行車取力發電用調速器的設計

劉明 王崴 張銳 謝迪 楊統

摘要：針對目前通訊車輛駐車取力發電靈活性和機動性的不足，本文進行了行車取力發電用調速器的設計。本設計采用泵閥馬達一體化式全液壓傳動方案，并采用變量泵+液壓伺服閥+定量馬達+反饋控制系統的整體式一體化結構。利用Simulink進行了系統模型仿真，用AMESim軟件對泵的恒流量模型進行仿真，結果表明本方案能實現汽車行駛過程中的無極調速。

關鍵字：行車取力；液壓調速器；泵閥馬達；Simulink；AMESim

隨著科技的發展，通訊車面臨的作業環境也越來越復雜。而這些機動裝備中含有的許多電子設備，需要實時提供電力供應。然而，在行進狀態中，由于汽車發動機轉速的變化，導致了現有的車載自發電系統只能采取駐車發電方式，這極大限制了通訊車的靈活性與適應性。因此對在行進過程中能進行平穩發電的行車取力發電裝置的研究也日益得到重視。

北京理工大學的郭初生博士、王渝教授進行了恒速控制的仿真研究，證明了行車發電系統的可行性，設計了系統的整體控制策略[1,2]。重慶鐵馬集團公司張川渝等人進行了特種車輛車載交流發電控制系統的研究，通過調節液壓變量馬達的排量,來控制發電機的轉速穩定。由于可以直接調節液壓系統的壓力，因此提高了控制系統的反應速度[3]。軍事交通學院的張文斌、李幸丹、陳林等分別對發動機、發電機進行PID恒速控制研究[4]。

基于以上研究成果，本文提出了采用泵控馬達的行車取力發電用調速器的方案。

1.設計需求分析

現有交流電行車自發電系統，技術還不夠成熟并且接口不統一，不同單位自主研發的系統測試結果也打不形同，與現行移動電站的移動電站通用規范差距比較大[5]。

目前通訊車的自發電系統一般采用駐車發電的形式，因而只能在非行駛狀態發電，對于一些突發情況適應性比較差，這就對行車取力發電提出了較高的要求。根據調研，目前自發電系統需求最多的功率等級是12、16、24、30Kw這幾個等級，并且受環境的限制，故障率比較高，維修比較困難，由于通訊車的性質決定行車取力發電過程要求可靠性比較高，并且要能適應環境變化的影響，并且具有比較強的電磁兼容性，調速器不僅僅要保證能夠實現無級調速，對車上電子元器件的干擾應該盡可能小。

針對以上狀況，本文設計了行車取力發電用調速器，其輸入轉速大概在800~1000轉每分鐘，輸出轉速在能穩定在1500或者2000轉每分鐘，輸出功率在30Kw并且具有一定的過載保護能力。其輸出轉速誤差保證在 以內。

2.總體設計

2.1傳動形式的選擇

機械傳動的傳動比比較準確，傳動的靈敏性比較高，能夠快速的對變量做出反應，實現無級變速的結構復雜，成本較高。液壓傳動能方便的進行無極調速，調速范圍大，然而由于泄露影響和和存在機械摩擦，壓力損失，泄露損失，因而易使油液發熱，使得總效率較低[6]。為滿足特種車輛的大負載和比較惡劣的工作環境，并要求其有很高的可靠性、靈敏度和穩定性，本文應用液壓機械無極變速器來實現穩定發電。

節流調速型系統一般采用閥控的方式，泵輸出的液壓油經過節流閥和溢流閥等調控實現

馬達的轉速的變化，節流型控制系統的溢流損失和節流損失較大，因而效率較低。泵控馬達容積調速系統主要使用變量泵和定量液壓馬達組成，效率較高、產生熱量少、調速范圍較大和輸出轉矩比較穩定，輸出轉速的誤差會略大，因為其調速主要靠變量泵的排量改變實現調速，而變量泵的排量變化相對于閥控系統顯然靈敏度差[6]。將節流變速和容積變速結合在一起可以充分發揮閥控的靈敏性和泵控節能的特點。

2.2設計方案

本設計采用泵閥馬達一體化式全液壓傳動方案，選用軸向變量柱塞泵—定量馬達系統作為發動機和發電機組之間的調速裝置。采用變量泵+液壓閥+定量馬達+反饋控制系統這種形式，可以實現輸入轉速和負載在較大范圍內變化，而輸出轉速恒定的無級變速要求。圖1是本方案的原理圖。

圖1 系統工作原理框圖

Fig.1 The schematic diagram of the system

其調速原理如下：

液壓馬達的轉速隨著發動機輸入轉速和發電機的負載的變化而變化，回路流量隨著馬達轉速的變化而變化，利用檢測元件測量系統流量以及壓力的變化，使時伺服系統工作。伺服系統調節軸向柱塞變量泵的斜盤的傾斜角可以調節泵的排量，使得泵的排量穩定在一定的范圍內，從而實現在很大速度范圍內保持泵的輸出流量基本穩定，達到泵控系統的節能目的。調節伺服閥與溢流閥的節流量則可以以很高的靈敏度調整液壓馬達的轉速，實現發電機的速度穩定。

2.3結構方案

全液壓傳動，泵閥馬達一體化式結構方案，采用變量泵+液壓伺服閥+定量馬達+反饋控制系統的結構，液壓泵和液壓馬達以及控制系統和伺服閥等組合在一起，此方案集成度高，空間占用小。圖2是全液壓傳動泵閥馬達一體化式結構原理圖。

