基于电喷发动机的挖掘机控制系统设计

张 军，焦生杰，顾海荣，叶 敏，庞 斌

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

挖掘机作为土方施工的主要工程机械，随着中国经济的发展，其市场增长快速.2008年销量为7.75万台，而2011年销量已达17.5万台，其中中型挖掘机占市场份额的60%.挖掘机属于作业时间长、高能耗的工程机械，能量利用率只有30%左右［1］，大量的能量通过热量散失在油路中.如此数量巨大的挖掘机消耗的能源以及排放的污染物已对能源和环境造成了巨大的影响，因此节能研究成为挖掘机研究的热点.

由于成本和国内油品等原因，目前中型挖掘机的控制系统没有采用电喷发动机，而是采用机械调速式发动机作为动力源.机械调速发动机的缺点是排放大、燃油利用效率低，因此迫切需要开发具有更高排放标准的电喷发动机控制系统.因为机械调速发动机的喷油泵的供油量和喷油提前角会受转速影响，而转速在工作中总是处于一定的范围调节的，让柴油机的性能难以进一步提高.采用电喷控制的柴油机，喷油泵的循环供油量和喷油提前角不受转速的影响，让挖掘机工作在最佳的状态，从而进一步提高燃油效率，到达节能效果.

J1939是电喷发动机电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）的标准协议，它是在CAN2.0B协议的基础上对29位仲裁场标识符进行了进一步的定义发展起来的［2－3］.采用电喷发动机替代机械发动机，整机控制功能不变，仅是将油门电机控制机械式发动机转速改为使用控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线通讯方式来控制电喷发动机转速.由于J1939协议中含有负载扭矩的信息［4］，因此可在基于转速感应的泵吸收功率控制的基础上进一步用扭矩变化方式进行扭矩调整，实现挖掘机的功率匹配控制.尽管电喷发动机的控制协议J1939是开放协议，但是其应用到工程机械的具体细节报道不多，本文主要探讨电喷发动机的控制方式，为进一步开展挖掘机电喷发动机的控制系统打下基础.

1 挖掘机控制系统组成

该系统是针对常林机械有限公司生产的中型挖掘机ZG3210－9的功能需求进行设计的.挖掘机的整车控制包括液压控制和电器功能控制.国内中型挖掘机普遍采用负流量液压系统，整车的行驶和工作装置动作由驾驶室的手柄通过先导油路实现液压控制.电器系统主要功能包括：① 整车传感器参数的检测（油温、油位、工作装置检测及发动机基本参数的采集）；② 驾驶室按键处理（主要是显示器上的自动怠速、行走高低速、功率模式等功能按键的处理，以及扶手箱和手柄上的油门旋钮、机械怠速开关、增压开关、喇叭开关等输入功能键的处理）；③ 发动机控制（转速定位）；④ 液压油路控制（先导油路、增压油路、行走高低速等电磁阀的控制）；⑤ 整机发动机与泵的功率匹配控制（基于转速感应的泵扭矩调整控制）；⑥ 整车常规电路控制（雨刮、空调和灯等的控制）；⑦ 应急电路（独立于控制系统的发动机和泵的电路调整）；⑧GPS通讯管理；⑨ 显示系统通讯.

电器系统中的部分功能，可通过开关和继电器电路控制实现，如应急电路、雨刮等的控制，因此控制系统只需要负责整车参数采集、按键处理、发动机控制、先导油路控制、整机功率匹配控制和通讯功能.带有电喷发动机的挖掘机控制系统中，仅是发动机的转速控制方式和发动机的参数采集方式与现有的机械调速发动机不同，其余电路和功能相同.图1是电喷发动机控制系统的组成.整机控制器采用CAN总线的车载PLC（Programmable Logic Controller）控制器Hersmor G16，负责整车信息的采集和控制输出，控制器与外设通讯采用CAN总线协议.其中控制器的模拟输入量AI（Analog Input）包括油位、油温、油门挡位旋钮等，开关输入量DI（Digit Input）包括发动机预热监视、增压开关、先导手柄开关、机械怠速开关、空气滤清开关、整车行驶压力和工作装置的工作压力开关等.模拟输出量DO（Digit Ouput）包括行驶蜂鸣器、增压电磁阀和行驶高低速电磁阀的控制.脉宽调制输出量PWM（Pulse Width Modulation）主要是液压系统变量泵的比例阀.G16控制具备2个CAN口，与显示器和GPS模块用CAN1口连接.通讯协议是控制器区域网路高层通讯协议（CANOPEN协议），与电喷发动机用CAN2口连接，通讯协议是J1939协议.控制器的2个CAN口都兼容CAN2.0A和CAN2.0B的协议模式，对G16的通讯端口进行参数配置即可实现需要通讯协议要求.其中CANOPEN的通讯报文ID（Identity）一般采用标准帧11位，它遵循CAN2.0A标准；J1939通讯报文ID为29位，遵循CAN2.0B标准.因此，这2种通讯接口的CAN线不能互连，需要分别使用对应的CAN接口.

