液壓機械無級調速與負載自適應控制系統設計

劉敏

（山西鐵道職業技術學院，山西 太原 030013）

常見液壓機械設備在多種作業工況下對行駛速度及動力需求呈現多樣化特點，因此，需要嵌入無級變速箱進行控制與交互。液壓機械設備的變速原理從表面上看是液壓功率分流與無極調速，屬于研究被控制對象和控制量的范疇。深入分析，則需要對變速箱的無級調速與負載自適應控制進行探討。本文主要從以下幾點展開探討。

1 液壓功率分流結構

液壓調速系統由液壓泵與液壓馬達組成，其在動力傳輸方面優勢突出，如可無級變速、負載啟動平穩、過載保護及節能效果顯著。在傳動壓力增加的過程中，普通液壓調速系統容量加大，導致泵和馬達傳動效率下降，最高也只能達到80%。

一種新型的功率分流液壓調速系統被設計出來，這種系統的原理是結合行星差動輪系和液壓調速裝置。這種傳動系統的原理是依據液壓與機械裝置，將功率流分別進行傳輸，這種設備的液壓功率可以控制，并且能使兩種功率流在匯合時具有無級調節總輸出機械轉速的個性功能。這種創新的設計既留存了原來的可調式液壓動力元件的傳動特征，又顯著彌補了液力元件運行速度過低和傳動效率不高的短板。

功率分流液壓調速系統的核心結構有液壓路、機械路和功率分匯流。行星齒輪系與液壓馬達組合不同，系統的結構不同，具體來說，可分為兩種：一種是內功率分流裝置；另一種是外功率分流裝置。在實踐中，外功率分流裝置更為常見。行星架與輸出軸相連，齒圈通過齒輪連接于液壓馬達，液壓泵則通過齒輪與輸入軸相連。由分流機構（一般是定軸齒輪或者是行星排）將發動機發出的功率進行分流，經液壓路和機械路以并聯形式傳遞分流，再經匯流機構匯合功率共同驅動設備。變排量液壓元件和定排量液壓元件的排量比決定著液壓部分傳遞的功率大小，這一功率大小隨排量比的變化連續可調。機械部分傳遞的功率呈現階躍式變化。這一系統的優點是，大部分功率流是經傳動率較高的機械路而傳遞的，傳動效率很高。

2 無級調速設備交互擋桿與變速箱電子控制單元設計

2.1 電子油門與速比擋桿

本文提出的無級調速設備，其操作桿的結構包括電子油門和速比擋桿。其中，電子油門又細分為普通油門以及手動油門。

操作時二者可選其一。手動油門一般僅可用于低速作業。在開展具體的工作時，油門的開度不能發生調整，因為這是進行負載自適應速比控制的必要條件。受到設備中回位彈簧的作用力影響，擋桿一必須保持中位恒定：前推的擋桿應按照實際情況，及時進行調整變速箱速比以便符合減速要求，機械設備要減速時，只要松開擋桿，設備就可以復位，液壓機械設備如果要停止減速，則需要根據作業工況對擋桿的桿頭立即進行調節，具體來說，可以按照實際情況選擇所需的速比參數。

2.2 變速箱電子控制單元

基于液壓機械無級變速箱的控制系統能夠根據駕駛員的使用目的以及實際應用設備工況，實時改變變速箱速比，使其滿足操作需求。

本設計涉及的控制單元硬件結構包括兩種：（1）由主從單片機（兩片）；（2）外圍電路。

具體采用的型號最終確定為STC89C52RC，其可以被用作接收高速計數脈沖、開關量的傳感器信號，具體的數值需要經功放電路驅動繼電器來確定，最后才能對設備進行操控。選取的從單片機的型號最終確定為STC12C4052AD，其采集的是運行中最重要且最常見的模擬信號。這些數據主要有以下幾種：電子油門電位、油壓、流量、溫度。從單片機還可以利用繼電器與PWM控制器進行電壓調制控制變量泵的流量方向和排量。變速箱的局域網結構除了單片機以外，還需結合工控機與485總線。

在進行實際通信時，由主單片機來執行五級調速的核心運算任務，并且還應該通過預定的通信協議對從單片機和工控機下達查詢命令，進而獲取需要的參數結果。變速箱的電子控制單元中的主體數字芯片是以雙列直插式封裝的方式進行嵌入的，這樣的嵌入方式更便于在實驗階段更換和調試設備。

