Hydraulic excavator division of the status of energy-saving control systemSingle-bucket hydraulic excavator is an important engineering machinery, with homework flexibility to adapt to a wide range of advantages. However, due to a single bucket of hydraulic excavator working condition homework complex, homework load change the course of frequent changes in scope, and thus there are many aspect of the energy loss, which mainly include: engine - variable pump system matching non-economic functioning loss of hydraulic system pressure loss of oil flow and pressure loss. These losses not only waste energy, but the hydraulic system caused by fever, deteriorating job performance. To this end, energy-saving control of hydraulic excavator has become one of the key developments. With the electronic technology and micro-computer (single-chip) technology in the control of the area of the extensive application of the hydraulic excavator with electronic technology, signal processing, early warning technology and micro-computer combination of hydraulic excavator achieve online condition detection, automatic control, fault diagnosis, can achieve energy efficiency and reduce the drivers of labor intensity, improve job efficiency. At present, major foreign companies excavator products to varying degrees, equipped with electron energy-saving control system, such as Germany O American Caterpillar's EPC system; Japan's Hitachi's OHS system visco-loose OLSS systems, Kato, the APC system, the ITCS shinko system; Korea Daewoo's EPOS system. Author excavator energy loss for the above-mentioned circumstances, the use of single-chip, to the pressure of the hydraulic system for judging the signal, to determine the hydraulic excavator's job status, and then by the stepper motor control of the engine throttle, so that the throttle opening always adapt to the load on the appropriate value to achieve the purpose of energy saving. 1 system System is not making any changes to the hydraulic system and engine internal structure of the premise, and its hardware block diagram shown in Figure 1. The energy-saving control system uses a load-sensing, that is to stress the hydraulic system for judging the signal, determine the job status excavator, excavator by microcomputer in accordance with which the different status, by controlling the importation of a stepper motor, thereby control the engine throttle, so that engine speed stability requirements at the vicinity of, so as to achieve energy conservation and achieve the purpose of other features. 1.1 single-chip micro computer system Single-chip using the United States ATMEL Corporation AT89C51 single-chip production. The chip not only has the MCS51 series single-chip all the features, but also chip has 2K bytes of flash memory erase Electricity (Flash ROM), low prices, the current high cost performance of single-chip microcomputer core. AT89C51 frequency for 6 ~ 40MHz. The system uses single-chip internal oscillator plus quartz crystal clock source constitutes, in order to work reliable, crystal oscillation frequency chosen as 12MHz. In order to meet the needs of control interface, the controller also extended an I / O port chip, the election has 1C55, which has two programmable 8-bit parallel I / O port PA and PB, a programmable 6 Parallel I / O port PC, through the equipment of its status register in order to control the word to be separately defined as input / output port. 1.2 input circuit Input circuit by the pressure transmitter, speed sensors, throttle opening sensor, power mode selection switch and parameter settings, such as switching components. Among them, the pressure transmitter (CYR-1A-type) is responsible for sampling the pressure of the hydraulic system (two-way), by the A / D conversion input 89C51, after