2 电喷发动机参数获取

2.1 J1939协议格式

J1939协议是美国机动车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）组织发布并以CAN2.0B技术规范为基础的串行通信协议标准，采用双绞线通讯，双绞线阻抗为120Ω，通讯波特率为250kbps.它对CAN2.0B的协议扩展帧进行重新定义，其数据格式如表1所示，包括优先级（P）3b，保留位（R）1b（默认为0），数据页标识（DP）1b，PDU（Protocol Data Unit）格式（DF）8b，PDU 特定域（PS）8b、源地址（SA）8b和数据域（DATA）最多8B数据.其中 R，DP，PF和 PS组成的 PGN（Parameter Group Number）用来定义传输的命令、信息、格式及编码，独立于源地址.SAE1939协议中需要发送Request命令的报文就需要向电喷发动机ECU发送PGN信息以得到执行报文的应答.

表1 J1939协议格式Tab.1 Frame format of J1939

图1 基于电喷发动机的挖掘机控制系统组成Fig.1 Schematic diagram of electronic controlled system of excavator with fuel injection engine

J1939协议中传递的参数包括传输信号、离散参数（测量值）、控制命令（状态值），其中传递的测量值（如发动机参数）并不是实际的物理值，需要通过“物理值＝比例系数×传递值＋偏移量”公式计算得到，比如J1939协议中发动机的工作时间存储的定义就需要4B内容再乘上系数获得.

2.2 电喷发动机的主要参数

在机械式发动机的挖掘机整车控制系统中需要采集发动机的转速、机油压力、水温等信息，通过油门旋钮的设定值控制发动机达到指定的转速.电喷发动机带有ECU控制器，可以通过CAN总线通讯设置发动机为转速或扭矩控制模式.除了CAN通讯控制外，电喷发动机提供模拟量（如脚踏板0～5V的信号）直接输入的控制方式，这种模式设置的转速比通讯模式优先级高，可用于应急电路中，如在控制系统失效的情况下控制发动机继续工作.

电喷发动机的ECU提供丰富的发动机信息，包括发动机转速、润滑机油压力、冷却液温度（水温）、燃油温度、涡轮增压油温、负载扭矩百分比、发动机工作时间等信息，另外提供设定转速范围内的工作参数统计.发动机的整机参数可以通过J1939的报文解析获得，其中有发动机转速设定、转速读取、机油压力、水温和工作时间等信息，它们都包含在报文 TCS1＿ENG，EEC1，EEC2，EET，EFL/P和EHR中.各报文信息都有更新时间限制的要求，在满足更新时间的前提下可通过报文ID按照协议格式进行解析获得所需要的参数.TCS1＿ENG和EHR报文的信息读取有条件限制，TCS1＿ENG报文需要发动机的SAE＿ID信息，而EHR报文需要通过发送报文请求才能获得报文信息.表2是常用参数的报文表.由于每个报文含有8B数据，表中仅列出发动机扭矩百分比、发动机设定转速、发动机冷却液温度、机油压力和发动机总工作时间等重要参数及其偏移量.EHR的更新周期是根据请求发送命令的周期确定，发动机ECU不主动发送该报文，该报文主要是应答控制系统的请求，其主要参数是发动机的累计工作时间.每个报文按照1～8 B的顺序排列，其中发动机转速设定占用TSC1＿ENG报文的第2～3B，分辨率是0.12r·min－1，发动机设定扭矩在TSC1＿ENG报文位置是第4字节，分辨率是1%，范围是0～125%；转速设定和扭矩设定控制发动机时仅能选择其中1种方式，该报文的最小更新周期为10ms.发动机冷却液温度在EET报文的第1字节，分辨率是1℃，范围是－40～210℃，该报文的最小更新周期为1 000ms；机油压力在EFL/P报文的第4字节，分频率是4kPa，范围是0～1 000 kPa，该报文的最小更新周期为500ms；发动机总工作时间占用EHR报文的1～4B，分辨率是0.05h，该报文的更新周期根据请求命令的周期确定.

2.3 程序设计流程

根据J1939协议知EHR报文的参数读取需要先给发动机ECU发请求指令，请求命令的内容是该报文的PGN（PGN为参数组编号，是24位的值，用来识别CAN数据帧的数据属于哪一帧），方法是将PGN分成3B作为该请求报文的内容，按照请求发送的ID（16＃18EA0000）将该报文发送给电喷发动机ECU，发动机ECU收到该报文进行响应回发EHR（ID为16＃18FEE500）报文，控制系统按照协议解析EHR报文中的发动机累计工作时间.发动机转速控制设置是直接通过发送TSC1＿ENG（ID为0C000000＋SAE＿ID）命令给发动机ECU即可，要根据TSC1＿ENG报文要求将目标转速拆分成高低2B，并选择转速控制模式，报文的高4B设置为16＃FF即可.其余报文参数都是直接根据报文的ID进行报文读取，按照协议解析即可.因此，电喷发动机的参数分为读取和设置2种情况，只对这2种情况功能设计进行介绍.考虑到每个报文都有更新周期，不同报文有不同时间的定时计数函数，定时值根据J1939协议确定.图2是报文接受和发送的流程图.由于通讯参数都是按照报文发送，每个报文最多发送8B，有些物理参数只包含1B或一个字节的某些位，协议解析就将对应位置参数读取，然后按照分辨率进行标定.有些参数如工作时间，含有多个字节，则需要进行字节拼接.协议打包则按照解析的相反工作打包成一个报文.

