基于EPEC2024的遥控挖掘机电气控制系统设计

2018-03-19佘江雪赵立宏王湘江邓搴

机械制造与自动化 2018年1期

佘江雪，赵立宏，王湘江，邓搴

(南华大学 a. 电气工程学院; b. 机械工程学院，湖南衡阳 421001)

0 引言

挖掘机作业范围广泛，是一种重要的工程机械设备，但是在一些复杂危险场合中，如核辐射环境中，工作人员的安全无法得到保障，因此对挖掘机实现无线遥控是最佳选项之一。国外对挖掘机的遥控研究较早，并取得了大量成果，目前国外一些研究所把重点放在基于穿戴式设备的挖掘机器人上[1]。我国对机器人技术在工程机械性能和质量提升的重要性认识较晚，受此影响国内对工程机械无线遥控研究与应用较国外落后。例如，浙江大学研制的遥控采掘机，可实现远程遥控、智能操作、节能控制、工况监测和故障诊断等多种功能。但是受限于成本，并未推广[2]。中南大学和山河智能联合研制的电控挖掘机可实现100 m的良好控制效果[3]。吉林大学机械学院以WY1.5挖掘机为基础，研制了具有近距离有线遥控和自动控制功能的挖掘机[4]。山河智能研发了具有遥控、在线学习、自动挖掘等功能的挖掘机样机[5]。

根据现有的无线遥控技术，本文提出了基于EPEC2024控制器的无线遥控挖掘机电气系统设计方案，为挖掘机遥控功能的实用化提供了一种思路，在应急抢险等装备研发方面具有研究价值。

1 挖掘机电气设计

1.1 总体电气设计

以某微型挖掘机为例，该挖掘机是机械液压先导控制系统，将其改造成电液比例控制系统，实现手动和遥控且手动优先控制。改造后挖掘机电气原理图如图1所示，即在已有电气系统的基础上增加2台EPEC2024控制器、遥控装置接收端、若干继电器、手动/自动切换开关、电液比例阀组、油门电机等电气元件实现。EPEC2024控制器和遥控器接收端采用CAN总线协议进行通讯。

当进行手动控制时，驾驶室操作起作用，遥控操作无效；当进行遥控操作时，需要工作人员按下安装在驾驶室内的手动/自动切换开关并拉起先导拉杆。这时，遥控有效，手动操作无效。在遥控状态时，EPEC2024控制器接收来自遥控器的指令信号，对柴油发动机而言，通过对启动、熄火继电器通电断电，对油门电机伸缩实现发动机的启停、转速调节；对工作和行走装置而言，通过输出PWM电流信号，控制电液比例阀组动作，实现操作手柄的运动控制要求。与此同时，控制器实时采集水温、转速、燃油液位量、变量泵压力值等传感器数据，并传输至遥控器显示屏供操作人员及时了解挖掘机工作状态信息。

图1 挖掘机电气原理图

1.2 控制器简介

EPEC2024控制器是车载PLC设备，主要用于工程机械领域。该控制器具有52路I/O引脚，且为一针多用，用户可根据需求对针脚功能进行配置，其中PWM输出为24路，电流反馈接口为4路[6]。

EPEC2024控制器支持CANopen协议和CAN2.0B协议。文中选用CAN2.0B通讯方式。

需要注意的是挖掘机的电瓶电压是12 V，而EPEC2024的推荐电压是24 V，为保证系统正常工作，通过升压模块为EPEC2024提供工作电压。

1.3 电液比例阀的油路及电路设计

挖掘机的电液比例阀组采用HCEV31系列电液比例减压阀。EPEC2024控制器通过改变PWM信号的占空比改变比例阀驱动电流的大小，比例减压阀的输出压力也随之改变，从而改变先导油压，由先导油液控制换向阀，最后实现工作装置的控制。为不改变原液压先导系统，以动臂控制油路为例如图2所示，通过接入三通梭阀，实现电液先导控制系统和机械先导系统的并存。

挖掘机的液压缸或液压马达的动作实现，如对斗杆控制，需要2个比例阀分别实现斗杆的内收和外摆。整个系统的控制对象分别为：动臂、斗杆、铲斗、回转平台、左右履带和推土铲，所以共需要增加14路电液比例减压阀。

1—电液比例减压阀；2—三通梭阀；3—动臂液压缸；4—主阀；5—手柄先导阀；6—液压泵图2 动臂控制油路简图

为提高控制精度，将驱动比例阀的电流反馈回EPEC2024控制器。由前面的分析可知挖掘机共有14路比例阀，而每台EPEC2024只有4路反馈电流端口。由于换向阀每次只能实现一个动作，所以每次只有一个线圈得电，即2个比例阀可以共用一个反馈电流端口。为防止线圈断电后产生感应电动势对控制器EPEC2024的PWM输出端口产生影响，在每个比例阀的线圈上并联续流二级管。控制电路图如图3所示。