analysis of treatment, to determine the working conditions of excavator, the corresponding control commands issued . Speed sensors (magnetic-electric) are responsible for sampling the engine speed, as the system feedback signal. Electricity because of the magnetic sensor signal is weak, need to design conditioning circuit (converted to standard TTL). In addition the sensor installed on the excavator spindle gear (130 teeth) near, if the direct disruption of 89C51 from the mouth (INT0), will frequently interrupt the system, 89C51 busy job, it required frequency. The system directly using the 81C55 in 14 subtrahend frequency counter 130, which is equivalent to one pulse per revolution to avoid the above situation. Throttle opening of throttle position sensor testing in order to start the engine ignition. It is the governor rod and throttle angle of rotation corresponds to its converted to voltage signals, and internal procedures to compare settings, open the key switch, the control system drives the stepper motor speed control rod Driven throttle position to start from zero. System with high, medium and low power mode of the three selection switches, the corresponding engine power for the full power of 100%, 88% and 65%. When the driver of the work required in accordance with the selection of a switch, the computer can control the engine so that it stability in the corresponding power mode. Among them, the mid-range job files are commonly used. Economic power mode at the same time file with the file when the job engine - hydraulic pump system is the most economical status of the job matching. In addition, the system also is designed for operating parameters such as hydraulic system pressure and limit pressure alarm, the system of acquisition time, PID control parameters, such as online modification function. The use of EEPROM memory functions of preservation, so the next boot, the system continues to adjust the parameters to run well. Operator parameter settings as long as the press power key and select key combination mode, you can modify finish. This keyboard combination can lower costs and reduce the operation panel size, improve system reliability. 1.3 Output Circuit Output circuit including stepper motor, display, work lights and sound and light alarm. Among them, the stepper motor to control the engine throttle position; display two hydraulic system pressure (3, unit: MPa) and engine speed (4, unit: rpm); job indicator current drivers are instructed to select the power mode; sound and light alarm the driver of the load current hydraulic system has been set by more than job pressure to take the appropriate solution. 2 system 2.1 division of the status of energy-saving control Excavator is a multi-functional machines, carried out more homework content, such as digging, loading soil, trenching, filling, decoration, removal, broken in a peaceful manner, etc.; homework object encountered - Change greater soil , such as soft clay, loose sandy soil, sandy soil close, closer than gravel mixed soil, gravel original rock and soft rock, etc.; In addition, the use and requirements are also different, and sometimes emphasize fuel economy, productivity demands not prominent, and to carry out general soil excavation and loading operations; sometimes attention to accuracy and security, to operate at small venues for fine work and fine-tuning operation. In order to adapt to different working conditions and use of homework, the need for division of the status of control, according to the role of working conditions and use of the requirements to select different power mode. Division of the status of the control flow chart shown in Figure 2. The system according to the following four kinds of control of engine operating conditions: (1) H