直線步進(jìn)電機(jī)在壓路機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用
三一重工路機(jī)研究院 李和清
摘 要：本文介紹了一種應(yīng)用于雙鋼輪壓路機(jī)上對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)電氣控制的新技術(shù)，該項技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)壓路機(jī)的遠(yuǎn)程控制并使發(fā)動機(jī)的全程自動化調(diào)速性能得到充分發(fā)揮。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 PLC 閉環(huán)控制 直線步進(jìn)電機(jī) 高速計數(shù) PID
全液壓雙鋼輪壓路機(jī)是在現(xiàn)代路面施工中對路面進(jìn)行壓實，使其達(dá)到預(yù)定密實度、平整度要求的一種施工設(shè)備。由于壓路機(jī)主要是利用它的行走及振動進(jìn)行工作，因此，其行走速度和激振力則決定了施工質(zhì)量的關(guān)鍵。作為主動力的發(fā)動機(jī)，其工作狀況和工作效率直接影響壓路機(jī)整機(jī)工作性能和壽命；其工作轉(zhuǎn)速直接影響整機(jī)輸出功率。為了提高壓路機(jī)整機(jī)工作性能、工作效率，最大限度發(fā)揮發(fā)動機(jī)全程調(diào)速性能，我們通過對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)來達(dá)到上述目的。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1.1 概述
在傳統(tǒng)工程機(jī)械發(fā)動機(jī)的應(yīng)用中，大多通過手動拉桿或腳踏板調(diào)節(jié)油門來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，且對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不進(jìn)行控制，這樣，不僅影響其本身的性能還使壓路機(jī)原有的一些優(yōu)越性能的發(fā)揮受到限制：發(fā)動機(jī)升、降速操作極不方便，很難實現(xiàn)自動和遠(yuǎn)程控制，另外，壓路機(jī)在振動和非振動工作模式下負(fù)載變化大；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的波動而波動，影響發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)的工作效率；發(fā)動機(jī)難以在較低轉(zhuǎn)速下運作，如果負(fù)載較大（低轉(zhuǎn)速下行走或打開空調(diào)），極易造成發(fā)動機(jī)掉速甚至熄火；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不能進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。針對這些情況，我們開發(fā)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算機(jī)閉環(huán)控制裝置以解決上述問題，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
1.2 控制原理分析
雙鋼輪壓路機(jī)在正常工作中有三種狀態(tài)：靜碾壓行走、振動行走和轉(zhuǎn)場高速行走，這三種狀態(tài)對發(fā)動機(jī)所要求的功率輸出是不同的，將行駛手柄、檔位開關(guān)及振動開關(guān)三個開關(guān)量信號輸入到PLC，通過相互間的邏輯關(guān)系可分別確定發(fā)動機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，同時PLC還接收到來至發(fā)動機(jī)飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號，兩個信號一同送入PLC中PID調(diào)節(jié)器，通過某種運算，輸出一個高速脈沖和方向信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)換為兩個相位差180°的驅(qū)動脈沖串給直線步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定轉(zhuǎn)角使花鍵軸發(fā)生相應(yīng)直線位移，并帶動發(fā)動機(jī)油門拉桿精確到達(dá)給定位置，最終使發(fā)動機(jī)在所給定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，保證了發(fā)動機(jī)功率輸出與動力需求的最佳匹配。
考慮到實際工況的特殊要求以及在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號丟失等情況，本系統(tǒng)設(shè)計了轉(zhuǎn)速閉環(huán)和開環(huán)控制兩種模式，并可以通過文本顯示器進(jìn)行自由切換，在開環(huán)模式下，利用操作臺的降速、升速控制開關(guān)實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從低怠速到高怠速的無級調(diào)節(jié)。
1.3 硬件選型分析
目前，在市場上應(yīng)用于電控油門裝置的驅(qū)動裝置有直線比例電磁鐵、擺動步進(jìn)電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī)，對比分析如下：
1）直線比例電磁鐵：結(jié)構(gòu)簡單，免維護(hù)，可靠性高，響應(yīng)快，能實現(xiàn)位移的精確控制，采用PWM脈沖信號控制，脈沖頻率較低<200Hz；缺點是沒有自鎖能力，耗用電流大，最大位置時電流為3.5A，線圈發(fā)熱導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差，線性差。
2）擺動步進(jìn)電機(jī)：可以采用PWM或PTO脈沖信號控制，響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，耗用功率小；缺點是直齒輪傳動，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，沒有自鎖能力，閉環(huán)控制時穩(wěn)定性差。
3）直線步進(jìn)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單，免維護(hù)，可靠性高，能實現(xiàn)位移的精確控制，采用PTO脈沖信號控制，假如步進(jìn)電機(jī)每得到一個脈沖轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)角為5°~12°，轉(zhuǎn)換成直線位移則可達(dá)0.05~0.10mm的精確度，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)動慣量小，十分容易實現(xiàn)啟動、反轉(zhuǎn)和制動，抗干擾能力強(qiáng)，有自鎖能力，缺點是要求脈沖頻率較高>500Hz，必須有極限位置過載保護(hù)裝置。見圖2所示。
圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖
綜合以上分析，我們最終選擇了直線步進(jìn)電機(jī)，通過提高安裝配合精度，高怠速限位保護(hù)及程序軟保護(hù)，不但滿足了恒轉(zhuǎn)速精確控制，控制精度±20RPM,使用壽命也大大提高，已實現(xiàn)了產(chǎn)品批量使用1000小時無故障。
2、控制程序設(shè)計
2.1 軟件的結(jié)構(gòu)
程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括控制主程序、初始化子程序、開環(huán)控制子程序、閉環(huán)控制子程序、PID子程序和中斷程序等。
