一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法

摘要

一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法，根据主泵、副泵的压力和设定的目标扭矩百分比，计算得出目标电流，同时，设定转速调节模块与扭矩调节模块相互转换的掉速值，当发动机的实时掉速值小于设定值时，采用扭矩调节模块对目标电流进行补偿调节，当发动机的实时掉速值大于设定值时，采用转速调节模块对目标电流进行补偿调节，将最终电流值输出给反比例减压阀，进而控制排量调节器改变主泵排量，从而实时控制主泵的输入功率。本发明简单、可靠、实用性强，兼有转速控制的快速性和扭矩控制的预测性的特点，可以有效避免发动机的严重掉速，避免了熄火的现象，提高了旋挖钻机的作业效率，确保了控制系统的运行稳定。

权利要求

1.一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将系统进行初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并进行报警，如果正常，向下继续执行；

步骤2：参数设定：设定发动机(7)在每个实际转速下的目标扭矩百分比；设定发动机(7)在每个目标转速下的允许掉速值；设定控制器(2)向反比例减压阀(4)的初始输出电流值，此电流值为反比例减压阀(4)的死区电流；

步骤3：数据采集：控制器(2)通过CAN总线从发动机ECU(3)读取实际扭矩百分比和当前实际转速；通过转速设定按钮(1)读取目标转速；通过主泵压力传感器(10)、副泵压力传感器(5)分别读取主泵(8)和副泵(9)的压力信号；

步骤4：进入步骤5.1；同时将读取的目标转速与实际转速作差，判断此差值是否超过当前目标转速下的允许掉速设定值，如果超过设定值，进入步骤5.2，如果没有超过设定值，则进入步骤5.3；

步骤5.1：提取主泵压力、副泵压力及当前实际转速下的目标扭矩百分比，根据当前实际转速下的目标扭矩百分比与转速-扭矩的关系，获得当前实际转速下的理论输出扭矩值，再根据公式：Ttar＝ηTthe，

计算得出当前实际转速下的目标扭矩值Ttar，其中，Ttar为目标扭矩值，Tthe为理论输出扭矩值，η为设定的目标扭矩百分比；

根据副泵(9)的压力-排量关系，得出副泵排量，再根据主泵压力、副泵压力，由公式V1＝(Ttar—KP2V2)/(KP1)，计算得出主泵排量V1，其中，V1、V2分别为主泵排量、副泵排量，P1、P2分别为主泵压力、副泵压力，K为转换系数；然后，根据主泵(8)的排量-控制电流曲线关系，可得发动机(7)当前实际转速下目标扭矩对应的输出电流值；

步骤5.2：进入转速调节模块：提取目标转速和实际转速，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则保持输出电流，如果没有超过设定值，则将输出电流清零；

步骤5.3：进入扭矩调节模块：提取目标扭矩百分比和实际扭矩百分比，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则将输出电流清零，如果没有超过设定值，则保持输出电流；

步骤6：将步骤5.1的输出电流值和步骤5.2的输出电流值或步骤5.3的输出电流值进行叠加整合；

步骤7：通过控制器(2)将叠加后的电流信号输出给反比例减压阀(4)，进而控制排量调节器(6)改变主泵(8)的排量，从而实时控制主泵(8)的输入功率，随后返回步骤3。

说明书

一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法，应用于旋挖钻机液压泵与发动机的功率匹配控制。

背景技术

[0002] 旋挖钻机是桩工机械技术领域的高新技术产品，是一种适合建筑基础工程中成孔作业的大型基础施工机械设备，广泛应用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基施工工程。随着市场的发展，用户对旋挖钻机的性能要求越来越高，不但要求其能够适应复杂工况，更应该具有节能特性。然而，提高旋挖钻机的性能，往往归结于提高控制系统的控制特性。旋挖钻机的控制系统主要包括电气系统、液压系统以及发动机的控制系统。旋挖钻机依靠发动机作为动力源，通过联轴器带动液压泵旋转，液压泵经过旋转后向液压系统输出流量，流量经过不同的阀组后，向各个执行机构的执行器输出动力，驱动执行器运动，从而完成各个机构动作，如动力头转动、钻杆钻进、钻杆加压、主卷提升及下放等动作。因此，如何匹配旋挖钻机控制系统的相关参数，使得整机的性能达到最优往往是一个难题。

