车载液压发电控制系统的设计与应用

时间：2024-05-20

闫玉奎，李忠玉，张庆，李国征，王蕾

(1.河南省高远公路养护技术有限公司，河南新乡 453003;2.公路养护装备国家工程实验室，河南新乡 453003;3.河南省高等级公路检测与养护技术重点实验室，河南新乡 453003;4.新乡市质量技术监督检验测试中心，河南新乡 453003)

0 引言

多功能公路养护工程车车载液压发电系统，按照工作时主车的运动状态可以分为行车发电和驻车发电2种形式。对于驻车发电，清华大学夏胜枝等进行了一定程度的分析和研究［1］，其开发的驻车发电系统采用电磁二通调速液压阀与定量马达并联的方式，组成旁通节流调速回路，通过对二通调速阀进行控制来改变旁路流量，间接调整主油路的流量，实现了对液压发电机马达转速调整的目的。军事交通学院何国本等提出了一种自发电电源车的设计思路，该液压发电系统所用的泵和马达都是定量的，通过电子控制单元调整液压泵的溢出流量大小，实现了把发电机马达的旋转速度恒定在指定区间内的目的，电能输出质量满足国家用电规范规定的三类电站的要求［2-3］。本文设计一种车载液压发电传动控制系统，利用液压管路的连接将发动机功率通过取力器柔性传递给选定型号的丹纳斯液压发电机，利用液压传动本身具有的无级变速和冲击小的优点，提高多功能公路养护工程车的发电质量，实现高品质的电能输出。

1 车载液压发电传动系统

多功能公路养护工程车在作业行驶过程中，发动机输出转速和发电机负载不发生改变，工况比较复杂，而液压发电机的液压马达要求输入转速恒定，在此情况下就必须加装自动调速装置把发电机输入转速稳定在一定范围内。液压系统的调速控制方法分别是:节流式阀控马达调速回路、容积式泵控马达调速回路和二次节流调速回路。3种液压调速控制方式都利用了液压回路本身的无级调速特点，即通过恒定液压发电机马达旋转速度来控制发电机电能输出质量。节流式阀控马达调速回路通过流量控制阀改变液压管路通流面积，从而调整通过执行元件的流量，可以实现稳定发电机液压马达旋转速度的目的。这种调速方式的优点是响应迅速、价格低廉，缺点是发动机在最低转速工况时能够满足最大功率输出时的需求。发动机转速范围跨度较大，造成发动机在高转速区间的功率和燃油浪费，损失的功率转化成热能，增加了散热系统的负荷，形成恶性循环［4］。从环保节能的角度进行考量的话，容积式泵控马达调速回路和二次节流调速回路这2种液压回路调速方式是不错的选择;但是二次节流调速回路经济成本相对较高，安装调试技术难度相对较大。相比之下，泵控马达组成的容积调速回路通过改变变量泵底部斜盘的倾斜角度调节泵的输出流量，可以实现变量泵的输出流量与液压发电机所需求的流量完美匹配。该调速回路功率损失小、效率高，不但可以降低液压系统对多功能公路养护工程车的功率需求，而且散热问题的解决也变得相对容易，非常适合大功率液压系统。本文设计的多功能车车载液压发电控制系统采用容积式泵控马达调速回路如图1所示。

图1 车载液压发电传动系统

2 车载液压发电系统的设计目标

2.1 传动系统的设计目标

(1)实现发动机动力和液压发电机马达之间的动力转换和传递。

(2)保证液压发电机发电品质。

2.2 控制系统的设计目标

(1)实现对液压发电机液压马达转速信号和发动机转速信号的采集。

(2)采集液压油压力信号和温度信号。

(3)调节步进电机的旋转角度，以实现对发动机节气门开度的调节。

(4)为了实现对发电机马达转速无极调速的精确控制，控制器要能够实现对变量泵排量的精确控制。

(5)为了把液压油温度保持在80℃以下，控制器要实现对散热器散热风扇工作时间和转速的控制。

(6)实现与多功能车之间的信息交互。

控制器主要是由驾驶室信息交互模块、发电质量控制模块和稳压电源模块3个部分组成，其中发电质量控制模块和驾驶室信息交互模块两部分之间通过CAN总线相连，实现信息的交互共享。系统运转信息(发动机转速、液压马达转速、液压油温度和压力)的采集和发电质量的控制由发电质量控制模块负责;接受驾驶员指令、故障报警以及显示系统运转信息等由驾驶室信息交互模块负责;稳压电源模块给可编程控制器FX2N-128MR-001的处理器内核、多功能公路养护工程车发动机转速传传感器、液压发电机马达的旋转速度检测器和控制系统芯片等用电设备提供电力保障，以确保控制系统能够在正常状态下工作运转［5］。控制器系统如图2所示。

