专利名称：挖掘机全功率控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型是涉及一种挖掘机全功率控制器。
背景技术：
目前国内在挖掘机上对功率控制方面，大部分仍旧沿用以前的控制方式；即没有采用微处理器来对发动机的输出功率进行控制，完全依靠发动机自身的特性来保证挖掘机的输出功率。发动机的使用效率很低。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种高度集成及模块化，具有采用前馈-反馈PID控制技术的全功率控制控制功能及挖掘机工作状态监测功能，并具有即插即用的全球定位及远程通讯的功能，有效提高寻机使用效率的挖掘机全功率控制器。
本实用新型的解决方案是这样的在壳体内安装有至少一个与外部控制总线连接的微处理器，微处理器的P0口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接；微处理器的P3口与逻辑模块相接，逻辑模块同时连接有编码开关和电平转换器，电平转换器接到外部控制开关；微处理器输出信号接到外部主泵比例电磁阀和转速控制器或无线数据收发模块。
微处理器接收外部传感器或外部控制开关信号，对信号进行储存和处理，向外部主泵比例电磁阀、转速控制器或无线数据收发模块发送相应的信号，控制主泵比例电磁阀、转速控制器或无线数据收发模块工作。
本实用新型的优点是高度集成及模块化，具有采用前馈-反馈PID控制技术的全功率控制控制功能及挖掘机工作状态监测功能，并具有即插即用的全球定位及远程通讯的功能，有效提高发动机使用效率。
附图是本实用新型的实施例。
附图1是本实用新型外部接线结构图(1)。
附图2是本实用新型外部接线结构图(2)。
附图3是本实用新型信号处理流程图。
附图4是本实用新型的电路原理图。其中
附图4-1是地址锁存器。
附图4-2是CAN总线驱动器。
附图4-3是5V精密基准电源。
附图4-4是微处理器1。
附图4-5是串口收发器。
附图4-6是程序存贮器。
附图4-7是数据锁存器。
附图4-8是发动机水温检测模块。
附图4-9是发动机机油压力检测模块。
附图4-10是发动机燃油油位检测模块。
附图4-11是发动机转速信号检测模块。
附图4-12是液压油温检测模块。
附图4-13是空气温度检测模块。
附图4-14是主泵压力检测模块。
附图4-15是先导压力检测模块。
附图4-16负流量压力检测模块。
附图4-17是GSM全球数字移动通信模块。
附图4-18是GPS全球定位系统接收模块。
附图4-19是电源处理模块。
附图4-20、4-21、4-22、4-23分别是档位编码开关1、2、3、4的信号检测模块。
附图4-24是手动怠速开关检测模块。
附图4-25是自动怠速开关检测模块。
附图4-26是电锁开关接通位置检测模块。
附图4-27是瞬时增力开关检测模块。
附图4-28是电锁开关点火位置检测模块。
附图4-29是比例电磁阀驱动功率放大电路。
附图4-30是瞬时增力继电器驱动功率放大电路。
附图4-31是数据锁存器。
附图4-32是CAN总线驱动器。
附图4-33是5V精密基准电源。
附图4-34是微处理器2。
附图4-35是串口收发器。
附图4-36是程序存贮器。
附图4-37是转速控制输出信号功率放大电路。
具体实施方式
在本实施例中，在壳体25内安装有与外部控制总线连接的微处理器，所述的微处理器采用两个，其中微处理器1的P0口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接，微处理器的P3口与逻辑模块相接，逻辑模块同时连接有编码开关和电平转换器，电平转换器接到外部控制开关，微处理器输出信号接到外部主泵比例电磁阀、转速控制器；该微处理器的A/D转换器与外部发动机转速传感器、发动机水温传感器、燃油油位传感器、电源电压检测端连接；电平转换器与外部的自动怠速开关、手动怠速开关、先导压力开关、瞬时加力开关、钥匙点火开关、钥匙接通开关连接；微处理器输出信号是经功率放大接到外部主泵比例电磁阀、转速控制器。
微处理器2的P0口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部主泵压力传感器、负流量压力传感器、先导压力传感器、机油压力传感器、液压油温传感器、空气温度传感器相接，微处理器输出信号接到无线数据收发模块。
所述的无线数据收发模块是采用GSM全球数字移动电话系统模块和GPS全球定位系统模块。
两个微处理器通过CAN_BUS总线与外部显示控制器连接。
