混合臂式高空作业车控制系统探讨

曹丹，祁隽燕

混合臂式高空作业车控制系统探讨

曹丹1，祁隽燕2

（1.徐州徐工随车起重机有限公司，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学机电工程学院工程图学中心，江苏 徐州 221116）

高空作业车作为一种载人空中作业装置，其系统安全性和智能性一直是业内人士关注的焦点和评价整机性能的重要指标，文章结合目前国内高空作业车主流机型——混合臂式高空车的结构特点，重点介绍一种基于CAN总线的智能控制系统。按照模块化设计的原则，详细介绍了工作平台电液自动调平、底盘自动操作控制等智能控制模块，并对其中的关键技术进行了详细的探讨。该系统可有效提升整车的安全性和操控的智能性，为同类产品设计提供参考方案，具有较好的实用价值。

混合臂式高空作业车；智能控制；CAN总线

引言

高空作业车按工作臂的型式可分为：垂直升降式、折叠臂式、伸缩臂式和混合臂式四种型式的高空作业车。垂直升降式高空作业车只能在垂直方向上升降，承载力强，但作业范围小、作业高度低；折叠臂式高空作业车工作臂一般采用上下折叠的方式，工作臂的连接采用铰接结构，工作时工作臂交替上升，操作频繁，安全性较低；伸缩臂式高空作业车工作时套叠的工作臂同步伸出，可有效增加作业高度和工作半径，效率较高；混合臂式高空作业车是折叠臂式和伸缩臂式高空作业车的结合，其工作臂之间既有铰接，也有伸缩，它结合了折叠臂式和伸缩臂式高空作业车两种结构型式的优点，工作性能较好，是我国高空作业车市场最近几年和未来发展的方向。混合臂式高空作业车是机电液一体化技术集成度较高的设备，随着近年混合臂式高空作业车的快速发展，国内混合臂式高空作业车的智能控制系统也得到了长足的进步，本文结合国内主要生产作业高度超过30 m的混合臂式高空作业车智能控制的特点，对混合臂式高空作业车的智能控制进行了详细的论述[1]。

1 智能控制系统总体方案设计

根据混合臂式高空作业车的工作特点及控制方式，其智能控制系统一般满足以下要求：

（1）工作平台能随着工作臂的角度变化而时刻处于水平状态，同时在工作平台的倾斜角度达到危险状态时能及时报警并启动相关保护措施，即混合臂式高空作业车的工作平台自动调平控制模块。

（2）混合臂式高空作业车工作时要用支腿将车载式汽车底盘支撑起来直至轮胎离地，同时被支撑起来的底盘要保持水平；在狭窄的路面和居民小区内等不宽敞的地方，此时可将支腿半伸、全伸或进行单边作业，以适应施工现场；也可根据平台载荷的分级将工作幅度分为若干等级，以扩大平台工作半径等，即混合臂式高空作业车的底盘自动操作控制模块。

（3）在工作平台内能控制除支腿之外的所有动作，即工作平台操作控制模块。

（4）在工作平台内能为操作者提供一个良好的操作界面和环境，同时可以将全车的工作状态，如发动机的转速、水温、机油压力，工作平台的高度、幅度，平台的载荷，底盘的倾斜角度，故障代码等信息以图表化和数字化的方式显示出来，供操作者判定，即工作平台人机交互控制模块。

（5）转台处能控制除支腿之外的所有动作，即转台操作控制模块。

（6）在底盘处能为操作者提供一个良好的操作界面和环境，同时可以将全车的工作状态，如发动机的转速、水温、机油压力，工作平台的高度、幅度，平台的载荷，底盘德倾斜角度，故障代码等信息以图表化和数字化的方式显示出来，供操作者判定，即底盘人机交互控制模块。

根据混合臂式高空作业车上述功能要求，按照模块化的设计原则，控制系统采用基于CAN总线的分布式PLC可编程控制器设计，其控制方案如图1所示[2]。采用分布式结构，可有效简化线路的连接，具有实时性，高可靠性，可实现控制系统的数字化、模块化，并可保持系统的可扩展性，为混合臂式高空作业车的远程化控制铺平道路。该系统由两条遵循不同CAN协议的总线组成，一条为CANOPEN网络，一条为SAEJ1939网络，控制器一般具有符合CAN2.0A和CAN 2.0B两个标准的通讯接口，从而为网络连接提供了方便。

图1 系统模块设计架构

2 智能控制系统模块化设计

2.1 工作平台自动调平控制模块[3]