圖2 系統結構圖

Fig.2 The construction drawing of the system

其具體工作流程如下：

電液比例減壓閥、初級柱塞和三位四通滑閥以及變量柱塞組成變量調節機構，當回路流量變化時，控制系統會作用于電液比例減壓閥，電液比例減壓閥的出口壓力與輸入電流成正比，初級柱塞在減壓閥輸出壓力的作用下帶動柱塞推動三位四通滑閥閥芯動作，從而變量柱塞在液壓油的壓力下推動斜盤的傾角發生變化進而改變泵的排量，當輸入電流不再變化時初級柱塞就不再動作，因而謝盤傾角不再變化，排量保持恒定，直到下一次電流變化。泵的流量處于動態穩定狀況中。

2.4相關元件的選型

按照輸出轉速1500r/min，30kW功率要求設計系統，通過計算選定：

2.4.1變量泵。本方案選用力士樂公司生產的A4VG-EP 105電液比例控制斜盤式軸向柱塞變量泵，額定排量為105ml/r。該變量泵將補油泵和濾油器集成在一起。結構緊湊，管路較短，功率損失較小。采用電控方式工作，控制電流小。如圖3。

2.4.2定量馬達。定量馬達選用力士樂公司生產的A10FM 58馬達。該馬達的最大排量為58ml/r，馬達的最高工作壓力為31.5MPa。在調速系統中將變量泵輸出的液壓能轉換為機械能輸出到發電機上。如圖4。

圖3A4VG-EP 105變量泵 圖4A10FM 58定量馬達

Fig.3 A4VG-EP 105 variable displacement pump Fig.4A10FM 58 fixed displacement motor

3.系統仿真驗證

PID控制技術在工業控制過程中使用非常普遍，一方面是由于PID控制器比較固定;另一方面是因為PID控制器連接方式比較簡單。因此PID控制器的應用依然非常廣泛[7]。

本方案中的泵閥馬達系統為閉環控制系統，采用機械調節的方式調節液壓缸的流量，通過霍爾傳感器檢測液壓馬達轉速參數，并將實時參數傳給微控制器，將控制器的預先設定參數與檢測結果進行比較，控制器輸出控制電流，調整馬達轉速使其達到目標值。系統的控制原理即為上圖1。

系統簡化的原理圖如下：

圖5簡化的原理圖

Fig.5 Simplified schematic diagram

對變量泵，伺服閥，滑閥，液壓缸，液壓馬達建模并用Simulink工具箱進行仿真[8]。

Simulink仿真原理圖[9]為：

圖6 仿真原理圖

Fig.6 The emulation schematic diagram

仿真結果為：

圖7仿真結果

Fig.7 The result of the emulation

通過仿真結果可以知道在恒定轉速輸入情況下馬達的轉速比較穩定，能較好的保證發電機轉速，但是響應時間還不夠理想，在控制方式上應該選用PID控制以取得更好的效果。

用AMESim軟件進行泵的恒流量控制仿真，在兩種不同轉速輸入情況下泵的流量和斜盤傾角變化如下，說明斜盤傾角能較好的適應輸入轉速的變化，同時泵的流量能基本保持恒定。仿真結果如圖8所示：

圖8 變轉速輸入下泵的恒流量控制

Fig.8 The constancy flow rate control of the pump under the variable swiveling speedinput

4.結論

本文針對通訊車在作業情況下汽車發動機轉速處于時變狀態下，從而導致泵輸入轉速和力矩負載時變這一特點，對汽車行車取力發電用調速器進行了設計，選用柱塞泵--液壓馬達系統作為發動機和發電機組之間的調速裝置，采用變量泵+液壓閥+定量馬達+反饋控制系統進行發電機輸入轉速的調節并建立了全液壓傳動泵閥馬達一體化式結構的數學模型。本方案仿真結果表明：

4.1在負載突變的情況下，調速器能迅速調整馬達輸出轉速，從而保證發動機的輸入轉速依然能滿足發電機發電要求，具有良好的調節效果；

4.2在發動機轉速變化的情況下變量泵能及時調節斜盤傾角以適應回路流量的變化。

5.參考文獻

[1] 郭初生，王向周，王渝.汽車行駛取力發電系統的建模與仿真[J].系統仿真學報，2005（8）:1809-1812.

[2] 郭初生，王向周，王渝.變轉速軸向柱塞泵恒流量控制的建模與仿真[J].北京理工大學學報,2004（11）：961-965.

[3] 張川渝.特種車輛車載交流發電控制系統的研究[J].車輛與動力技術,2004(3):23-25.

[4] 資新運,李幸丹,張文斌,郭鋒，王琛.液壓傳動電源車動力控制系統設計[J].移動電源與車輛,2007(3):

1-3.

[5] 何建清,石秉良,解來卿.軍車自發電系統現狀及需求分析[J].技術論，2011(5):71-74.

[6] 賈銘新,液壓傳動與控制[M].北京：國防工業出版社.2010：5～6,161～175.

[7] 劉金琨.先進PID仿真Matlab仿真[M].北京：電子工業出版社.2004：65～70.

[8] 宋志安.基于Matlab的液壓伺服控制系統分析與設計[M].北京：國防工業出版社，2007.6，276-283.

[9] 李婷婷,張奕.電液比例變量泵—馬達恒速控制系統的研究[D].長安大學，2004(5):18-29.