本实施例对挖掘机进行控制的过程如下泵的功率控制控制器输出PWM(脉宽调制)信号，经过放大电路(图4_29)后输出给主泵功率控制比例电磁阀10，通过调整PWM信号的占空比，使流经比例电磁阀的电流发生变化，相应改变主泵吸收发动机的功率。
发动机转速设置发动机设置为(分档控制)十档，从怠速开始至最大转速，每隔100~150转设置一个档位，与一般机器不同的是，本控制器在低于发动机最大扭矩点以下的转速也设置了工作档位。通常考虑到在低于最大扭矩点以下的转速工作极易造成发动机熄火，挖掘机一般不在低于最大扭矩点以下的转速设置工作档位，当需要挖掘机进行轻负载精细动作作业时，只能通过限制工作液压装置的流量来完成，由于发动机转速与输出功率存在一一对应关系，转速越高，输出功率越大，这就造成发动机输出功率远远超过挖掘机轻载精细动作作业时所需要的功率而造成功率浪费，同时液压油也容易发热，而本控制器将控制主泵功率控制比例电磁阀的电流也进行分档控制，防当主泵吸收功率过大造成发动机熄火，因此本控制器在低于发动机最大扭矩点以下的转速也设置了工作档位。
发动机转速的控制功能控制器接收到档位编码开关6发来的档位编码信号后，发出相应的PWM信号，经过放大电路(图4_37)后输出给发动机转速控制器7，发动机转速控制器7拉动发动机油门拉杆到相应的位置从而得到每个档位的转速。
发动机转速的自动标定功能当控制器接收到显示控制器12通过CAN总线发来的转速标定指令后，控制器进入转速标定状态，控制器发出的转速控制PWM信号占空比自动从5％～95％逐步升高，并随时通过转速传感器5对发动机转速进行监测，当发动机转速与设定的档位转速值相同时，控制器将此时所发的转速控制PWM信号占空比值写入控制器的EEPROM中，当第十档转速PWM信号占空比值记录完毕时停止转速标定，并通过CAN总线向显示控制器发出标定完比的信号。本功能使得挖掘机的发动机转速控制机构在装配或维修后不需人员调零，减轻装配和维修人员的转速调试难度。
自动怠速功能当控制器接收到控制面板自动怠速开关8发出的控制信号(图4_25)后，若先导压力开关11处于断开状态达到5秒钟，如果这时发动机转速高于1280r/min，发动机转速将自动降至1280r/min以节省燃油。此时，若进行作业或行走操作，先导压力开关闭合，发动机转速自动恢复到先前的工作转速。
手动怠速功能控制器接到控制面板手动怠速开关9发来的信号(图4_25)后，若发动机转速不在怠速档(一档)，则立即降至一档的转速，节省燃油。取消手动怠速按键开关的信号后，发动机转速立即恢复到先前的工作转速。
防熄火功能在二档到九档工作时，每个档位的发动机转速都对应着一个发动机的输出功率，这时控制器给主泵功率控制比例电磁阀10也是按档位发出的相应固定电流值，使泵吸收的功率略小于相应档位发动机输出的功率。当在某种情况下发动机掉速过大时，导致输出功率下降过大，若这时控制器发出的电流不变，则泵的功率仍保持原来设定的功率，就会因泵吸收的功率超过发动机的输出功率而导致发动机熄火。本控制器通过将发动机转速传感器5检测到的发动机转速与预设档位转速对比后，若转速降低超过250转，自动降低给10主泵比例电磁阀发出的电流值，降低主泵的吸收功率，防止发动机熄火，若发动机转速连续3个周期检测均为正常值，控制器将给主泵比例电磁阀10的电流恢复原设定值。
全功率匹配功能控制器接收到档位编码开关6的第十档编码时，进入发动机与液压系统全功率匹配状态，即发动机保持在最大转速下，发动机发出的功率为最大，这时液压系统可得到最大的工作功率。但挖掘机工作时的工况十分复杂，负荷忽大忽小，导致发动机转速忽大忽小而不能稳定输出最大功率，为使发动机保持在最大功率状态即最高转速状态，同时使液压系统将发动机输出的功率全部吸收用于作业，控制器通过发动机转速传感器5、主泵压力传感器13、负流量压力传感器14、先导压力传感器15随时检测发动机转速、主泵压力、负流量压力及先导压力，并应用前馈一反馈PID控制算法，控制发给主泵比例电磁阀10的电流，使泵吸收的功率随着挖掘机的作业负荷变化而变化，从而将发动机的转速稳定在最大转速上，保证液压系统得到发动机提供的最大输出功率。采用本控制系统后，操作人员不需要考虑发动机与液压系统的匹配，控制器自动控制液压系统的吸收发动机的功率，一方面使发动机功率得到最大限度的发挥，另一方面当遇到突发负荷增大的情况时限制液压系统的输出功率，保证发动机的运转平稳，从而获得最大作业效率。
防过热功能现有挖掘机对发动机出现过热时，一般通过仪表显示或声光警报提醒操作人员进行处理，本控制器通过发动机水温传感器16采集到的进行分析，在水温出现过热时，将水温数据通过CAN总线发到显示控制器上报警以提醒操作人员，若操作人员未作处理，发动机继续过热，控制器将发给发动机转速控制器7的转速控制PWM信号占空比降低，使发动机转速降低，直至怠速，当水温传感器采集到的水温低于警报温度后，控制器将发给发动机转速控制器的转速控制PWM信号恢复到原先的占空比值，自动恢复正常转速。
