電控發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿空壓機(jī)調(diào)速控制策略的研究

羅 冰，金 忠，江旅銳，孫金泉

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545007）

1 引言

隨著排放要求越來越嚴(yán)格，電控油門發(fā)動(dòng)機(jī)逐步替代機(jī)械油門發(fā)動(dòng)機(jī)。機(jī)械油門發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿空壓機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速是氣動(dòng)比例閥根據(jù)氣罐壓力調(diào)節(jié)進(jìn)入伺服氣缸的氣量來控制伺服氣缸伸縮從而推動(dòng)油門拉桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，而電控發(fā)動(dòng)機(jī)則是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊通過接收的電信號(hào)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本文詳細(xì)介紹電控發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿空壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理、氣罐壓力信號(hào)的采集、調(diào)速控制策略及實(shí)際控制效果的分析。

2 調(diào)速系統(tǒng)工作原理

調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖1所示，由電控發(fā)動(dòng)機(jī)、壓力傳感器、電子控制器等組成。壓力傳感器采集螺桿空壓機(jī)氣罐上的壓力，然后把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)輸入給電子控制器。電子控制器根據(jù)氣罐壓力和螺桿空壓機(jī)控制系統(tǒng)的需求經(jīng)邏輯運(yùn)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)速，再把目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速指令并通過CAN總線發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速指令來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)與螺桿空壓機(jī)共同工作。

螺桿空壓機(jī)工作時(shí)，氣罐壓力隨著用氣量變化而變化。當(dāng)用氣量增加時(shí)，氣罐壓力將減??；當(dāng)用氣量減少時(shí)，氣罐壓力將增加[2]。螺桿空壓機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)氣罐的進(jìn)氣量[3]，使進(jìn)氣量與用氣量進(jìn)行匹配，將氣罐壓力維持在預(yù)設(shè)的工作壓力范圍內(nèi)。

電子控制器實(shí)時(shí)采集壓力傳感器的信號(hào)值。當(dāng)用氣量增加時(shí)，用氣量大于進(jìn)氣量，氣罐壓力將降低，電子控制器通過CAN總線發(fā)送轉(zhuǎn)速指令給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來增大進(jìn)氣量；當(dāng)用氣量減少時(shí)，用氣量小于進(jìn)氣量，氣罐壓力將升高，電子控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速指令給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊來降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來減少進(jìn)氣量。發(fā)動(dòng)機(jī)在電子控制器預(yù)設(shè)的最小和最大轉(zhuǎn)速之間運(yùn)行，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升到電子控制器預(yù)設(shè)的最大轉(zhuǎn)速時(shí)，用氣量仍大于或等于進(jìn)氣量，電子控制器發(fā)送指令使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)降到最小轉(zhuǎn)速時(shí)，用氣量仍小于或等于進(jìn)氣量，電子控制器發(fā)送指令使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最小轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 壓力信號(hào)的采集

由上述調(diào)速系統(tǒng)工作原理可知，用氣量與進(jìn)氣量是否匹配是通過壓力傳感器采集氣罐上的壓力信號(hào)進(jìn)行反饋的，壓力信號(hào)采集的準(zhǔn)確性對(duì)電子控制器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很重要。用氣量的多少受用氣設(shè)備的負(fù)載影響很大，再加上氣體快速急劇流動(dòng)，導(dǎo)致壓力傳感器采集的壓力信號(hào)波動(dòng)很大，隨機(jī)脈沖干擾很多，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波方式有數(shù)字濾波和模擬濾波，考慮到數(shù)字濾波是用軟件算法濾波實(shí)現(xiàn)的[4]，不需要增加硬件設(shè)備，可以根據(jù)信號(hào)的不同采用不同的濾波算法或?yàn)V波參數(shù)，且穩(wěn)定性好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本文采用以下兩種數(shù)字濾波方法。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)工作原理框圖

（1）遞推平均濾波

遞推平均濾波是指把N個(gè)采樣數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，在計(jì)算濾波值時(shí)再把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到新的濾波值。遞推平均濾波的計(jì)算公式如下

yn-i——未經(jīng)濾波的第n-i次采樣值

N——遞推平均項(xiàng)數(shù)

對(duì)于遞推平均濾波，上式中的N取6。遞推平均濾波只需進(jìn)行一次采樣就能得到當(dāng)前算術(shù)平均濾波值，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值偏差。

（2）中位值濾波

中位值濾波是指在某一采樣時(shí)刻（采樣點(diǎn)），對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣m次，然后把m次采樣值按大小排隊(duì)，取中間值作為本次采樣值。其算法如下：連續(xù)采樣了m次數(shù)據(jù)并按照大小排隊(duì)后依次為y1，y2，…，ym。若采樣次數(shù)m為奇數(shù)，則中位值濾波結(jié)果為

若采樣次數(shù)m為偶數(shù)，則中位值濾波結(jié)果為

式中 yn——第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出

y(m/2)，y(m+1)/2，y(m+2)/2：采樣數(shù)據(jù)y1，y2，…，ym的中位值。

中位值濾波能去掉采樣數(shù)值中的極大值和極小值，能有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)造成的脈沖干擾。氣罐壓力變化較快，m值不宜取得過大，一般m取5～7。