表2 电喷发动机常用参数的报文表Tab.2 Important parameters position at J1939frame of fuel injection engine

图2 J1939协议数据包的读取和发送流程图Fig.2 Receive and send program flow chart of J1939

3 电喷发动机控制的功能试验

采用3S公司的CoDeSys平台和Hersmor G16控制器开发了电喷发动机控制程序，系统功能主要包括：①CAN2.0B通讯功能使能控制，因为J1939协议通讯符合CAN2.0B标准，设置CAN通讯波特率为250kbps和开启120Ω的终端电阻配置函数；② CAN2.0B通讯参数的读写功能函数，用CAN20B＿RX和CAN20B＿TX函数获取和发送指定报文；③J1939协议的解析和打包；④ 发动机主要参数的打包，将各主要报文的发送和读取信息的功能函数封装.

为了验证系统功能的正确性，在带有电喷发动机的机器上进行了控制实验.控制器G16与发动机的J1939诊断线缆相连，用USB/CAN模块将控制器与电脑连接，通过PCANView软件或者CoDeSys下的联机平台监测主要的参数.程序中设置TSC1＿ENG，EET，EFL＿P和EHR等报文的更新周期分别为10ms，5s，5s和3s.

图3是在CoDeSys联机界面下的试验结果，试验机型是康明斯发动机，其SAE＿ID为1，打包的功能函数名称是SAEJ1939，将发动机主要参数的读取、发送和请求命令集成.试验时间为12月份，对设计的功能进行了验证试验，发动机目标转速设置（Set＿speed）为1 100r·min－1.通过图3知实际输出转速（Eng＿Speed）为1 105r·min－1，误差为5r·min－1，满足控制要求，比机械式发动机10r·min－1的误差优.该发动机的累计工作时间（Eng＿Total＿Hours）读取值为699，由于工作时间的精度是0.05h·b－1，因此实际发动机工作时间为34.95h.注意这个时间是发动机的历史累计时间，只要发动机工作就会累计计时.考虑到每台挖掘机出厂前都会有调试，因此这个时间不能直接用作统计挖掘机工作时间.发动机水温（Eng＿Coolant＿Temp）为36℃，此结果是在机器无负载和短时间测量值.由于是短时间的测试操作，发动机的温度还没有升上来.负载扭矩百分比（Eng＿Actual＿Percent＿Torque）为23%，可见测试是无载荷的.由于CAN控制器具备电压检测功能，系统采用双12 V电瓶，获得当前系统电压为27.65V，说明发电机工作正常.

图3 电喷发动机的功能试验Fig.3 Experiment of controlling fuel injection engine

按照挖掘机10挡油门的要求，对10挡转速进行了转速控制试验，均实现了发动机的控制功能.转速误差最大为5r·min－1，（机械发动机控制转速为10r·min－1），系统能正确控制发动机转速和读取发动机的各项参数.采用电喷发动机可以得到丰富的发动机参数，可在挖掘机整机功能中实现更好的暖机功能、过热保护以及故障诊断等功能.另外，可利用得到的发动机扭矩和转速信息实现双变量反馈的发动机与泵的功率匹配控制，进一步实现挖掘机的电控节能.考虑电喷发动机带有丰富的传感信息，可以方便建立各项参数的统计值，例如，对各挡位的负载百分比统计，将这些参数统计进行分析，可进一步用于设计较优的挖掘机控制系统.

4 结论

（1）对比现有机械式发动机的挖掘机控制系统的功能需求，设计了基于电喷发动机的挖掘机控制系统的功能原理图，确定了系统的输入输出端口功能和通讯协议；

（2）分析了电喷发动机ECU的J1939协议和参数报文，设计了发动机主要参数的解析函数，构建了基于CAN总线控制的电喷发动机控制系统，并进行了试验研究.试验结果表明设计的电喷发动机控制功能正确，能实现发动机的转速控制和各主要参数的解析.

（3）采用电喷发动机作为挖掘机或者工程机械的动力源是发展趋势，论文给出了电喷发动机的控制方法，并用CoDeSys平台完成了电喷发动机的控制系统，可以有效获得发动机的负载百分比，可以用此参数优化设计挖掘机的节能控制策略，对挖掘机或工程机械的电控节能研究具有一定的参考价值.

［1］张军，殷鹏龙，廖晓明，等.基于CAN总线的挖掘机电气控制系统设计［J］.中国工程机械学报，2010，8（3）：303－308.

ZHANG Jun，YIN Penglong，LIAO Xiaoming，et al.Electric control system design for medium-size excavators based on CAN bus［J］Chinese Journal of Construction Machinery，2010，8（3）：303－308.

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WU Jian，LI Yabin，LI Jing，et al.CAN bus of automotive driving force control system based on SAE protocol J1939［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2009，39（4）：855－858.

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