道路綠化養護車割草頭泵控馬達調速系統研究

劉波 趙俊鋒

摘 要：泵控馬達調速系統可以滿足道路綠化養護車不同工作裝置的作業要求，針對目前道路綠化養護車割草頭作業質量高的要求，以AMESim仿真軟件為平臺，使用PID閉環控制的控制方法，建立變負載泵-定量馬達恒速調節系統，得到了系統在變負載下的控制效果。結果表明，PID控制應用于割草頭馬達控制系統可以大大改善系統的速度穩定性，使其受負載擾動的影響更小，為道路綠化養護車作業裝置控制系統的實現提供了借鑒意義。

關鍵詞：道路綠化養護車 泵控馬達系統 AMESim PID控制

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-0-02

隨著經濟的發展，道路里程數逐年增加，道路旁的綠化帶的修理逐漸成為了一個很大的問題。目前主流采用人工修剪的方式效率太低，道路綠化養護車的出現能極大地提高修剪速度和作業質量，也避免人員的傷亡。道路綠化養護車是一種綜合性的車輛，是在二類底盤上加裝工作裝置，配備不同的作業裝置，如割草頭、樹籬頭、剪枝頭、清淤器等，能完成不同的工作。道路綠化養護車在作業過程中，是一邊行走一邊修剪的，一般作業速度低于20km/h，對于不同的作業速度，工作裝置的馬達會對應不同的速度，轉速太慢，修剪效果不好，而轉速太快，多余的功率就會浪費，所以要求維持轉速的恒定。

變量泵控馬達液壓系統配備快速插頭能很好地調節多種不同的作業裝置，這些作業裝置在對應的功率都相對較小，外負載的沖擊會引起系統壓力較大的變化，在調速過程中負載突變會導致馬達轉速的較大變化[1]，影響修剪質量。該文擬采用PID控制方式對其中的一種作業裝置割草頭調速系統進行速度控制，以達到良好的速度穩定性，提高修剪質量，其他作業裝置和割草頭只是參數不同，調速方法和機理都是一致的。

1 系統工作原理

道路綠化養護車作業裝置液壓原理圖如圖1所示[2]，系統由電比例雙向變量泵1，補油泵2，單向閥3、4，安全閥5、6，補油安全閥7，背壓閥 8，沖洗閥9，雙向定量馬達10組成，電比例變量泵1是系統的動力元件，泵的變量機構使用一個三位四通電比例換節閥來控制變量活塞，變量活塞的移動可調節泵的排量，使其排量與輸入電流信號成正比。道路綠化養護車工作過程中，操作人員通過電手柄輸出電流控制信號，經比例放大器放大后控制比例電磁鐵，改變泵的斜盤傾角，從而改變泵的排量，實現道路綠化養護車作業裝置割草頭旋轉速度控制。系統工作時，上側油路為進油路，壓力由負載決定，是高壓油路；下側油路是回油路，壓力取決于補油壓力，是低壓油路。當進油路壓力過大超過安全閥的設定壓力時，安全閥5起作用，防止壓力沖擊損壞液壓元件。變量泵反轉時，上下油管狀態互換，安全閥6起作用。補油泵2通過單向閥3或4向低壓油路的一側補油，彌補系統泄露，也使低壓油路有一恒定的壓力值，防止空氣混入造成氣穴現象。補油泵6的補油壓力由溢流閥7決定。背壓閥8的設定壓力稍小于7，它和梭閥9用于排除系統熱油，排除的是從馬達低壓側出來的熱油，保持低壓側壓力為溢流閥7的設定壓力。

2 仿真模型參數設置與建立

根據設計要求，滿足所有工作裝置的流量要求為

75L/min，發動機額定轉速1800r/min，所以選擇的電比例變量泵為A10VG的45cc/r，補油泵的排量為8.6cc/r。割草頭的切割裝置選用的是甩刀式，屬于無支撐切割，故要求有很高的切割速度，其刀軸轉速一般達3000r/min以上[3]，我們選用3000r/min，系統最大設定為22MPa，因作業對象為雜草、細灌木叢生的綠地、野外草地，所以需要的轉矩不大，一般為幾十牛米，所以選用A2FM16，排量為16cc/r。

PID控制器結構簡單，易于實現，應用廣泛。它是一個經典的反饋控制器，通過輸入量和反饋回路得到偏差，經過比例、積分、微分3個環節線性組合構成系統控制量[4]，以滿足系統性能要求。這里以期望馬達轉速3000r/min為輸入，得到0～600mA控制量，通過PID參數整定原則，調試得到KP（比例系數）=0.1、KI（積分系數）=1.2、KD（微分系數）=-0.0017時控制效果較好。

使用AMESim進行建模，在整個液壓系統中，大部分的元件都是可以在相應的標準庫中找到。但是電比例變量泵中變量機構的變量活塞無法在標準庫找到，只能自己搭建。它配合三位四通電比例換節閥來控制泵的排量，使其與輸入電流成正比。將變量活塞建立好后，工作裝置液壓系統建模的其他元件在液壓庫、信號庫、機械庫的選用即可，作業裝置液壓系統仿真模型如圖2所示[5]。

3 仿真分析

系統仿真的AMESim仿真模型如圖2所示，這里通過階躍信號來模擬負載擾動的情況，設定輸入轉速3000r/min，負載在系統運行5s后將負載0N·m增加到40N·m，仿真得到系統速度響應曲線如圖3所示。

從圖3的仿真結果分析可知，PID控制的整體曲線明顯比沒有控制時要平滑，在轉速上升時期，PID的曲線比較平緩，作業裝置割草頭部分時通過幾節臂懸掛在作業區域，而且負載小，轉速快，曲線平緩，對于系統的沖擊小，有利于道路綠化養護車工作裝置的穩定，避免震動。5s時負載突然增大，PID控制的曲線的速度變化明顯較小，無PID控制的馬達轉速波動較大，表現為割草頭修剪質量不好。

4 結語

該文針對道路綠化養護車作業裝置液壓系統，利用AMESim軟件建立PID控制的泵控馬達模型，通過對比仿真曲線，驗證出擁有PID控制器的液壓系統，系統穩定性好，受負載擾動的影響小，能夠很好地滿足道路綠化養護車割草頭作業裝置的需要，提升修剪質量。為道路綠化養護車其他作業裝置的控制提供參考，也為道路綠化養護車智能化控制提供理論基礎。

參考文獻

[1] 范宇恒，王崴，楊潔，等.變負載變轉速輸入泵控馬達調速系統[J].火力與指揮控制，2017，42（8）：76-81，86.

[2] 張海平.液壓速度控制技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3] 劉毅，沈瑞珍，顧正平.草坪與園林綠化機械選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

[4] 許倩.基于PID策略的電液比例泵控馬達速度控制系統研究[D].長安大學，2008.

[5] 王俊倩.基于AMESim與Simulink聯合仿真的泵控馬達調速系統控制研究[D].西華大學，2016.