電控硅油風扇轉速波動抑制方法研究

中圖分類號：U464.138 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）03-0023-09

隨著電動化、智能化在車用發動機領域的廣泛應用，客戶除了關注傳統的節能降耗效果外，良好的駕乘體驗也越來越受到年輕客戶的追捧。對振動、噪聲等的控制越來越被生產廠商關注[]，硅油風扇、電磁風扇、電子風扇等柔性風扇技術已在商用車、工程機械等行業普及[2-3]。電控硅油風扇相比于傳統的剛性連接風扇，其轉速可以在全轉速范圍內靈活控制，在節能降耗、噪聲控制方面有明顯的優勢，且在散熱功率、驅動功率、成本等方面相比于電子風扇也有明顯的優勢，在商用車、大型工程車輛上，電控硅油風扇被廣泛應用。車外噪聲來源主要是風扇，對風扇噪聲的抑制是當前噪聲控制的核心和難點[4]。風扇波動噪聲與風扇轉速波動強相關，尤其在低速下，較大的轉速波動會引起風扇轉速的較大變化。鄭福新5通過優化硅油離合器結構提高分離-嚙合靈敏度來改善風扇轉速控制效果。龔紀強研究PWM驅動頻率、溫度、硅油黏度等對風扇轉速控制的影響，通過對轉速閉環控制進行溫度修正、防全嚙合修正、電磁閥驅動頻率修正等實現轉速的平穩控制。陳首剛等提出一種風扇閉環控制積分抗飽和控制方法，通過對積分值進行抗飽和處理，實現風扇完全脫開和完全嚙合情況下的轉速精確控制。孟康等[8提出一種基于硅油風扇嚙合度的PID閉環 +ON/OFF 開環的組合式控制方法，在靠近全嚙合區間時，控制電磁閥進行ON/OFF控制，防止全嚙合發生。

上述對硅油風扇轉速穩定性的控制均存在一定缺陷，無法真正解決因風扇離合器物理結構等引起的風扇轉速不受控等問題。如在風扇完全脫開和完全嚙合情況下對電磁閥積分開度進行抗飽和處理，并不能實現積分開度的穩定，完全脫開和完全嚙合情況下由于積分開度的累積，還是會導致轉速的大幅變化。在靠近全嚙合區間時采用ON/OFF開關控制方式，給電磁閥固定開度仍然會導致全嚙合現象的發生，且無法解決全脫開、部分區間下轉速波動大的問題。

針對上述問題，本研究選取市場主流挖掘機用硅油風扇作為研究對象，通過對其控制特性、轉速波動機理進行深人研究，總結出風扇轉速波動的根本原因及影響因素，提出了一種動態積分凍結方法，通過識別風扇運行狀態，靈活、動態凍結積分開度，固定PID開度，在風扇低輸入轉速、低目標轉速工況下，或高輸入轉速、高目標轉速工況下，實現轉速平穩控制，消除轉速波動，獲得良好的駕乘體驗。

1硅油風扇控制特性

硅油風扇轉速的快慢主要取決于電磁閥驅動內部彈性簧片的開度，開度不同，硅油在工作腔和儲存腔內流動的流量不同，風扇轉速不同。受硅油離合器內部簧片彈性特性、硅油黏度特性、電磁閥占空比驅動特性、全嚙合脫開特性等因素影響，在部分轉速區間，風扇很難穩定控制。

如圖1所示，從風扇離合器驅動特性曲線上可以看出，受硅油黏度特性影響，在低輸入轉速或小電磁閥開度下，硅油從儲存腔流向工作腔需要的時間較長，導致風扇轉速提升需要較長時間。當出現轉速偏差且持續時間較長時，PID閉環控制算法在積分的作用下會逐漸增大電磁閥開度，隨著進入工作腔內的硅油量逐漸升高，風扇轉速會逐漸升高，此時在較大的電磁閥開度下，風扇轉速會出現較大幅度的超調，由于PID閉環作用，電磁閥開度會大幅降低，隨著電磁閥開度的大幅波動，風扇轉速出現大幅波動[9]。

同樣地，在高輸入轉速下或較大電磁閥開度下，硅油從儲存腔流向工作腔、從工作腔流向儲存腔需要的時間較短，較小的電磁閥開度變化就會引起風扇轉速的大幅度變化。當風扇臨近全嚙合狀態時，風扇脫開需要一定時間，PID閉環控制算法在積分的作用下會逐漸降低電磁閥開度，全轉到脫開這段時間內，積分的作用會將電磁閥降到較小開度，當風扇脫開后，在較小的電磁閥開度下，風扇轉速會降低至較小值，由于PID閉環作用，電磁閥開度也會大幅升高，當增大到某個數值時，風扇又會全轉。以上原因會導致周而復始出現風扇轉速大幅度波動的現象[10]。

