摘要：為了有效地控制單斗液壓挖掘機在工作過程中的能量損失、減少液壓系統的發熱、改善工作性能，設計了一種單斗液壓挖掘機分工況節能控制系統。該控制系統采用負荷傳感，由微機判斷挖掘機的工作狀態，并據此控制發動機而達到節能的目的。該系統具有工況控制、短期超載控制、自動怠速控制、溢流控制等功能。
單斗液壓挖掘機是重要的工程機械，具有作業靈活方便、適應范圍廣等優點。但由于單斗液壓挖掘機作業工況復雜、作業過程中負荷變化頻繁、變化范圍大，因而存在著不少環節的能量損失，其中主要有：發動機—變量泵系統的非經濟性匹配運行產生的損失、液壓系統壓力油的流量損失和壓力損失。這些損失不僅浪費了能量，而且引起液壓系統發熱，工作性能惡化。為此，節能控制已經成為液壓挖掘機的重點發展方向之一。
隨著電子技術及微型計算機（單片機）技術在控制領域中的廣泛應用，將液壓挖掘機與電子技術、信號處理、預警技術及微型計算機有機地結合起來，對液壓挖掘機實現在線工況檢測、自動控制、故障診斷，可以達到節能和減輕司機勞動強度、提高工作效率的目的。
目前國外各大公司的挖掘機產品均不同程度地配備了電子節能控制系統，，如德國O&K公司的PMS系統、Link-Belt的CAPS系統；美國卡特皮勒的EPC系統；日本日立的OHS系統、粘松的OLSS系統、加藤的APC系統、神鋼的ITCS系統；韓國大宇的EPOS系統等。
筆者針對上述挖掘機能量損失情況，采用單片機，以液壓系統的壓力為判斷信號，來判斷液壓挖掘機的工作狀態，進而由步進電機控制發動機的油門，從而使油門的開度始終處于適應負載的合適值上，達到節能的目的。
1 系統的組成
系統是在不改變液壓系統和發動機內部結構的前提下進行的，其硬件框圖如圖1所示。
本節能控制系統采用了負荷傳感，即以液壓系統壓力為判斷信號，判斷挖掘機的工作狀態，由微機根據挖掘機所處的不同狀態，通過控制步進電機的輸入出，進而控制發動機油門，使發動機穩定在要求的轉速附近，以達到節能和實現其它功能的目的。
由硬件框圖可知，控制系統硬件的系統由單片機、I/O接口電路、A/D轉換電路、信號調理電路、驅動電路、顯示報警和光電隔離電路等部分組成。
1.1 單片機系統
單片機采用美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機。該芯片不僅具有MCS51系列單片機的所有特性，而且片內集成有2K字節的電擦除閃存（Flash ROM），價格低，目前性能價格比較高的單片機芯之一。
AT89C51的工作頻率為6～40MHz。本系統利用單片機的內部振蕩器外加石英晶體構成時鐘源，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，通過設備其命令狀態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、動力模式選擇開關和參數設定開關等組成。
其中，壓力變送器（CYR-1A型）負責采樣液壓系統的壓力（兩路），經A/D轉換后輸入89C51，經過分析處理，來判別挖掘機的工作狀況，發出相應的控制指令。
速度傳感器（磁電式）負責采樣發動機的轉速，作為系統的反饋信號。由于磁電式傳感器的信號較弱，需要設計調理電路（轉換成標準的TTL）。另外傳感器安裝在挖掘機主軸齒輪（130齒）附近，如果直接接到89C51的中斷口（INT0），會使系統頻繁中斷，89C51工作繁忙，因此需要分頻。本系統直接利用了81C55中的14位減數計數器進行130分頻，相當于每轉來一個脈沖，避免了上述現象。
油門開度傳感器檢測油門的位置，以便于發動機點火起動。它與油門的調速拉桿轉動的角度對應，將其轉換為電壓信號，與內部程序設定值進行比較，打開鑰匙開關，控制系統驅動步進電機帶動油門的調速拉桿從零位調到起動位置。
系統設有高、中、低三個動力模式選擇開關，相應的發動機功率為全功率的100%、88%和65%.當司機根據工作需要選定某一開關，計算機即可控制發動機使其穩定在相應的動力模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時也是經濟動力模式檔，用該檔工作時，發動機-液壓泵系統處于最經濟的匹配工作狀態。
另外，系統還設計了對運行參數如液壓系統的報警壓力與極限壓力、系統的采集時間、PID控制參數等進行在線修改的功能。利用EEPROM的存儲功能進行保存，以便下次開機時，系統仍按著調節好的參數運行。操作者只要按下參數設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，提高系統的可靠性。