車載液壓發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

閆玉奎，李忠玉，張 慶，李國征，王 蕾

(1.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護技術(shù)有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003;2.公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，河南新鄉(xiāng) 453003;3.河南省高等級公路檢測與養(yǎng)護技術(shù)重點實驗室，河南新鄉(xiāng) 453003;4.新鄉(xiāng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

多功能公路養(yǎng)護工程車車載液壓發(fā)電系統(tǒng)，按照工作時主車的運動狀態(tài)可以分為行車發(fā)電和駐車發(fā)電2種形式。對于駐車發(fā)電，清華大學(xué)夏勝枝等進行了一定程度的分析和研究［1］，其開發(fā)的駐車發(fā)電系統(tǒng)采用電磁二通調(diào)速液壓閥與定量馬達并聯(lián)的方式，組成旁通節(jié)流調(diào)速回路，通過對二通調(diào)速閥進行控制來改變旁路流量，間接調(diào)整主油路的流量，實現(xiàn)了對液壓發(fā)電機馬達轉(zhuǎn)速調(diào)整的目的。軍事交通學(xué)院何國本等提出了一種自發(fā)電電源車的設(shè)計思路，該液壓發(fā)電系統(tǒng)所用的泵和馬達都是定量的，通過電子控制單元調(diào)整液壓泵的溢出流量大小，實現(xiàn)了把發(fā)電機馬達的旋轉(zhuǎn)速度恒定在指定區(qū)間內(nèi)的目的，電能輸出質(zhì)量滿足國家用電規(guī)范規(guī)定的三類電站的要求［2-3］。本文設(shè)計一種車載液壓發(fā)電傳動控制系統(tǒng)，利用液壓管路的連接將發(fā)動機功率通過取力器柔性傳遞給選定型號的丹納斯液壓發(fā)電機，利用液壓傳動本身具有的無級變速和沖擊小的優(yōu)點，提高多功能公路養(yǎng)護工程車的發(fā)電質(zhì)量，實現(xiàn)高品質(zhì)的電能輸出。

1 車載液壓發(fā)電傳動系統(tǒng)

多功能公路養(yǎng)護工程車在作業(yè)行駛過程中，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速和發(fā)電機負(fù)載不發(fā)生改變，工況比較復(fù)雜，而液壓發(fā)電機的液壓馬達要求輸入轉(zhuǎn)速恒定，在此情況下就必須加裝自動調(diào)速裝置把發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。液壓系統(tǒng)的調(diào)速控制方法分別是:節(jié)流式閥控馬達調(diào)速回路、容積式泵控馬達調(diào)速回路和二次節(jié)流調(diào)速回路。3種液壓調(diào)速控制方式都利用了液壓回路本身的無級調(diào)速特點，即通過恒定液壓發(fā)電機馬達旋轉(zhuǎn)速度來控制發(fā)電機電能輸出質(zhì)量。節(jié)流式閥控馬達調(diào)速回路通過流量控制閥改變液壓管路通流面積，從而調(diào)整通過執(zhí)行元件的流量，可以實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電機液壓馬達旋轉(zhuǎn)速度的目的。這種調(diào)速方式的優(yōu)點是響應(yīng)迅速、價格低廉，缺點是發(fā)動機在最低轉(zhuǎn)速工況時能夠滿足最大功率輸出時的需求。發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍跨度較大，造成發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速區(qū)間的功率和燃油浪費，損失的功率轉(zhuǎn)化成熱能，增加了散熱系統(tǒng)的負(fù)荷，形成惡性循環(huán)［4］。從環(huán)保節(jié)能的角度進行考量的話，容積式泵控馬達調(diào)速回路和二次節(jié)流調(diào)速回路這2種液壓回路調(diào)速方式是不錯的選擇;但是二次節(jié)流調(diào)速回路經(jīng)濟成本相對較高，安裝調(diào)試技術(shù)難度相對較大。相比之下，泵控馬達組成的容積調(diào)速回路通過改變變量泵底部斜盤的傾斜角度調(diào)節(jié)泵的輸出流量，可以實現(xiàn)變量泵的輸出流量與液壓發(fā)電機所需求的流量完美匹配。該調(diào)速回路功率損失小、效率高，不但可以降低液壓系統(tǒng)對多功能公路養(yǎng)護工程車的功率需求，而且散熱問題的解決也變得相對容易，非常適合大功率液壓系統(tǒng)。本文設(shè)計的多功能車車載液壓發(fā)電控制系統(tǒng)采用容積式泵控馬達調(diào)速回路如圖1所示。

圖1 車載液壓發(fā)電傳動系統(tǒng)