如圖2所示，輸入轉速為 1000r/min ，風扇目標轉速為 時，風扇始終處于全嚙合、脫開、全嚙合的交替狀態，導致風扇轉速大幅波動。

如圖3所示，輸入轉速為 1600r/min ，風扇目標轉速為 600～700r/min 時，電磁閥微小變化就會引起風扇轉速的大幅波動。目標轉速超過700r/min 后，風扇轉速受電磁閥開度變化影響較小，在PID閉環控制下，風扇轉速可以很好地跟隨目標轉速。

2基于動態積分凍結的風扇轉速閉環控制原理

基于動態積分凍結的風扇轉速控制邏輯是在傳統的風扇轉速閉環控制基礎上，根據當前風扇運行工況，判斷風扇運行狀態，據此進行閉環控制邏輯的切換。閉環控制邏輯的差異主要是積分開度的計算方法不同[11]?；趧討B積分凍結法的控制邏輯運行框圖如圖4所示。

基于動態積分凍結的風扇轉速閉環控制邏輯包括工況識別邏輯、動態積分凍結邏輯和控制狀態跳轉邏輯三部分。工況識別邏輯主要是對風扇運行工況進行識別、判斷，輸出風扇運行狀態Fan_st；動態積分凍結邏輯主要對PID算法中的I積分值進行動態凍結，輸出不同的I積分開度值；控制狀態跳轉邏輯主要是根據風扇運行狀態進行控制狀態的跳轉和運行不同的PID閉環控制邏輯。

3基于動態積分凍結的風扇轉速閉環控制邏輯設計

3.1工況識別原理及邏輯設計

由當前溫度計算得到目標轉速，風扇運行工況識別邏輯根據目標轉速和風扇輸入轉速，查詢內置的風扇狀態標識MAP圖，得到風扇運行狀態[12]。邏輯運行框圖如圖5所示。

首先根據風扇電磁閥驅動特性和試驗標定獲取風扇的控制特性MAP圖。按照風扇目標轉速、輸入轉速，將風扇運行工況劃分為可控區、死區、不易控區、全轉區?？煽貐^指的是在該工況區域內風扇實際轉速可以很好地跟隨目標轉速運行；死區指的是電磁閥控制失效區，該工況區域內電磁閥控制特性極差，實際轉速很難通過電磁閥占空比進行控制；不易控區指的是該區域下電磁閥驅動特性較差，風扇實際轉速跟隨目標轉速有較大的波動；全轉區指的是該工況區域內風扇處于全嚙合狀態。在本研究中，將不易控區、死區統稱為不可控區，其控制邏輯相同[13]。風扇控制特性MAP圖示例如圖6所示，該款風扇應用于挖掘機上，共有360個運行工況點，其中死區和不易控區工況合計66個，占比為 18.3% 。

根據風扇狀態標識邏輯，當風扇運行在可控區時，輸出風扇狀態 ，當風扇運行在不可控區時，輸出風扇狀態Fan_st =1 ，當風扇運行在全轉區時，輸出風扇狀態Fan_st =2 。

3.2 動態積分凍結原理及邏輯設計

動態積分凍結邏輯主要是對風扇轉速閉環控制用PID算法中的I積分值進行動態凍結，輸出不同的I積分開度值。由于I積分計算的開度值被凍結，因此風扇轉速偏差 Δn 相對穩定，P、D計算的開度相對固定，因此PID計算出的開度相對穩定。保留P、D不凍結主要是考慮當風扇運行工況在不可控區內跳轉時，實際風扇轉速可以在P、D的作用下進行跟隨變化[15]。

如圖8所示，根據識別到的風扇運行狀態標識號，分別觸發不同的控制邏輯。當風扇標識號為1時運行動態積分凍結邏輯。當風扇轉速偏差 Δn 大于等于標定門檻值時對上一個步長的積分開度進行凍結。標定門檻值根據目標轉速、輸入軸轉速查找MAP得到，可以根據試驗標定得到，在圖9所示示例中，一50表征當風扇實際轉速超過目標轉速50r/min 時開始對積分開度進行凍結。凍結后的積分開度與當前計算得到的微分開度、比例開度相加得到最終的電磁閥開度。這里由于積分開度凍結不變，因此風扇轉速偏差 Δn 保持恒定，加之比例開度、微分開度均保持恒定，故此時的PID累加開度是恒定的[16]。

3.3控制狀態跳轉原理及邏輯設計

風扇控制狀態跳轉邏輯主要是根據風扇運行狀態進行控制狀態的跳轉和PID閉環控制程序的切換。邏輯運行狀態機如圖10所示。

發動機起動成功且風扇完全脫開后，當風扇運行狀態 或 Fan_-st=2 時，風扇控制狀態Fan_stctl =1 ，運行PID閉環控制程序，此情形下閉環控制中的I積分開度初始值為0。當風扇運行狀態 時，風扇控制狀態Fan_stctl =2 ，運行動態積分凍結的PID閉環控制程序，此情形下閉環控制中的I積分開度值會隨著 Δn 的變化動態凍結。