图3 电液比例减压阀控制电路图

1.4 挖掘机启动控制电路设计

在原挖掘机中，柴油发动机的启动功能是通过钥匙开关实现。钥匙开关顺时针第一档是上电挡，即ACC和Br端从电瓶处得电；顺时针转动第二档是启动档，即ACC、C和Br端得电。

需要注意的是，在实现对挖掘机遥控启动前，需要手动对挖掘机上电，所以只需要在C端增加一个24 V的继电器即可完成上述功能。如图4所示，当DO端有效时，控制器输出24 V高电平，继电器得电，直接通过EPEC2024给启动线路提供12 V电压。需要注意的是，原挖掘机有防重启保护功能，即发动机启动后，DO可以一直有效，不会危害挖掘机电路。

图4 挖掘机启动控制电路

1.5 挖掘机熄火控制电路设计

在原挖掘机中，熄火功能是通过熄火电磁阀实现。挖掘机上电的瞬间，熄火电磁阀得电将燃油油路打开，为发动机启动作准备；当需要熄火时，将熄火电磁阀断电，燃油油路断开，停止为发动机供油，挖掘机熄火。

基于上述分析，改造后的熄火控制电路如图5所示。将熄火继电器的搭铁端接EPEC2024控制器的DO端，当DO端有效时，端口接地，二级管导通，熄火继电器动作，熄火电磁阀上电；当DO端无效时，输出24 V，二级管截止，熄火继电器断电，发动机熄火。

图5 熄火控制电路

1.6 挖掘机先导控制电路设计

在原挖掘机中，操作手通过先导拉杆的提降实现对先导油路的通断控制。当提起先导拉杆时，先导开关断开，先导继电器断电不动作；当放下先导拉杆时，先导开关闭合，先导继电器得电动作，先导阀导通，定量泵实现先导油路供油。

根据上述分析，将先导控制电路改造如图6所示。当操作手需要遥控操作时，需先将先导开关断开后按下切换开关，EPEC2024控制器检测到高电平后，遥控模式有效。在遥控端按下先导开关，DO端接地，先导继电器得电动作打开先导油路。

需要注意的是，在电气设计中为实现发动机不熄火，将急停开关安装在先导控制电路处。

图6 先导控制电路

1.7 挖掘机传感器控制电路设计

对于燃油位置传感器、水温传感器而言，工作原理是将物理量转化为电阻变化值进行测量。在原挖掘机中安装有燃油位置传感器和水温传感器，所以在遥控状态下，通过继电器将传感器线路接入控制器中。因为EPEC2024控制器只能测量电压值和电流值，不能测量电阻值，所以采用电阻分压方式将电阻值转化为电压值进行测量，电路图如图7所示。

对于发动机转速而言，因为EPEC2024只能识别脉冲信号的上升沿，所以采用霍尔式转速传感器直接测量柴油发动机飞轮转速；对于变量泵的压力值，直接采用压力传感器进行测量。

图7 传感器控制电路

1.8 油门电机控制电路设计

将原挖掘机的手动拉线式油门控制改为油门旋钮控制，即控制器接收油门旋钮挡位信号后，控制油门电机伸缩拉动油门拉杆实现柴油发动机的全程调速。

直线电机选用KECM-1524油门马达。其控制电路如图8所示。当DO端无效时，即DO接地，KM1和KM2不动作，油门电机RED端接控制信号(PWM)，BLUE端接地(GND)，电机收缩拉动油门拉杆向发动机转速增加的方向移动；当DO端有效时，输出24 V高电平，油门电机BLUE端接控制信号(PWM)，RED端接地(GND)，电机延伸拉动油门拉杆向发动机转速降低的方向移动。

图8 油门电机控制电路

1.9 其他功能的电路设计

为实现挖掘机行走快慢、喇叭的无线远程控制，在行走控制电路和喇叭控制电路处，增加相应的继电器。在遥控模式下EPEC2024控制器接收控制指令后，对相应端口输出高电平有效，实现对行走快慢和喇叭功能的控制。

1.10 遥控装置

遥控装置系统可以实现1 000 m以内的视距遥控。在遥控端，在发送控制指令的同时操作手可通过显示屏查看挖掘机状态信息；在接收端通过CAN总线与EPEC2024控制器实现数据交换。

2 总线通讯

在工程机械中使用CAN总线技术，可实现数据集中化处理，从而减少线束数量，缩小了布线空间，大大提高了系统的可靠性和可扩展性[7]。在遥控挖掘机电气控制系统中采用CAN2.0B总线协议进行通信，CAN报文形式为标准格式。其通讯网络基本结构如图9所示。

图9 遥控挖掘机通讯网络

当挖掘机进入遥控模式后，启动CAN总线，系统自动将遥控器的控制指令以CAN标准报文形式发送给EPEC2024控制器。与此同时，控制器循环读取各个传感器的信号值，经过相应计算后以CAN标准报文形式发送给遥控器接收端。各报文都有唯一ID地址，当多个节点同时向总线发送数据时，CAN总线控制器根据ID地址进行总线仲裁，ID最小的CAN报文获得总线使用权[8]。遥控挖掘机通讯网络的具体通讯协议如表1、表2所示。