2 車載液壓發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

(1)實現(xiàn)發(fā)動機動力和液壓發(fā)電機馬達之間的動力轉(zhuǎn)換和傳遞。

(2)保證液壓發(fā)電機發(fā)電品質(zhì)。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

(1)實現(xiàn)對液壓發(fā)電機液壓馬達轉(zhuǎn)速信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的采集。

(2)采集液壓油壓力信號和溫度信號。

(3)調(diào)節(jié)步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，以實現(xiàn)對發(fā)動機節(jié)氣門開度的調(diào)節(jié)。

(4)為了實現(xiàn)對發(fā)電機馬達轉(zhuǎn)速無極調(diào)速的精確控制，控制器要能夠?qū)崿F(xiàn)對變量泵排量的精確控制。

(5)為了把液壓油溫度保持在80℃以下，控制器要實現(xiàn)對散熱器散熱風(fēng)扇工作時間和轉(zhuǎn)速的控制。

(6)實現(xiàn)與多功能車之間的信息交互。

控制器主要是由駕駛室信息交互模塊、發(fā)電質(zhì)量控制模塊和穩(wěn)壓電源模塊3個部分組成，其中發(fā)電質(zhì)量控制模塊和駕駛室信息交互模塊兩部分之間通過CAN總線相連，實現(xiàn)信息的交互共享。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)信息(發(fā)動機轉(zhuǎn)速、液壓馬達轉(zhuǎn)速、液壓油溫度和壓力)的采集和發(fā)電質(zhì)量的控制由發(fā)電質(zhì)量控制模塊負(fù)責(zé);接受駕駛員指令、故障報警以及顯示系統(tǒng)運轉(zhuǎn)信息等由駕駛室信息交互模塊負(fù)責(zé);穩(wěn)壓電源模塊給可編程控制器FX2N-128MR-001的處理器內(nèi)核、多功能公路養(yǎng)護工程車發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳傳感器、液壓發(fā)電機馬達的旋轉(zhuǎn)速度檢測器和控制系統(tǒng)芯片等用電設(shè)備提供電力保障，以確?？刂葡到y(tǒng)能夠在正常狀態(tài)下工作運轉(zhuǎn)［5］?？刂破飨到y(tǒng)如圖2所示。

3 車載液壓發(fā)電傳動系統(tǒng)的控制策略分

控制系統(tǒng)最主要的功能是實現(xiàn)對液壓油油溫的檢測和采集、散熱器風(fēng)扇開關(guān)時間和轉(zhuǎn)速的采集和控制、液壓發(fā)電機馬達轉(zhuǎn)速的采集和精確控制［6-9］。

PID控制運用線性組合將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)組成控制量，通過計算做出控制策略之后施加給被控對象。位置式和增量式是2種最常用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID控制算法。

3.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略

圖2 控制器硬件系統(tǒng)

多功能公路養(yǎng)護工程車車載液壓發(fā)電系統(tǒng)不改變原車底盤發(fā)動機油門控制裝置，只需要加裝一個裝置來調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速，與原車的機械式調(diào)速裝置互不干擾。在該控制回路中，若簡單地采用開環(huán)式的控制回路，則控制系統(tǒng)不能實時獲得控制反饋信息，難以保證很好的控制作用;因此本設(shè)計中采用圖3所示的多功能公路養(yǎng)護工程車發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略［6］。

圖3 柴油機轉(zhuǎn)速PID控制

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的基本原理是:安裝在多功能公路養(yǎng)護工程車取力器上的轉(zhuǎn)速傳感器檢測到當(dāng)前多功能公路養(yǎng)護工程車發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速nes，獲得當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度與目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度的差值信息Δne=ne－nes;然后把差值信息傳輸給處理器，處理器計算得到當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度差值下油門調(diào)節(jié)桿需要調(diào)整到的指定位置，再通過執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行動作，從而對發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度起到很好的調(diào)節(jié)作用。

3.2 變量泵的控制

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制

變量泵的控制如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)的目標(biāo)是把液壓發(fā)電機馬達維持在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)并保持恒定。實際使用過程中，液壓發(fā)電機負(fù)載和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度都是在不斷發(fā)生改變的。變量泵排量的調(diào)整方式和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度控制方式基本類似，裝在液壓發(fā)電機馬達上的旋轉(zhuǎn)速度檢測計量裝置檢測當(dāng)前工況下馬達旋轉(zhuǎn)速度ng然后再與液壓發(fā)電機標(biāo)定的額定旋轉(zhuǎn)速度ngs做差，獲得轉(zhuǎn)速偏差Δng，再將轉(zhuǎn)速差值輸入到位置式PID控制器，控制器通過計算獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速下所需要調(diào)節(jié)的斜盤傾角角度［7-9］。執(zhí)行機構(gòu)通過調(diào)整液壓泵配油盤相對于柱塞的傾斜角度來調(diào)整泵的排量，使發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度和液壓發(fā)電機馬達旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)匹配，從而調(diào)整液壓泵輸出流量，實現(xiàn)保證丹納斯液壓發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定的目的。