3 變速箱的無級調速與負載自適應控制

無級變速箱的速比是可以連續調整和控制的，受到自動變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）輸出精度影響，這種設備的速比常常會處在離散狀態。

3.1 變速箱速比的點位控制

根據點位控制的特點，可以得出，控制器的幀與階躍響應效果完全相同，并且還能按照既定的輸出規律開始運行。假設PWM的幀間隔為6，那么，馬達正、反向轉時的排量比單幀增量可通過變量泵勵磁電流與排量比的計算結果乘以6得到。

3.2 負載自適應速比調控策略

當負載轉矩數值下降時，發動機的轉速會隨之出現上升趨勢，離心調速器由于受到慣性作用會將拉桿帶動，使其后移，此時，如果有效對變量泵的排量數值進行調節，將有助于降低變速箱的速比。加大設備嵌入的發動機軸端的轉矩，可以使得發動機的轉速得到顯著下降，進而促進拉桿受力向前移動，直到使發動機的轉速參數再次回復到負載變化之前的數值，使得變量泵停止調節排量，避免車速加快。當負載的轉矩變大的時候，發現機構的調節規律正好與之相反，即發動機油門的開度保持不變，轉速數值恒定，功率不變。

與之相應的是，基于液壓機械無級變速箱的負載自適應控制目標為：在保證油門開度不變的情況下，依據實際情況調節變速箱的速比，能夠讓發動機的轉速或者功率在負載發生變化時保持不變。

負載自適應控制只有在無級調速后才能進行，且需要依據負載整體水平實時對速比進行部分調整，需要3個條件：第一，油門速度不變；第二，速比擋桿始終居于中位；第三，負載自適應開關保持開啟狀態。

3.3 模糊控制算法

一般設備的控制算法以PID控制最常見。液壓機械控制設備由于在運行時載荷出現了非常明顯的波動，在發動機調節速率時會受到較大的影響，單純控制變速箱的速比參數難以保證發動機的轉速會快速、及時響應且保持不變，由此可見，積分控制的作用就不明顯。建議采取有差控制的策略，這樣有助于降低控制難度。

模糊控制器的效果與PD控制異曲同工，并且其還具有良好的魯棒性以及模型自適應性，因此，可以考慮將其選用為發動機的功率控制器。

控制器的輸入參數必須將發動機轉速的誤差E和誤差變化率EC，輸出量有變量泵勵磁PWM增量U都納入考量范圍。各變量的模糊等級均設定為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，也就是｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝。模糊論域取范圍-6～6，所屬的函數是三角函數。

根據控制的需求可以得出模糊規則。再結合Mamdani算法進行推理，可以得到控制器的輸入輸出界面。被控對象自身具有一定的特點，必須進行考慮，具體設計時，應重點注意以下兩個要點：

控制器設備的增量方向會根據馬達旋轉的方向不同，也就是正轉和反轉情況的變化而產生較大差異，具體來說，就是在馬達正傳時，增量U和排量比會朝相同方的向變化；反之，即在馬達反轉的時候，增量U和排量比則會向相反的方向變化。

發動機軸端的轉矩（這里假定為Te）和變速箱的速比ib與變速箱的傳動效率ηb的乘積成反比關系，具體如公式（1）所示：

式中，Tb表示負載轉矩；i0表示后橋傳動的比例；η0表示后橋傳動的效率。

由實際情況可知，保持負載轉矩不變時，調節排量可以使速比增大，發動機軸端的轉矩也隨之發生明顯改變。由于變速箱傳動效率隨著排量比變化的趨勢明顯，速比受到其對發動機軸端轉矩的作用而受到削弱，且這些區段恰好存在功率循環，使傳動效率的影響進一步增加。負載自適應速比控制器效果越顯著，傳動效率越高，發動機的功率利用率就越高。

4 結語

設計的這款液壓機械無級變速箱采用速比點位控制和負載自適應控制算法，對傳統液壓機械設備的控制系統進行了改進，主要表現在控制油門擋桿中位，維持發動機恒定輸出轉速，對手動控制操作設備進行輔助，在無級調速的基礎上進行匹配控制，優化發動機功率參數，進而確保設備發動機功率利用率充分發揮，實現最佳的經濟效果和動力匹配。