3 车载液压发电传动系统的控制策略分

控制系统最主要的功能是实现对液压油油温的检测和采集、散热器风扇开关时间和转速的采集和控制、液压发电机马达转速的采集和精确控制［6-9］。

PID控制运用线性组合将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)组成控制量，通过计算做出控制策略之后施加给被控对象。位置式和增量式是2种最常用的标准数字PID控制算法。

3.1 发动机转速控制策略

图2 控制器硬件系统

多功能公路养护工程车车载液压发电系统不改变原车底盘发动机油门控制装置，只需要加装一个装置来调整发动机转速，与原车的机械式调速装置互不干扰。在该控制回路中，若简单地采用开环式的控制回路，则控制系统不能实时获得控制反馈信息，难以保证很好的控制作用;因此本设计中采用图3所示的多功能公路养护工程车发动机转速闭环控制策略［6］。

图3 柴油机转速PID控制

发动机转速控制的基本原理是:安装在多功能公路养护工程车取力器上的转速传感器检测到当前多功能公路养护工程车发动机转速ne与设定的目标转速nes，获得当前旋转速度与目标旋转速度的差值信息Δne=ne－nes;然后把差值信息传输给处理器，处理器计算得到当前旋转速度差值下油门调节杆需要调整到的指定位置，再通过执行机构执行动作，从而对发动机旋转速度起到很好的调节作用。

3.2 变量泵的控制

图4 发电机转速控制

变量泵的控制如图4所示。控制系统的目标是把液压发电机马达维持在一定转速范围内并保持恒定。实际使用过程中，液压发电机负载和发动机旋转速度都是在不断发生改变的。变量泵排量的调整方式和发动机旋转速度控制方式基本类似，装在液压发电机马达上的旋转速度检测计量装置检测当前工况下马达旋转速度ng然后再与液压发电机标定的额定旋转速度ngs做差，获得转速偏差Δng，再将转速差值输入到位置式PID控制器，控制器通过计算获得当前转速下所需要调节的斜盘倾角角度［7-9］。执行机构通过调整液压泵配油盘相对于柱塞的倾斜角度来调整泵的排量，使发动机旋转速度和液压发电机马达旋转速度实现匹配，从而调整液压泵输出流量，实现保证丹纳斯液压发电机旋转速度稳定的目的。

4 车载液压发电系统的试验和应用

将预先设计好的液压发电系统安装于HGY5163TYH型多功能公路养护工程车上进行实车验证。本系统选用丹纳斯液压发电机，发电机容量为30 kVA，额定输出电压为220 V/380 V，在液压发电机上加装了电压调整率为±2%的电压自动调节装置。采用前面设计的控制器进行一系列实车验证试验，包括多功能公路养护工程车行车发电试验、驻车发电试验和空载调速性能试验。由于本液压发电系统自身能够调节输出电压、频率，因此根据《军用交流移动电站通用规范》(GJB 235A—1997)要求(表1)，主要评价指标为发电机输出频率［10-12］。

表1 发电机输出频率的各项指标

4.1 工程车发动机空载转速控制试验

在进行驻车和行车发电试验之前有必要进行发动机空载转速控制试验来考察发动机电子调速器的调速效果。在整个试验过程中液压发电系统保持零负载，液压发电机同样无负载，液压系统不工作，控制器只用步进电机调整多功能公路养护工程车发动机旋转速度。试验结果表明，控制系统处理器能将多功能公路养护工程车发动机旋转速度恒定在预先设定的理想界限之间，为系统恒速调整提前做好了准备工作。

4.2 驻车发电试验

驻车发电是让多功能公路养护工程车在停车状态下，控制系统处理器调整发动机和液压系统以保证液压发电机的发电品质。驻车发电试验的要求是对在驻车发电的整个过程中的电能输出质量和发动机旋转速度调整的结果进行评价。在试验过程中进行了23 kW加载试验，稳定时间为4.7 s。试验结果达到了Ⅲ类电站的要求，表明瞬态调整频率和稳态调整频率都满足要求。

4.3 行车发电试验

行车发电是指多功能车在行走过程中边行走边为公路日常养护施工设备供电。由于所选用的重汽豪沃底盘发动机功率大，因此在行车过程中可以用发动机后备功率来进行发电［13-14］。在此过程中，汽车驾驶员通过控制油门大小保证多功能车的行进速度，控制器通过控制变量泵控制输出流量。试验中多功能工程车用二档行进在试验路段上，车辆行进速度控制在8～9 km·h－1。试验中发电机负载为12 kW，试验结果表明发电品质达到了Ⅲ类电站的要求。

5 结语

本课题设计的车载液压发电传动系统无论在行车发电工况下还是在驻车发电工况下，调节时间均比较短，对于较大范围的转速波动也有很好的控制效果，具有开发使用的价值。液压发电机和液压油箱挂在大梁底部，不占用大梁以上空间，野外工作能力强，在多个领域都很实用，尤其能够适应公路日常养护作业灵活机动的特点。控制系统的自动化程度比较高，系统本身的平稳性和快速响应性也较好，并且控制精度也很高，同时兼顾到了其他的性能。

参考文献:

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