interpreted in such a way that they all patentable new features covered in the present Invention are included, including all features by the relevant experts as their equivalents would be treated.

BezugszeichenlisteReference list

100 Arithmetikprozessor
200 Programmiergerät
300 Sensorschnittstelle
400 Standardsteuermodul
401 Oszillator
402 Hauptsteuerprozessor
403 Signalschnittstelle
404 Analogmultiplexer
405 Tiefpaßfilter
406 serieller Datenübertragungs-Sendeempfänger
407 Signalformer-Schaltung
408 Schrittmotorsteuereinheit
409 Schrittmotortreiberschaltung
410 Speicher
411 Steuerlogikschaltkreis
412 Zwischenspeicher
413 Zwischenspeicher
414 Ein/Aus-Schnittstelle
415 Zwischenspeicher
416 Zwischenspeicher
417 Ein/Aus-Ausgangstreiber
418 Digital-Analog-Wandler
419 Spannungsanpassungsschaltung
500 Verstärkungsschaltung 100 arithmetic processor
200 programming device
300 sensor interface
400 standard control module
401 oscillator
402 main control processor
403 signal interface
404 analog multiplexer
405 low pass filter
406 serial data transceiver
407 waveform shaping circuit
408 stepper motor control unit
409 stepper motor driver circuit
410 memory
411 control logic circuit
412 buffers
413 buffer
414 on / off interface
415 buffers
416 buffers
417 on / off output driver
418 digital-to-analog converter
419 voltage adjustment circuit
500 amplification circuit

Claims

1. Hierarchical control system for an excavator, with a standard control module ( 400 ) for controlling a motor, a pump, a relay, an electromagnet, a stepper motor and / or several control valves depending on signals from a sensor for detecting the engine speed, a fuel sensor, a flow pressure sensor, a temperature sensor and a plurality of on / off switches, furthermore with a programming device ( 200 ) for receiving a predetermined instruction from an operator, for forwarding the instruction to the standard control module ( 400 ) and for displaying work results performed according to the instruction, the standard control module ( 400 ) comprising the following components:
a main control processor ( 402 ) equipped with a multi-channel analog-to-digital converter for performing arithmetic operations, a fast serial data transfer function and an output function according to a synchronization signal from an oscillator ( 401 );
an analog multiplexer ( 404 ) connected to a first input of the main control processor ( 402 ) for multiplexing the signals from the temperature sensor, flow pressure sensor and fuel sensor and for outputting the multiplex signal to the first input;
a signal interface ( 403 ) located between each sensor and the analog multiplexer ( 404 );
a signal filter ( 405 ) interposed between a control lever or pedal and a second input of the main control processor ( 402 ) to filter an operator actuated signal from the control lever or pedal and to provide the filtered signal to the second input;
a serial data transmission transceiver ( 406 ) interposed between the programmer ( 200 ) and a serial data interface of the main control processor ( 402 ) to establish bidirectional data transmission therebetween; a waveform shaping circuit ( 407 ) interposed between the engine speed sensor and a fast data input of the main control processor ( 402 ) for converting a sinusoidal signal from the engine speed sensor and outputting a rectangular signal to the fast data input;
a stepper motor control unit ( 408 ) for generating a stepper motor control signal using a control signal supplied from an output of the main control processor ( 402 ); a stepper motor driver circuit ( 409 ) interposed between the stepper motor control unit ( 408 ) and the stepper motor to operate the stepper motor in response to the stepper motor control signal;
a memory ( 410 ) connected to the main control processor ( 402 ) via a local bus;
an on / off output driver ( 417 ) for controlling the solenoid or relay using data supplied from an input / output data bus connected to the memory ( 410 ); and
a multi-channel digital-to-analog converter ( 418 ) connected to the input / output data bus to provide drive signals to amplifiers that drive a multi-control valve system and the pump.

The control system of claim 1, wherein the standard control module ( 400 ) further includes control logic circuitry ( 411 ) connected to an input / output interface of the main control processor ( 402 ) to decode and access addresses from an address bus manage the memory ( 410 ).

3. The control system of claim 2, further comprising the following Ingredients:

a system bus that includes the address bus, a data bus, and a control bus;
an arithmetic processor ( 100 ) connected to the main control processor ( 402 ) and sharing with it the memory ( 410 ) via the system bus through the management of the control logic circuit ( 411 ); and
a sensor interface ( 300 ) which is connected to a plurality of articulated sensors and is connected to the standard control module ( 400 ) via the system bus;
whereby the boom, bucket, bucket arm and swivel joints of the excavator are controlled by the control system.