4 調(diào)速控制策略

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用ON/OFF比較滯后控制方式，其控制算法如圖2所示。預(yù)先設(shè)置好比較判斷的ON值和OFF值以及發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速RPMmin值和最大轉(zhuǎn)速RPMmax值。t0時(shí)刻空壓機(jī)開始加載工作時(shí)，氣罐壓力較低小于OFF值，發(fā)動(dòng)機(jī)升到最大轉(zhuǎn)速RPMmax并保持最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)以增加進(jìn)氣量。隨著高轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量增加到達(dá)t1時(shí)刻時(shí)，氣罐壓力p1大于OFF值，發(fā)動(dòng)機(jī)降到最小轉(zhuǎn)速RPMmin并保持最小轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)以減少進(jìn)氣量。隨著低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量減少到達(dá)t2時(shí)刻時(shí)，氣罐壓力p2低于ON值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又恢復(fù)最大轉(zhuǎn)速RPMmax運(yùn)轉(zhuǎn)。如此反復(fù)比較ON值和OFF值來控制發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速RPMmax或最小轉(zhuǎn)速RPMmin 2個(gè)轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，控制程序流程圖如圖4所示。

圖2 ON/OFF比較滯后控制方式

圖3 ON/OFF比較跟隨控制方式

圖4 ON/OFF比較滯后控制程序流程圖

圖5 ON/OFF比較跟隨控制程序流程圖

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用ON/OFF比較跟隨控制方式，其控制算法如圖3所示。預(yù)先設(shè)置好比較判斷的ON值和OFF值、升速率Ku和降速率Kd值以及發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速RPMmin值和最大轉(zhuǎn)速RPMmax值。t0時(shí)刻空壓機(jī)開始加載工作時(shí)，氣罐壓力小于設(shè)置ON值，發(fā)動(dòng)機(jī)以升速率Ku開始升速。t1時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已升到達(dá)最大轉(zhuǎn)速RPMmax而氣罐壓力p1仍小于ON值，發(fā)動(dòng)機(jī)則停止升速并保持以當(dāng)前最大轉(zhuǎn)速RPMmax運(yùn)行。隨著高轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量的增加，t2時(shí)刻氣罐壓力p2大于OFF值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以降速率Kd開始降速。t3時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已降到最小轉(zhuǎn)速RPMmin而氣罐壓力p3仍大于OFF值，發(fā)動(dòng)機(jī)則停止降速并保持以當(dāng)前最小轉(zhuǎn)速RPMmin運(yùn)行。隨著低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣量的減少，t4時(shí)刻氣罐壓力p4小于ON值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又以升速率Ku開始升速；隨著轉(zhuǎn)速升高進(jìn)氣量增加，t5時(shí)刻氣罐壓力p5大于ON值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)則停止升速保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速運(yùn)行，直到t6時(shí)刻氣罐壓力p6大于OFF值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)又以降速率Kd開始降速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終比較跟隨著氣罐壓力是否小于ON值或大于OFF值進(jìn)行升降速或者保持已運(yùn)行到某個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)行，控制程序流程圖如圖5所示。

圖6 ON/OFF比較滯后調(diào)節(jié)壓力與轉(zhuǎn)速曲線

圖7 ON/OFF比較跟隨調(diào)節(jié)壓力與轉(zhuǎn)速曲線

5 實(shí)際控制效果的分析

在空壓機(jī)上測(cè)試時(shí)采集氣罐壓力與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如下圖所示。圖6是ON/OFF比較滯后控制方式，剛開始?xì)夤迚毫^低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行增加進(jìn)氣量，氣罐壓力迅速上升。當(dāng)氣罐壓力到達(dá)OFF值后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降到最小轉(zhuǎn)速，進(jìn)氣量大幅減少氣罐壓力快速降低。當(dāng)氣罐壓力低于ON值后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又恢復(fù)最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行。整個(gè)控制過程氣罐壓力波動(dòng)較大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也忽大忽小地變化，供氣很不穩(wěn)定。圖7是ON/OFF比較跟隨控制方式，當(dāng)氣罐壓力大于OFF值后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按預(yù)設(shè)的斜率進(jìn)行降速。當(dāng)氣罐壓力在ON值與OFF值之間時(shí)保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速。當(dāng)氣罐壓力小于ON值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按預(yù)設(shè)的斜率進(jìn)行升速。整個(gè)控制過程氣罐壓力波動(dòng)較小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨著氣罐壓力變化，按預(yù)設(shè)的斜率升降速或者保持在某個(gè)轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較柔和平穩(wěn)，供氣也較穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了移動(dòng)螺桿空壓機(jī)配電控發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方案、壓力信號(hào)的采集、調(diào)速控制策略，并且已在柳工柴油移動(dòng)螺桿空壓機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證該方法能滿足柴油移動(dòng)螺桿空壓機(jī)在實(shí)際工作中的應(yīng)用。