该模块通过安装在工作平台下部的倾角传感器，将工作平台与水平面的倾角变化及时反馈给调平控制器，调平控制器及时处理这些信息并发出指令给执行元件，执行元件动作并带动工作平台向减小倾角变化的方向运动，其控制原理为：混合臂式高空作业车不工作时，工作平台处于水平状态，其底平面与水平面的倾斜角度在允许的±0.5°以内，系统没有调平动作输出。工作时，伸缩臂或举升臂的变幅动作将引起工作平台的位置变化，也就是工作平台底平面与水平面的倾斜角度发生变化，安装在工作平台底平面的单轴双向倾角传感器将检测到的角度信号转换成CAN信号输出，控制器将信号进行解析，并与程序内的设定值进行比较并判定方向。当差值达到设定值时，控制器触发动作，驱动执行元件动作，并带动工作平台向减小的方向摆动，直至在±0.5°以内，系统重新进入平衡状态。当倾斜角度再超过±0.5°时，系统将重复上述过程。

2.2 底盘自动操作控制模块

该模块包括水平支腿分级自适应幅度限制和底盘自动调平两部分，主要功能为在进行上车工作之前将下车底盘水平支腿按设定要求调整到需要状态，并将底盘通过垂直支腿调整到水平状态。

水平支腿分级自适应幅度限制就是根据水平支腿伸出量和工作平台载荷来自动调整工作平台最大作业幅度，目前高空作业车水平支腿伸出量主要有支腿不伸、支腿半伸和支腿全伸，有的国外高档车（如德国RUTHMANN）支腿还具有四分之一伸和四分之三伸，为了满足水平支腿分级的需要，往往采用拉线传感器来代替常用的接近开关或行程开关；工作平台载荷一般分为三档，分别为100 kg、100 kg～250 kg、250 kg～400 kg三个载荷档次，每个载荷档次根据不同的水平支腿伸出量对应不同的作业曲线。确定支腿分级方式后，控制器将臂架测长传感器、倾角传感器和主变幅油缸压力传感器送来的长度信号、角度信号和压力信号进行处理、运算，并将运算结果与控制程序内预先设定的幅度和力矩曲线进行比较，当运算结果超出允许曲线时，控制器输出信号并切断相应的动作，以实现幅度和力矩限制，满足水平支腿分级自适应幅度限制的需要[4]。

底盘自动调平通过安装在底盘下部的双轴倾角传感器，将底盘与水平面的倾角变化反馈给控制器，控制器及时处理这些信息并发出指令给执行元件，执行元件动作并带动底盘向减小倾角变化的方向运动。控制过程如下：确定支腿分级方式后，按下底盘自动调平按钮，水平支腿按设定要求伸出到位后，四个垂直支腿开始动作，此时底盘自动调平开始；底盘调平采用四点支承式底盘平台的调平方法，双轴倾角传感器与底盘平台的一条边线平行安装，垂直支腿在上升过程中完成轮胎离地后，控制器根据双轴倾角传感器测出的水平倾角可以判断出四个支承点的高低，找出最高点，并输出PWM脉宽调制信号去驱动相应的比例阀，比例阀开通后液压油通过比例阀去驱动垂直油缸完成相应的动作。调平过程一般采用升调平技术，按照只升不降的原则，先进行横向调平，再进行纵向调平，直至把其余三个支承点升高至与最高点处于同一水平面后，双轴倾角传感器轴和轴检测出来的倾斜角度在±0.3°以内，调平过程结束。由于地面和轮胎存在变形，该系统采用粗调和精调两次调平的方式，在轮胎离地后进行调平，若倾斜角度在≥±0.5°，进行第一次调平－粗调，各支腿的运动速度较快；若倾斜角度在＜±0.5°，进行第二次调平－精调，各支腿的运动速度较慢，当检测出来的倾斜角度在±0.3°以内时调平结束。

2.3 工作平台操作控制模块

在工作平台内能控制除支腿之外的所有动作，是工作平台操作的基本要求，这些动作主要包括：发动机启动和停止、转台回转、臂架的变幅和伸缩、飞臂的变幅和工作平台回转等动作要求。工作平台控制器将采集所有的指令信号，并将其以CAN总线报文形式发送到CAN线上。位于转台的主控制器从总线上接收到所需报文，并对这些报文进行解析处理后，输出PWM脉宽调制信号去驱动相应的电磁阀，电磁阀开通后液压油通过电磁阀去驱动执行元件完成相应的动作。利用PWM脉宽调制信号控制电磁比例阀有功耗小、抗干扰能力强、控制精度高等优点，叠加低频率的颤震信号可以使阀芯工作时处于微振动状态，大大减小了电磁比例阀的滞环。而且还可利用PLC控制器具有电流反馈控制接口的特点，实现系统的闭环控制，提高控制精度。