Condition: Heavy-duty case, the pursuit of the largest volume of homework, the engine set at maximum speed, powerful high-speed cut-de-sac, the use of high-speed walking. (2) S Condition: general operations, the requirements to play 88% of engine maximum power, a slower rate of job at this time, the main condition in order to reduce fuel consumption and reduce noise. This is also a common job profile, but also economic power mode files, use the job file, the engine - hydraulic pump system to match the most economical deal with job status. (3) L Condition: Light homework rapid, require the engine to play 50% ~ 70% of the maximum power, this condition is mainly used homework improve accuracy, control and fine tuning the role of work in a small venue can guarantee security, to further reduce noise. (4) I working condition: This is the low idle speed condition, the main role for the suspension. The system through the power mode selector switches to select the operating mode input controller, controller engine, making it stable in the corresponding power mode. 2.2 Short-term overload control This is to improve the efficiency of the excavators and settings. Excavator hydraulic system settings must have the highest stress cushion when the system overloading job in a short time when the system normally does not have much effect, but not overloading long job, otherwise there is likely to affect system and other non-device life and have adverse consequences. When the hydraulic system pressure exceeds a set maximum pressure when several (more than 24Mpa, less than 27MPa), excavators still working for a period of time (8 seconds) in order to overcome the temporary job devices larger resistance and improve efficiency. When exceeds a set time, the controller will automatically reduce the engine speed to idle status, the issue of sound and light alarm simultaneously, so that to allow drivers to change the mode of operation. When the system pressure reduced to the maximum design pressure, the controller automatically launch a rapid recovery to the original speed. 外 文 資 料 翻 譯液 壓 挖 掘 機(jī) 分 工 況 節(jié) 能 控 制 系 統(tǒng)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 。 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) 動機(jī) —變 量 泵 系 統(tǒng) 的 非 經(jīng) 濟(jì) 性 匹 配 運 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 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 發(fā) 展 方 向之 一 。隨 著 電 子 技 術(shù) 及 微 型 計 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 處 理 、 預(yù) 警 技 術(shù) 及 微 型 計 算 機(jī) 有 機(jī)地 結(jié) 合 起 來 ， 對 液 壓 挖 掘 機(jī) 實 現(xiàn) 在 線 工 況 檢 測 、 自 動 控 制 、 故 障 診 斷 ，可 以 達(dá) 到 節(jié) 能 和 減 輕 司 機(jī) 勞 動 強(qiáng) 度 、 提 高 工 作 效 率 的 目 的 。目 前 國 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 O&K 公 司 的 PMS 系 統(tǒng) 、 Link-Belt 的 CAPS 系 統(tǒng) ； 美國 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 大 宇 的 EPOS 系 統(tǒng) 等 。筆 者 針 對 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 ， 來 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 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 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 ，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 機(jī) 油 門 ， 使 發(fā) 動 機(jī) 穩(wěn) 定 在 要 求 的 轉(zhuǎn) 速附 近 ， 以 達(dá) 到 節(jié) 能 和 實 現(xiàn) 其 它 功 能 的 目 的 。 由 硬 件 框 圖 可 知 ， 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 調(diào) 理 電 路 、 驅(qū) 動 電 路 、 顯 示 報 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 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 格 低 ， 目 前 性 能 價 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 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 擴(kuò) 展 了 一 片 I/O 口 芯 片， 選 有 1C55， 這 有 兩 個 可 編 程 的 8 位 并 行 I/O 口 PA 和 PB、 一 個 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 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 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 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 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， 作 為 系 統(tǒng) 的 反 饋 信號 。 