4 車載液壓發(fā)電系統(tǒng)的試驗和應(yīng)用

將預(yù)先設(shè)計好的液壓發(fā)電系統(tǒng)安裝于HGY5163TYH型多功能公路養(yǎng)護工程車上進行實車驗證。本系統(tǒng)選用丹納斯液壓發(fā)電機，發(fā)電機容量為30 kVA，額定輸出電壓為220 V/380 V，在液壓發(fā)電機上加裝了電壓調(diào)整率為±2%的電壓自動調(diào)節(jié)裝置。采用前面設(shè)計的控制器進行一系列實車驗證試驗，包括多功能公路養(yǎng)護工程車行車發(fā)電試驗、駐車發(fā)電試驗和空載調(diào)速性能試驗。由于本液壓發(fā)電系統(tǒng)自身能夠調(diào)節(jié)輸出電壓、頻率，因此根據(jù)《軍用交流移動電站通用規(guī)范》(GJB 235A—1997)要求(表1)，主要評價指標(biāo)為發(fā)電機輸出頻率［10-12］。

表1 發(fā)電機輸出頻率的各項指標(biāo)

4.1 工程車發(fā)動機空載轉(zhuǎn)速控制試驗

在進行駐車和行車發(fā)電試驗之前有必要進行發(fā)動機空載轉(zhuǎn)速控制試驗來考察發(fā)動機電子調(diào)速器的調(diào)速效果。在整個試驗過程中液壓發(fā)電系統(tǒng)保持零負(fù)載，液壓發(fā)電機同樣無負(fù)載，液壓系統(tǒng)不工作，控制器只用步進電機調(diào)整多功能公路養(yǎng)護工程車發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度。試驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)處理器能將多功能公路養(yǎng)護工程車發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度恒定在預(yù)先設(shè)定的理想界限之間，為系統(tǒng)恒速調(diào)整提前做好了準(zhǔn)備工作。

4.2 駐車發(fā)電試驗

駐車發(fā)電是讓多功能公路養(yǎng)護工程車在停車狀態(tài)下，控制系統(tǒng)處理器調(diào)整發(fā)動機和液壓系統(tǒng)以保證液壓發(fā)電機的發(fā)電品質(zhì)。駐車發(fā)電試驗的要求是對在駐車發(fā)電的整個過程中的電能輸出質(zhì)量和發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整的結(jié)果進行評價。在試驗過程中進行了23 kW加載試驗，穩(wěn)定時間為4.7 s。試驗結(jié)果達到了Ⅲ類電站的要求，表明瞬態(tài)調(diào)整頻率和穩(wěn)態(tài)調(diào)整頻率都滿足要求。

4.3 行車發(fā)電試驗

行車發(fā)電是指多功能車在行走過程中邊行走邊為公路日常養(yǎng)護施工設(shè)備供電。由于所選用的重汽豪沃底盤發(fā)動機功率大，因此在行車過程中可以用發(fā)動機后備功率來進行發(fā)電［13-14］。在此過程中，汽車駕駛員通過控制油門大小保證多功能車的行進速度，控制器通過控制變量泵控制輸出流量。試驗中多功能工程車用二檔行進在試驗路段上，車輛行進速度控制在8～9 km·h－1。試驗中發(fā)電機負(fù)載為12 kW，試驗結(jié)果表明發(fā)電品質(zhì)達到了Ⅲ類電站的要求。

5 結(jié)語

本課題設(shè)計的車載液壓發(fā)電傳動系統(tǒng)無論在行車發(fā)電工況下還是在駐車發(fā)電工況下，調(diào)節(jié)時間均比較短，對于較大范圍的轉(zhuǎn)速波動也有很好的控制效果，具有開發(fā)使用的價值。液壓發(fā)電機和液壓油箱掛在大梁底部，不占用大梁以上空間，野外工作能力強，在多個領(lǐng)域都很實用，尤其能夠適應(yīng)公路日常養(yǎng)護作業(yè)靈活機動的特點。控制系統(tǒng)的自動化程度比較高，系統(tǒng)本身的平穩(wěn)性和快速響應(yīng)性也較好，并且控制精度也很高，同時兼顧到了其他的性能。

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