當風扇運行狀態Fan_st由0切換為1或由2切換為1時，表示當前風扇運行工況由可控區跳轉為不可控區，考慮到實際風扇輸人轉速的瞬變特性，因此邏輯中加入延遲模塊，對因輸入轉速瞬態變化引起的風扇運行狀態變化進行延遲處理，避免因輸入轉速的瞬態變化導致電磁閥開度的頻繁變化，引起風扇轉速的波動。

當風扇運行狀態Fan_st由1切換為O或2時，表示當前風扇運行工況由不可控區跳轉為可控區或全轉區，此時風扇控制狀態Fan_stctl =3 ，運行PID閉環控制程序，此情形下閉環控制程序中的I積分開度初始值為狀態跳轉時刻的凍結開度。

4整車試驗結果及分析

本研究選取挖掘機用電控硅油風扇作為研究對象，開展整車定點穩態試驗和瞬態變速試驗。在使用動態積分凍結方法后，低速死區和高速死區工況下風扇電磁閥開度可以有效凍結，風扇轉速運行平穩，消除了風扇轉速不受控現象。

定點穩態試驗：風扇輸入轉速恒定，按照50r/min 步長設定不同的風扇目標轉速，每個目標轉速下維持一定的測試時間，測試不同目標轉速下的風扇實際轉速表現。

瞬態變速試驗：該試驗分為兩種。一種是風扇輸人轉速恒定，風扇目標轉速按照斜率快速增加或減小，測試目標轉速瞬態變化過程的實際轉速跟隨情況，該試驗主要用于模擬測試挖掘機作業過程中風扇轉速隨溫度變化的跟隨響應情況。一種是風扇目標轉速恒定，輸入轉速快速增加或減小，測試輸入轉速瞬態變化過程的實際轉速跟隨情況，該試驗主要用于模擬測試挖掘機作業過程發動機轉速瞬態變化時的風扇轉速跟隨響應情況。

如圖11所示，定點穩態測試試驗中，在風扇輸入轉速 1100r/min ，目標轉速 650r/min 下，使用動態積分凍結邏輯后，I積分開度被有效凍結在固定開度上，PID計算開度固定，風扇轉速偏差 Δn 恒定，可以有效解決風扇波動大的問題。

如圖12所示，定點穩態測試試驗中，在風扇輸入轉速 1400r/min ，目標轉速 1300r/min 下，使用動態積分凍結邏輯后，I積分開度被有效凍結在固定開度上，PID計算開度固定，風扇轉速偏差 Δn 恒定，可以有效解決風扇波動大的問題。

如圖13所示，瞬態變速測試試驗中，當風扇輸入轉速在 范圍內連續變化，風扇目標轉速 1300r/min 恒定，風扇運行工況在可控區、不可控區跳轉時，動態積分凍結邏輯可以按需進行使能控制，可控區內PID控制有效保證實際轉速跟隨目標轉速，不可控區內動態積分凍結邏輯有效凍結積分開度，轉速偏差穩定，從而有效抑制轉速波動問題。

5 結束語

通過對某款風扇離合器驅動特性、風扇運行工況下的表現進行識別、判斷，運用動態積分凍結程序，在風扇低速控制死區、高速控制死區內凍結積分開度，通過PD開度控制死區工況切換時的風扇轉速變化。對某挖掘機開展定點穩態工況、瞬態變速工況測試，在風扇控制死區66個工況點下，風扇均可穩定運行，未出現轉速劇烈波動現象，風扇轉速波動工況百分比由 18.3% 降低為 0% 。該技術有效抑制了風扇控制死區內的轉速波動問題，有效解決了風扇轉速波動帶來的噪聲問題。

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Abstract：Matching flexiblefans and reducing power consumption is an important means toreduce fuel consumption for engines.Comparedwithtraditionaldirect-connectedfansandthrespeedelectromagneticfans，electronicallcontroledilicone oilfans hadawiderspeed governormodulationrange.Tocontrolfanspeedmoreaccuratelyandminimizepowerconsumption， PIDclosed-loopcontrolbasedonfanspeedwas increasinglyapliedtosiliconeoilfansButcertaispeedrangesweredificultto stabiliebecauseoftheelasticpropertisofinteralspring，theviscositycharacteristicsofsiliconeoilsolenoidvalvedutycycle drivecharacteristics，andthedisengagementcharacteristic.Amethodwas henceputforwardtosuppress thespeedfluctuation ofsiliconeoilfansbycombining traditionalPIDclosed-loopcontrolwithdynamicintegralfrezingtechnology，achieving smooth fancontrolandgreatlysolvingtheproblemofspedfluctuationinthecontroldeadzoneoffans.Bycaryingoutfixedpointsteady-statetestsandtransientvariable-speedtestsonacertainexcavator，thetechnologycouldefectivelyeliminatethe phenomenonof spedfluctuationatthefandeadzoneoperating point，andthepercentageof speedfluctuationoperatingconditions reduced from 18.3% to 0% ：

Key words：silicone oil fan;speed fluctuation;PID control;dynamic integral freezing

[編輯：姜曉博]