由 于 磁 電 式 傳 感 器 的 信 號 較 弱 ， 需 要 設(shè) 計 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 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 數(shù) 器 進(jìn)行 130 分 頻 ， 相 當(dāng) 于 每 轉(zhuǎn) 來 一 個 脈 沖 ， 避 免 了 上 述 現(xiàn) 象 。油 門 開 度 傳 感 器 檢 測 油 門 的 位 置 ， 以 便 于 發(fā) 動 機(jī) 點 火 起 動 。 它 與 油門 的 調(diào) 速 拉 桿 轉(zhuǎn) 動 的 角 度 對 應(yīng) ， 將 其 轉(zhuǎn) 換 為 電 壓 信 號 ， 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 步 進(jìn) 電 機(jī) 帶 動 油 門 的 調(diào) 速 拉桿 從 零 位 調(diào) 到 起 動 位 置 。系 統(tǒng) 設(shè) 有 高 、 中 、 低 三 個 動 力 模 式 選 擇 開 關(guān) ， 相 應(yīng) 的 發(fā) 動 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 算 機(jī)即 可 控 制 發(fā) 動 機(jī) 使 其 穩(wěn) 定 在 相 應(yīng) 的 動 力 模 式 下 。 其 中 ， 中 檔 是 常 用 工 作檔 。 同 時 也 是 經(jīng) 濟(jì) 動 力 模 式 檔 ， 用 該 檔 工 作 時 ， 發(fā) 動 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 了 對 運 行 參 數(shù) 如 液 壓 系 統(tǒng) 的 報 警 壓 力 與 極 限 壓 力、 系 統(tǒng) 的 采 集 時 間 、 PID 控 制 參 數(shù) 等 進(jìn) 行 在 線 修 改 的 功 能 。 利 用 EEPROM 的 存 儲 功 能 進(jìn) 行 保 存 ， 以 便 下 次 開 機(jī) 時 ， 系 統(tǒng) 仍 按 著 調(diào) 節(jié) 好 的 參 數(shù) 運行 。 操 作 者 只 要 按 下 參 數(shù) 設(shè) 置 鍵 與 動 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 警 等 。 其 中 ，步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 發(fā) 動 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 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 力 模 式 ； 聲 光 報 警 提 示 司 機(jī) 當(dāng) 前 液 壓 系 統(tǒng) 的 負(fù) 荷 已經(jīng) 超 過 所 設(shè) 定 工 作 壓 力 ， 要 求 采 取 相 應(yīng) 的 解 決 辦 法 。2 系 統(tǒng) 的 功 能2.1 分 工 況 節(jié) 能 控 制挖 掘 機(jī) 是 一 種 多 功 能 的 機(jī) 械 ， 進(jìn) 行 的 作 業(yè) 內(nèi) 容 較 多 ， 如 挖 掘 、 裝 土、 挖 溝 、 填 埋 、 裝 修 、 搬 運 、 破 碎 和 平 地 等 ； 所 遇 到 的 作 業(yè) 對 象 ——土 質(zhì) 變 化 較 大 ， 如 軟 性 粘 土 、 松 砂 質(zhì) 土 、 緊 密 沙 質(zhì) 土 、 較 緊 密 砂 礫 混合 土 、 砂 礫 原 石 和 軟 巖 等 ； 另 外 ， 使 用 方 式 和 要 求 也 不 同 ， 有 時 強(qiáng) 調(diào) 燃料 經(jīng) 濟(jì) 性 ， 生 產(chǎn) 率 要 求 不 突 出 ， 進(jìn) 行 一 般 性 的 挖 掘 和 裝 土 作 業(yè) ； 有 時 則重 視 精 度 和 安 全 ， 在 狹 小 場 地 進(jìn) 行 操 作 ， 進(jìn) 行 精 細(xì) 工 作 和 微 調(diào) 作 業(yè) 。為 了 適 應(yīng) 不 同 作 業(yè) 和 使 用 工 況 ， 需 要 進(jìn) 行 分 工 況 控 制 ， 根 據(jù) 作 用 工況 和 使 用 要 求 來 選 擇 不 同 動 力 模 式 。 分 工 況 控 制 流 程 圖 如 圖 2 所 示。 本 系 統(tǒng) 按 以 下 4 種 工 況 控 制 發(fā) 動 機(jī) ：（ 1） H 工 況 ： 重 負(fù) 荷 情 況 ， 追 求 最 大 作 業(yè) 量 ， 發(fā) 動 機(jī) 設(shè) 置 在 最 大轉(zhuǎn) 速 ， 進(jìn) 行 高 速 強(qiáng) 力 掘 削 、 高 速 行 走 時 使 用 。（ 2） S 工 況 ： 一 般 作 業(yè) 情 況 ， 要 求 發(fā) 動 機(jī) 發(fā) 揮 88%最 大 功 率 ，此 時 工 作 速 率 稍 慢 ， 此 工 況 主 要 為 了 降 低 油 耗 和 減 少 噪 音 。 這 也 是 常 用工 作 檔 ， 同 時 也 是 經(jīng) 濟(jì) 動 力 模 式 檔 ， 用 該 檔 工 作 時 ， 發(fā) 動 機(jī) -液 壓 泵系 統(tǒng) 處 理 最 經(jīng) 濟(jì) 的 匹 配 工 作 狀 態(tài) 。（ 3） L 工 況 ： 輕 作 業(yè) 飛 速 ， 要 求 發(fā) 動 機(jī) 發(fā) 揮 50%～ 70%的 最 大 功率 ， 此 工 況 主 要 用 于 提 高 作 業(yè) 精 度 、 進(jìn) 行 微 調(diào) 控 制 和 精 細(xì) 作 用 ， 在 狹 小場 地 工 作 時 可 保 證 安 全 性 ， 噪 音 進(jìn) 一 步 降 低 。 （ 4） I 工 況 ： 此 為 低 怠 速 工 況 ， 主 要 用 于 暫 停 作 用 。本 系 統(tǒng) 通 過 動 力 模 式 選 擇 開 關(guān) ， 將 選 擇 的 工 況 輸 入 控 制 器 ， 控 制 器控 制 發(fā) 動 機(jī) ， 使 其 穩(wěn) 定 在 相 應(yīng) 的 動 力 模 式 下 。2.2 短 期 超 載 控 制這 是 為 提 高 挖 掘 機(jī) 的 工 作 效 率 而 設(shè) 置 的 。 挖 掘 機(jī) 液 壓 系 統(tǒng) 設(shè) 定 的 最高 壓 力 有 一 定 的 余 量 ， 當(dāng) 系 統(tǒng) 在 短 時 間 內(nèi) 超 載 工 作 時 ， 一 般 不 會 對 系 統(tǒng)產(chǎn) 生 太 大 的 影 響 ， 但 不 能 長 時 間 地 超 載 工 作 ， 否 則 有 可 能 影 響 系 統(tǒng) 和 其他 無 器 件 的 壽 命 及 產(chǎn) 生 不 良 的 后 果 。 當(dāng) 液 壓 系 統(tǒng) 壓 力 超 過 設(shè) 定 的 最 高 壓力 幾 Mpa 時 （ 大 于 24Mpa， 小 于 27MPa） ， 挖 掘 機(jī) 仍 然 工 作 一 段 時 間 （8 秒 ） ， 以 便 工 作 裝 置 能 克 服 臨 時 較 大 的 阻 力 ， 提 高 效 率 。 當(dāng) 超 過 設(shè) 定 的時 間 時 ， 控 制 器 自 動 將 發(fā) 動 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 降 低 到 怠 速 狀 態(tài) ， 同 時 發(fā) 出 聲 光 報 警， 以 使 讓 司 機(jī) 改 變 操 作 方 式 。 當(dāng) 系 統(tǒng) 壓 力 降 低 到 最 高 設(shè) 計 壓 力 以 時 ， 控制 器 自 動 使 發(fā) 動 迅 速 恢 復(fù) 到 原 來 的 轉(zhuǎn) 速 。