瞬时增力功能在作业中突然遇到大的载荷时，操作人员可按下瞬时加力开关22，控制器检测到瞬时加力开关的动作信号(图4_27)后，立即向瞬时增力电磁阀21发出持续8秒钟的高电平动作信号(图4_30)，使液压系统功率瞬时提升9.4％。由于液压系统功率不允许连续提升，控制器每次向瞬时增力电磁阀发出8秒钟的动作信号后，10秒钟内若再次检测到瞬时增力开关的动作则不再作出响应。
精确监测功能控制器通过转速传感器5、主泵压力传感器13、负流量压力传感器14、先导压力传感器15、发动机水温传感器16、发动机机油压力传感器17、液压油温传感器18、燃油油位传感器19及空气温度传感器20，实现对作挖掘机工作时的发动机转速、主泵压力、负流量压力、先导压力、发动机水温、发动机机油压力、液压油温度、燃油油位及环境空气温度进行精确测量。
GPS定位功能控制器通过GPS天线23接收GPS全球定位系统的定位信息。
移动通讯功能控制器通过GSM全球数字移动电话系统天线24以GSM短信方式或GPRS方式将所有采集数据发送到中央信息中心，实现整机工况和定位信息的实时远程监测；并接收控制中心的控制信息，实现远程禁止起动、强制怠速等控制功能。
本控制器采用模块化设计，整体安装在一个控制箱壳体25中，具有较高的集成度。GPS定位功能和移动通讯功能为即插即用模块，可根据实际需要随时增减，增加了使用的灵活性。该系统的技术含量很高，并具有很强的控干扰能力，完全满足现有控掘机使用需求。
随着单片微机技术和传感器技术的飞速发展，利用微机技术和传感技术实现基于CAN-BUS技术下的集成功率匹配、精确工况测量、全球定位及远程监测与控制于一体的集成挖掘机控制器，不仅是一种大胆的尝试，也为未来挖掘机控制系统的开发，包括机群管理、远程故障系统的应用等提供了广泛的可能。
电路工作流程如下微处理器1通过P0口读入A/D转换后的数据，通过P3口读入所需的逻辑信号，通过P4口从CAN_BUS总线共享微处理器2的数据。经过CPU处理运算后，通过P1口输出PWM信号经功率放大后去驱动主泵比例电磁阀和转速控制器。
微处理器2通过P0口读入A/D转换后的数据，通过P3口读入GPS和GSM信息，通过P4口从CAN_BUS总线共享微处理器1的数据。经过CPU处理运算后将系统所需的数据通过CAN_BUS总线共享。
CAN全称为总线控制器局部网Control area net work。
权利要求1.一种挖掘机全功率控制器，其特征在于在壳体(25)内安装有至少一个与外部控制总线连接的微处理器，微处理器的P0口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接；微处理器的P3口与逻辑模块相接，逻辑模块同时连接有编码开关和电平转换器，电平转换器接到外部控制开关；微处理器输出信号接到外部主泵比例电磁阀、转速控制器或无线数据收发模块。
2.根据权利要求1所述的挖掘机全功率控制器，其特征在于所述的微处理器采用两个，其中一个微处理器的P1口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接，微处理器的P3口与逻辑模块相接，逻辑模块同时连接有编码开关和电平转换器，电平转换器接到外部控制开关，微处理器输出信号接到外部主泵比例电磁阀、转速控制器；另一个微处理器的P1口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接，微处理器输出信号接到无线数据收发模块。
3.根据权利要求2所述的挖掘机全功率控制器，其特征在于所述的无线数据收发模块是采用GSM全球数字移动电话系统模块。
4.根据权利要求2所述的挖掘机全功率控制器，其特征在于所述的无线数据收发模块是采用GPS全球定位系统模块。
专利摘要一种挖掘机全功率控制器，其特点是在壳体(2)内安装有至少一个与外部控制总线连接的微处理器，微处理器的PO口与A/D转换器连接，A/D转换器与外部传感器相接；微处理器的P3口与逻辑模块相接，逻辑模块同时连接有编码开关和电平转换器，电平转换器接到外部控制开关；微处理器输出信号接到外部主泵比例电磁阀和转速控制器或无线数据收发模块。
文档编号E02F9/20GK2837393SQ20052020021
公开日2006年11月15日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者蔡登胜, 孙金泉, 张旋, 章二平, 罗维 申请人:广西柳工机械股份有限公司