[0003] 在旋挖钻机的实际施工过程中，当遇到剧烈波动的大负载时，发动机往往会出现严重掉速，甚至是熄火的现象。为了解决此问题，目前采用的方法是选用更大功率的发动机或者利用极限载荷控制技术对发动机的转速进行控制。选用更大功率的发动机时，发动机功率的大小需要根据负载的波动情况进行选择。为了安全可靠，需要大幅度增加发动机的储备功率，从而迫使设计者选择较大功率的发动机，但也带来了更多的问题，如成本增加、功率利用率低、整机体积庞大以及能耗过高等。另一种方法是采用极限载荷控制技术，极限载荷控制技术是指实时检测发动机掉速情况，并且设定一个目标值，当掉速达到这个目标值之后，开始减小液压泵的排量，从而减小液压系统的吸收功率，进而减小发动机的输出功率，防止发动机过载。然而，考虑到发动机自身固有的转速波动特性，即发动机在正常运行的过程中，在一定范围内的掉速或增速，都认为是发动机正常工作，因此，在应用极限载荷控制技术时，所设定的目标值必须大于发动机所允许的掉速值，由于这一特定限制，在控制过程中产生了控制的滞后性，从而发动机掉速的现象总是得不到很好的控制。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种成本低廉、操作简单，可以有效避免发动机严重掉速和熄火的现象，能够提高旋挖钻机的作业效率以及控制系统的稳定性的基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤1：将系统进行初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并进行报警，如果正常，向下继续执行；

[0007] 步骤2：参数设定：设定发动机在每个实际转速下的目标扭矩百分比；设定发动机在每个目标转速下的允许掉速值；设定控制器向反比例减压阀的初始输出电流值，此电流值为反比例减压阀的死区电流；

[0008] 步骤3：数据采集：控制器通过CAN总线从发动机ECU读取实际扭矩百分比和当前实际转速；通过转速设定按钮读取目标转速；通过主泵压力传感器、副泵压力传感器分别读取主泵和副泵的压力信号；

[0009] 步骤4：进入步骤5.1；同时将读取的目标转速与实际转速作差，判断此差值是否超过当前目标转速下的允许掉速设定值，如果超过设定值，进入步骤5.2，如果没有超过设定值，则进入步骤5.3；

[0010] 步骤5.1：提取主泵压力、副泵压力及当前实际转速下的目标扭矩百分比，根据当前实际转速下的目标扭矩百分比与转速-扭矩的关系，获得当前实际转速下的理论输出扭矩值，再根据公式：

[0011] Ttar＝ηTthe，

[0012] 计算得出当前实际转速下的目标扭矩值Ttar，其中，Ttar为目标扭矩值，Tthe为理论输出扭矩值，η为设定的目标扭矩百分比；

[0013] 根据副泵的压力-排量关系，得出副泵排量，再根据主泵压力、副泵压力，由公式[0014] V1＝(Ttar—KP2V2)/(KP1)，

[0015] 计算得出主泵排量V1，其中，V1、V2分别为主泵排量、副泵排量，P1、P2分别为主泵压力、副泵压力，K为转换系数；然后，根据主泵的排量-控制电流曲线关系，可得发动机当前实际转速下目标扭矩对应的输出电流值；

[0016] 步骤5.2：进入转速调节模块：提取目标转速和实际转速，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则保持输出电流，如果没有超过设定值，则将输出电流清零；

[0017] 步骤5.3：进入扭矩调节模块：提取目标扭矩百分比和实际扭矩百分比，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则将输出电流清零，如果没有超过设定值，则保持输出电流；

[0018] 步骤6：将步骤5.1的输出电流值和5.2或5.3的输出电流值进行叠加整合；

[0019] 步骤7：通过控制器将叠加后的电流信号输出给反比例减压阀，进而控制排量调节器改变主泵的排量，从而实时控制主泵的输入功率，随后返回步骤3。

[0020] 本发明的方法根据主泵、副泵的压力和设定的目标扭矩百分比，计算得出目标电流，同时，设定转速调节模块与扭矩调节模块相互转换的掉速值，当发动机的实时掉速值小于设定值时，采用扭矩调节模块对目标电流进行补偿调节，当发动机的实时掉速值大于设定值时，采用转速调节模块对目标电流进行补偿调节，将最终电流值输出给反比例减压阀，进而控制排量调节器改变主泵排量，从而实时控制主泵的输入功率。本发明简单、可靠、实用性强，兼有转速控制的快速性和扭矩控制的预测性的特点，可以有效避免发动机的严重掉速，避免了熄火的现象，提高了旋挖钻机的作业效率，确保了控制系统的运行稳定。

