摘要：為了有效地控制單斗液壓挖掘機(jī)在工作過程中的能量損失、減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱、改善工作性能，設(shè)計(jì)了一種單斗液壓挖掘機(jī)分工況節(jié)能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感，由微機(jī)判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài)，并據(jù)此控制發(fā)動(dòng)機(jī)而達(dá)到節(jié)能的目的。該系統(tǒng)具有工況控制、短期超載控制、自動(dòng)怠速控制、溢流控制等功能。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī) 單片機(jī) 節(jié)能控制
　　單斗液壓挖掘機(jī)是重要的工程機(jī)械，具有作業(yè)靈活方便、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但由于單斗液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜、作業(yè)過程中負(fù)荷變化頻繁、變化范圍大，因而存在著不少環(huán)節(jié)的能量損失，其中主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)―變量泵系統(tǒng)的非經(jīng)濟(jì)性匹配運(yùn)行產(chǎn)生的損失、液壓系統(tǒng)壓力油的流量損失和壓力損失。這些損失不僅浪費(fèi)了能量，而且引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱，工作性能惡化。為此，節(jié)能控制已經(jīng)成為液壓挖掘機(jī)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。
　　隨著電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）技術(shù)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，將液壓挖掘機(jī)與電子技術(shù)、信號(hào)處理、預(yù)警技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)在線工況檢測(cè)、自動(dòng)控制、故障診斷，可以達(dá)到節(jié)能和減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的目的。
　　目前國(guó)外各大公司的挖掘機(jī)產(chǎn)品均不同程度地配備了電子節(jié)能控制系統(tǒng)，，如德國(guó)O&K公司的PMS系統(tǒng)、link-Belt的CAPS系統(tǒng)；美國(guó)卡特皮勒的EPC系統(tǒng)；日本日立的OHS系統(tǒng)、粘松的OLSS系統(tǒng)、加藤的APC系統(tǒng)、神鋼的ITCS系統(tǒng)；韓國(guó)大宇的EPOS系統(tǒng)等。
　　筆者針對(duì)上述挖掘機(jī)能量損失情況，采用單片機(jī)，以液壓系統(tǒng)的壓力為判斷信號(hào)，來(lái)判斷液壓挖掘機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而由步進(jìn)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門，從而使油門的開度始終處于適應(yīng)負(fù)載的合適值上，達(dá)到節(jié)能的目的。
　　1 系統(tǒng)的組成
　　系統(tǒng)是在不改變液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行的，其硬件框圖如圖1所示。
　　本節(jié)能控制系統(tǒng)采用了負(fù)荷傳感，即以液壓系統(tǒng)壓力為判斷信號(hào)，判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài)，由微機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)所處的不同狀態(tài)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的輸入出，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速附近，以達(dá)到節(jié)能和實(shí)現(xiàn)其它功能的目的。
控制系統(tǒng)硬件的系統(tǒng)由單片機(jī)、I/O接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示報(bào)警和光電隔離電路等部分組成。
　　1.1 單片機(jī)系統(tǒng)
　　單片機(jī)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。該芯片不僅具有MCS51系列單片機(jī)的所有特性，而且片內(nèi)集成有2K字節(jié)的電擦除閃存（Flash ROM），價(jià)格低，目前性能價(jià)格比較高的單片機(jī)芯之一。
　　AT89C51的工作頻率為6～40MHz。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器外加石英晶體構(gòu)成時(shí)鐘源，為了工作可靠，晶體振蕩頻率選為12MHz。
　　為了滿足控制接口的需要，本控制器又?jǐn)U展了一片I/O口芯片，選有1C55，這有兩個(gè)可編程的8位并行I/O口PA和PB、一個(gè)可編程的6位并行I/O口PC，通過設(shè)備其命令狀態(tài)寄存器中的控制字來(lái)將它們分別定義成輸入/輸出口。
　　1.2 輸入電路
　　輸入電路由壓力變送器、速度傳感器、油門開度傳感器、動(dòng)力模式選擇開關(guān)和參數(shù)設(shè)定開關(guān)等組成。
　　其中，壓力變送器（CYR-1A型）負(fù)責(zé)采樣液壓系統(tǒng)的壓力（兩路），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入89C51，經(jīng)過分析處理，來(lái)判別挖掘機(jī)的工作狀況，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。
　　速度傳感器（磁電式）負(fù)責(zé)采樣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)。由于磁電式傳感器的信號(hào)較弱，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路（轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL）。另外傳感器安裝在挖掘機(jī)主軸齒輪（130齒）附近，如果直接接到89C51的中斷口（INT0），會(huì)使系統(tǒng)頻繁中斷，89C51工作繁忙，因此需要分頻。本系統(tǒng)直接利用了81C55中的14位減數(shù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行130分頻，相當(dāng)于每轉(zhuǎn)來(lái)一個(gè)脈沖，避免了上述現(xiàn)象。
　　油門開度傳感器檢測(cè)油門的位置，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)。它與油門的調(diào)速拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度對(duì)應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與內(nèi)部程序設(shè)定值進(jìn)行比較，打開鑰匙開關(guān)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)油門的調(diào)速拉桿從零位調(diào)到起動(dòng)位置。
　　系統(tǒng)設(shè)有高、中、低三個(gè)動(dòng)力模式選擇開關(guān)，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為全功率的100%、88%和65%.當(dāng)司機(jī)根據(jù)工作需要選定某一開關(guān)，計(jì)算機(jī)即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)使其穩(wěn)定在相應(yīng)的動(dòng)力模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式檔，用該檔工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵系統(tǒng)處于最經(jīng)濟(jì)的匹配工作狀態(tài)。
　　另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了對(duì)運(yùn)行參數(shù)如液壓系統(tǒng)的報(bào)警壓力與極限壓力、系統(tǒng)的采集時(shí)間、PID控制參數(shù)等進(jìn)行在線修改的功能。利用EEPROM的存儲(chǔ)功能進(jìn)行保存，以便下次開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)仍按著調(diào)節(jié)好的參數(shù)運(yùn)行。操作者只要按下參數(shù)設(shè)置鍵與動(dòng)力模式選擇鍵的組合，即可完成修改。這種鍵盤的組合可以降低成本，減少面板的操作面積，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　1.3 輸出電路
　　輸出電路的包括步進(jìn)電機(jī)、顯示器、工作指示燈與聲光報(bào)警等。其中，步進(jìn)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的位置；顯示器顯示兩路液壓系統(tǒng)的壓力（3位，單位：MPa）與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（4位，單位：rpm）；工作指示燈指示司機(jī)當(dāng)前所選擇的動(dòng)力模式；聲光