主程序：調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序，通過確認(rèn)條件位變量M0.1=1和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n>500滿足時調(diào)用閉環(huán)控制子程序，否則調(diào)用開環(huán)控制子程序，接收來至步進(jìn)電機(jī)限位開關(guān)量信號控制是否禁止高速脈沖輸出，見圖3主程序流程圖。
圖3主程序流程圖圖3主程序流程圖
初始化子程序：定義高速脈沖輸出PTO的周期值和脈沖數(shù)，執(zhí)行PLS指令；定義高速計數(shù)HSC及其控制字節(jié)，定義定時中斷時間間隔，調(diào)用中斷INT0；定義PID各初始化參數(shù)。
閉環(huán)控制子程序：在檢測到轉(zhuǎn)速給定值與反饋值偏差超過±20RPM，調(diào)用PID控制子程序，否則PID輸入輸出清零，返回主程序，見圖4閉環(huán)控制流程圖。
圖4閉環(huán)控制流程圖圖4閉環(huán)控制流程圖
2.2 高速計數(shù)
轉(zhuǎn)速脈沖信號由安裝在發(fā)動機(jī)飛輪殼上的電磁式傳感器獲得，PLC通過內(nèi)置高速計數(shù)器（HSC）對傳感器的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，采樣時間由PLC的定時中斷來提供。定時中斷的時間間隔T0為1~255ms，假設(shè)取值為250ms，則PLC每個中斷周期所采集的脈沖數(shù)×4即為我們想要知道的脈沖頻率f，通過以下公式即可計算出對應(yīng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速：
（單位：轉(zhuǎn)/分）
式中：f—轉(zhuǎn)速傳感器信號頻率
n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速
z—飛輪齒數(shù)
2.3 PID調(diào)節(jié)器
測得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差量進(jìn)行PID運算后，將輸出量經(jīng)限幅后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)量的脈沖，同時，還要根據(jù)偏差量的正負(fù)確定輸出一個開關(guān)量信號，兩個信號一起送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，使步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)相應(yīng)數(shù)量的步數(shù)和轉(zhuǎn)動方向，控制發(fā)動機(jī)油門開度增加或減少，從而使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化并趨穩(wěn)定。
本系統(tǒng)屬于反饋控制和精確的數(shù)字控制，我們成功地通過軟件實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制的PID調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)的模擬表達(dá)式為：
M(t)=Kc*e + Kc ∫0t edt +Minitial + Kc*de/dt
其中：
M(t) PID回路的輸出，是時間的函數(shù)
Kc PID回路的增益
E PID回路的偏差
Minitial PID回路輸出的初始值
將其離散化后，在PLC中，微分和積分采用如下公式實現(xiàn)：
微分運算：[新差值E（n）— 舊差值E（n-1）]÷控制周期Tc
積分運算：[舊差值E（n-1）+ 新差值E（n）]×控制周期÷2
由于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)重非線性且滯后性較大，如果采用同一個PID算法，勢必大大影響系統(tǒng)的精度，為此，我們通過實踐反復(fù)試驗，采用逐層分段法，對非線性區(qū)分割成若干個近似的線性區(qū)，各段設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，獲得了滿意的效果。由于通過軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)，省掉復(fù)雜的硬件電路，大大地提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖如圖5。
圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖
2.4 轉(zhuǎn)速限幅、掉速限位
在壓路機(jī)工作中，如果出現(xiàn)較大負(fù)載突變，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過或低于允許的工作轉(zhuǎn)度，有可能對設(shè)備造成重大的損壞，為此，需對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行多種方式的限幅軟保護(hù)和機(jī)械限位硬保護(hù)。
在發(fā)動機(jī)升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，實時轉(zhuǎn)速值反饋回PLC，由PLC進(jìn)行高速計數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，高速計數(shù)器增計數(shù)；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，高速計數(shù)器減計數(shù)，PLC自動分析發(fā)動機(jī)正常運行時的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)步數(shù)，并進(jìn)行運算處理得出步進(jìn)電機(jī)允許正轉(zhuǎn)的最高步數(shù)，當(dāng)由于意外原因引起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速向最高轉(zhuǎn)速上升時，PLC自動封鎖步進(jìn)電機(jī)，以保證柴油機(jī)不會超過所允許的最高轉(zhuǎn)速；如果發(fā)動機(jī)油門已處于最大開度，而此時轉(zhuǎn)速值仍低于給定值，PID將出現(xiàn)失調(diào)，此時限位開關(guān)動作，關(guān)閉高速脈沖輸出，PID清零，步進(jìn)電機(jī)停止工作。
3 結(jié)束語
我們先后在全液壓雙鋼輪壓路機(jī)、全液膠輪壓路機(jī)上采用了以上控制技術(shù)，均取得了良好效果：第一，很容易實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化操作，減輕了操作手勞動強(qiáng)度，操作臺布局更為簡化和美觀；第二，發(fā)動機(jī)在不同負(fù)載時能自動調(diào)節(jié)到不同轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了負(fù)載與動力的最佳匹配，降低了燃油消耗；第三，發(fā)動機(jī)可以在低怠速下穩(wěn)定運行，并避開了整機(jī)共振區(qū)域，降低了低速機(jī)器振動噪音和排放污染。采用本控制裝置不僅大大提高了發(fā)動機(jī)的工作效率，整機(jī)的可靠性、可操作性得到提高，優(yōu)越性得到充分發(fā)揮，受到了廣大用戶的一致好評，圖6為YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)實物照片。
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郵編：410100
[1] 馬勇智, 汪貴行. 汽車檢測技師培訓(xùn)教材. 人民交通出版社，2003.02
[2] SIMATIC S-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[R]. 西門子（中國）有限公司.
圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)