附图说明

[0021] 图1是本发明的硬件需求结构框图；

[0022] 图2是本发明的控制方框图；

[0023] 图3是本发明的流程示意图；

[0024] 图4是本发明发动机目标扭矩设定示意图；

[0025] 图5是本发明旋挖钻机主泵的排量-控制电流曲线示意图；

[0026] 图6是本发明旋挖钻机副泵的压力-排量曲线示意图。

[0027] 图中，1.转速设定按钮，2.控制器，3.发动机ECU，4.反比例减压阀，5.副泵压力传感器，6.排量调节器，7.发动机，8.主泵，9.副泵，10.主泵压力传感器，11.液压先导手柄，12.多路阀，13.各工作机构的液压执行器。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0029] 如图1所示的是基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法的硬件需求结构框图，硬件需求包含转速设定按钮1，转速设定按钮1通过电线与控制器2相连，所述控制器2通过CAN总线与发动机ECU3相连，所述发动机ECU3作为发动机7的控制部件安装在发动机7上，发动机7通过联轴器与主泵8、副泵9相连，所述主泵8与所述副泵9上安装有主泵压力传感器10和副泵压力传感器5，所述主泵压力传感器10和所述副泵压力传感器5分别通过电线与控制器2的输入端子相连，所述控制器2的输出端子与反比例减压阀4的信号输入口相连，所述反比例减压阀4安装在排量调节器6上，所述排量调节器6安装在主泵8的排量调节口上，主泵8和副泵9的输出油口分别与多路阀12相连，所述多路阀12的输入油口连接液压先导手柄11，所述多路阀12的输出油口分别与各工作机构的液压执行器13相连。

[0030] 如图2和图3所示，基于扭矩与转速复合控制的旋挖钻机功率匹配方法的具体步骤如下：

[0031] 步骤1：系统初始化：将系统进行初始化，检查系统工作是否正常，如果不正常，不向下执行，并进行报警，如果正常，向下继续执行；

[0032] 步骤2：参数设定：设定发动机7在每个实际转速下的目标扭矩百分比；设定发动机7在每个目标转速下的允许掉速值；如图5所示，设定控制器2向反比例减压阀4的初始输出电流值为200mA，此电流值为反比例减压阀4的死区电流，可根据实际测试获得，采用反比例减压阀4的原因是当系统出现故障，电流无法输出时，反比例减压阀4失去作用后，仍可以保证主泵8的流量输出，而不影响相关执行器的动作；

[0033] 步骤3：数据采集：控制器2通过CAN总线从发动机ECU3读取实际扭矩百分比和当前实际转速；通过转速设定按钮1读取目标转速；通过主泵压力传感器10、副泵压力传感器5分别读取主泵8和副泵9的压力信号；

[0034] 步骤4：进入步骤5.1；同时将读取的目标转速与实际转速作差，判断此差值是否超过当前目标转速下的允许掉速设定值，如果超过设定值，进入步骤5.2，如果没有超过设定值，则进入步骤5.3；

[0035] 步骤5.1：提取主泵压力、副泵压力及当前实际转速下的目标扭矩百分比，根据当前实际转速下的目标扭矩百分比与图4中示出的转速-扭矩关系图，获得当前实际转速下的理论输出扭矩值，再根据公式：

[0036] Ttar＝ηTthe，

[0037] 计算得出当前实际转速下的目标扭矩值Ttar，其中，Ttar为目标扭矩值，Tthe为理论输出扭矩值，η为设定的目标扭矩百分比。

[0038] 根据图6所示的副泵9的压力-排量关系图，得出副泵排量，再根据主泵压力、副泵压力，由公式：

[0039] V1＝(Ttar—KP2V2)/(KP1)，

[0040] 可以计算得出主泵排量V1，其中，V1、V2分别为主泵排量、副泵排量，P1、P2分别为主泵压力、副泵压力，K为转换系数；然后，根据图5所示的主泵8的排量-控制电流曲线关系，可得发动机7当前实际转速下目标扭矩对应的输出电流；

[0041] 步骤5.2：进入转速调节模块：提取目标转速和实际转速，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则保持输出电流，如果没有超过设定值，则将输出电流清零；

[0042] 步骤5.3：进入扭矩调节模块：提取目标扭矩百分比和实际扭矩百分比，将两值作差，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出电流信号，再次判断发动机掉速是否超过允许设定值，如果超过设定值，则将输出电流清零，如果没有超过设定值，则保持输出电流；

[0043] 步骤6：将步骤5.1的输出电流值和5.2或5.3的输出电流值进行叠加；

[0044] 步骤7：将叠加后的电流信号通过控制器2输出至反比例减压阀4，进而控制排量调节器6改变主泵8的排量，从而实时控制主泵8的输入功率，随后返回步骤3。