2.4 工作平台人机交互控制模块

该模块主要是为工作平台操作人员提供一个良好的操作界面和环境，主要采用全触摸彩色显示器。人机交互操作界面一般采用图表话、图标化和数字化的显示方式，以取代传统控制系统中的诸多仪表、指示灯和操作按钮等元件，可以使整机主要参数直观、准确和实时地显示出来；人机交互控制模块包含参数的读取和实时显示，参数的读取主要包括发动机参数显示和整机系统参数显示，发动机参数显示主要包括发动机转速、机油压力、冷却水温度及发动机工作时间，这些参数是通过CAN总线从发动机控制器ECM读取；ECM和车载控制器之间是基于SAEJ1939标准的通讯网络，使得ECM和车载控制器可以按照统一的标准共享参数，并通过全触摸彩色显示器实时显示出来。整机系统参数主要包括底盘和工作平台倾斜角度、工作平台载荷、作业高度和幅度、臂架的变幅角度和伸缩长度、底盘支腿的跨距和接触地面信息、转台的回转角度，故障代码等工况信息，这些信息可实时地在显示器上显示出来，操作人员在进行作业时可随时了解整机工况，提前预防误操作。

2.5 转台操作控制模块

按照GB/T9465—2018《高空作业车》国家标准的要求，装备有上、下两套控制装置的工作平台应有互锁装置，上控制装置设置在工作平台上，下控制装置应具有上控制装置的功能，并应设有能超越上控制的装置。因此在转台处具有和工作平台一样的操作功能，这些动作主要包括：发动机启动和停止、转台回转、臂架的变幅和伸缩、飞臂的变幅和工作平台回转等动作要求；转台处的操作方式也采用比例手柄，操作时比例手柄的输出信号进入PLC控制器，通过处理后PLC控制器输出PWM脉宽调制信号驱动电磁比例阀，并利用PLC控制器具有反馈控制接口的特点，实现系统的闭环控制，提高控制精度。除此之外，转台处设有紧急开关，当工作平台上的操作人员违章操作出现危险时，可按下紧急开关，强制关闭工作平台处操作，利用转台处的操作装置将工作平台收回。

2.6 底盘人机交互控制模块

底盘人机交互控制模块也是采用全触摸彩色显示器，操作界面一般也采用图表化、图标化和数字化的显示方式，底盘人机交互控制模块主要包括发动机参数和整机系统参数显示，发动机参数显示主要包括发动机转速、机油压力、冷却水温度及发动机工作时间，这些参数是通过CAN总线从发动机控制器ECM读取；整机系统参数主要包括底盘和工作平台倾斜角度、工作平台载荷、作业高度和幅度、臂架的变幅角度和伸缩长度、底盘支腿的跨距和接触地面信息、转台的回转角度，故障代码等工况信息，这些信息可实时地在底盘显示器上显示出来，供地面操作人员随时了解整机工况。

3 结论

本文主要介绍一种基于CAN总线的混合臂高空作业车智能控制系统，重点讨论了混合臂高空作业车的工作平台自动调平控制模块、底盘自动操作控制模块、工作平台操作模块、工作平台人机交互模块、转台操作模块、底盘人机交互控制模块等各个模块的控制原理及实现方法。高空车的控制系统是一个逻辑关系非常复杂的电控系统，有的模块可能相对比较独立，有的模块可能要与其他模块相互配合才能完成一些基本功能。在高空车的智能控制系统中还有一些其他功能，如上下车互锁、一键收车、工作平台平面运动功能、工作平台智能防碰撞、防自损功能、无线遥控操作和安全应急等，因控制原理比较简单，本文不再详细讨论。

[1] 高崇仁,孙迪,朱建学,等.混合臂式高空作业车变幅系统多目标优化[J].机械设计与制造,2019(07):201-205+209.

[2] 王硕,李恩,赵晓光.CANopen协议在高空作业车控制系统中的应用[J].制造业自动化,2011(33):5-8.

[3] 赵志华,刘玉敏,姚建红.基于PLC的高空作业车自动调平控制系统[J].化工自动化及仪表,2016(8):805-808.

[4] 李鹏辉,张春红,陈志伟.高空作业车电气可靠性提升研究[J].装备制造技术,2014(07):218-219.

Discussion on Control System of Mixed-boom Aerial Working Vehicle

CAO Dan1, QI Juanyan2

( 1.XCMG Xuzhou Truck-mounted Crane Co., Ltd., Jiangsu Xuzhou 221000; 2.Engineering Graphics Center,School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

Aerial working platform is a special device, which is used to position personnel and carry out aerial work, the safety and intelligence of the system has always been the focus of the industry and an important index to evaluate the performance of the machine. This paper introduces an intelligent control system based on CAN bus by combining the structure characteristics of domestic mixed-boom Aerial working platform. The intelligent control modules such as automatic leveling control of platform and the automatic operation control of chassis are introduced in detail, and the key technologies are discussed in detail according to the principle of modular design. The system can effectively improve the safety and the intelligent control of the vehicle, and provide a reference for the similar product design, has better practical value.

Hybrid arm aerial vehicle;Intelligent control; CAN Bus

U466

A

1671-7988(2021)24-166-04

U466

A

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.039

曹丹，学士，工程师，就职于徐州徐工随车起重机有限公司，研究方向：专用汽车电控技术。