行车取力发电用调速器的设计

刘明 王崴 张锐 谢迪 杨统

摘要：针对目前通讯车辆驻车取力发电灵活性和机动性的不足，本文进行了行车取力发电用调速器的设计。本设计采用泵阀马达一体化式全液压传动方案，并采用变量泵+液压伺服阀+定量马达+反馈控制系统的整体式一体化结构。利用Simulink进行了系统模型仿真，用AMESim软件对泵的恒流量模型进行仿真，结果表明本方案能实现汽车行驶过程中的无极调速。

关键字：行车取力；液压调速器；泵阀马达；Simulink；AMESim

随着科技的发展，通讯车面临的作业环境也越来越复杂。而这些机动装备中含有的许多电子设备，需要实时提供电力供应。然而，在行进状态中，由于汽车发动机转速的变化，导致了现有的车载自发电系统只能采取驻车发电方式，这极大限制了通讯车的灵活性与适应性。因此对在行进过程中能进行平稳发电的行车取力发电装置的研究也日益得到重视。

北京理工大学的郭初生博士、王渝教授进行了恒速控制的仿真研究，证明了行车发电系统的可行性，设计了系统的整体控制策略[1,2]。重庆铁马集团公司张川渝等人进行了特种车辆车载交流发电控制系統的研究，通过调节液压变量马达的排量,来控制发电机的转速稳定。由于可以直接调节液压系统的压力，因此提高了控制系统的反应速度[3]。军事交通学院的张文斌、李幸丹、陈林等分别对发动机、发电机进行PID恒速控制研究[4]。

基于以上研究成果，本文提出了采用泵控马达的行车取力发电用调速器的方案。

1.设计需求分析

现有交流电行车自发电系统，技术还不够成熟并且接口不统一，不同单位自主研发的系统测试结果也打不形同，与现行移动电站的移动电站通用规范差距比较大[5]。

目前通讯车的自发电系统一般采用驻车发电的形式，因而只能在非行驶状态发电，对于一些突发情况适应性比较差，这就对行车取力发电提出了较高的要求。根据调研，目前自发电系统需求最多的功率等级是12、16、24、30Kw这几个等级，并且受环境的限制，故障率比较高，维修比较困难，由于通讯车的性质决定行车取力发电过程要求可靠性比较高，并且要能适应环境变化的影响，并且具有比较强的电磁兼容性，调速器不仅仅要保证能够实现无级调速，对车上电子元器件的干扰应该尽可能小。

针对以上状况，本文设计了行车取力发电用调速器，其输入转速大概在800~1000转每分钟，输出转速在能稳定在1500或者2000转每分钟，输出功率在30Kw并且具有一定的过载保护能力。其输出转速误差保证在 以内。

2.总体设计

2.1传动形式的选择

机械传动的传动比比较准确，传动的灵敏性比较高，能够快速的对变量做出反应，实现无级变速的结构复杂，成本较高。液压传动能方便的进行无极调速，调速范围大，然而由于泄露影响和和存在机械摩擦，压力损失，泄露损失，因而易使油液发热，使得总效率较低[6]。为满足特种车辆的大负载和比较恶劣的工作环境，并要求其有很高的可靠性、灵敏度和稳定性，本文应用液压机械无极变速器来实现稳定发电。

节流调速型系统一般采用阀控的方式，泵输出的液压油经过节流阀和溢流阀等调控实现

马达的转速的变化，节流型控制系统的溢流损失和节流损失较大，因而效率较低。泵控马达容积调速系统主要使用变量泵和定量液压马达组成，效率较高、产生热量少、调速范围较大和输出转矩比较稳定，输出转速的误差会略大，因为其调速主要靠变量泵的排量改变实现调速，而变量泵的排量变化相对于阀控系统显然灵敏度差[6]。将节流变速和容积变速结合在一起可以充分发挥阀控的灵敏性和泵控节能的特点。

2.2设计方案

本设计采用泵阀马达一体化式全液压传动方案，选用轴向变量柱塞泵—定量马达系统作为发动机和发电机组之间的调速装置。采用变量泵+液压阀+定量马达+反馈控制系统这种形式，可以实现输入转速和负载在较大范围内变化，而输出转速恒定的无级变速要求。图1是本方案的原理图。

图1 系统工作原理框图

Fig.1 The schematic diagram of the system

其调速原理如下：

液压马达的转速随着发动机输入转速和发电机的负载的变化而变化，回路流量随着马达转速的变化而变化，利用检测元件测量系统流量以及压力的变化，使时伺服系统工作。伺服系统调节轴向柱塞变量泵的斜盘的倾斜角可以调节泵的排量，使得泵的排量稳定在一定的范围内，从而实现在很大速度范围内保持泵的输出流量基本稳定，达到泵控系统的节能目的。调节伺服阀与溢流阀的节流量则可以以很高的灵敏度调整液压马达的转速，实现发电机的速度稳定。

2.3结构方案

全液压传动，泵阀马达一体化式结构方案，采用变量泵+液压伺服阀+定量马达+反馈控制系统的结构，液压泵和液压马达以及控制系统和伺服阀等组合在一起，此方案集成度高，空间占用小。图2是全液压传动泵阀马达一体化式结构原理图。

图2 系统结构图

Fig.2 The construction drawing of the system

其具体工作流程如下：

电液比例减压阀、初级柱塞和三位四通滑阀以及变量柱塞组成变量调节机构，当回路流量变化时，控制系统会作用于电液比例减压阀，电液比例减压阀的出口压力与输入电流成正比，初级柱塞在减压阀输出压力的作用下带动柱塞推动三位四通滑阀阀芯动作，从而变量柱塞在液压油的压力下推动斜盘的倾角发生变化进而改变泵的排量，当输入电流不再变化时初级柱塞就不再动作，因而谢盘倾角不再变化，排量保持恒定，直到下一次电流变化。泵的流量处于动态稳定状况中。

2.4相关元件的选型

按照输出转速1500r/min，30kW功率要求设计系统，通过计算选定：

2.4.1变量泵。本方案选用力士乐公司生产的A4VG-EP 105电液比例控制斜盘式轴向柱塞变量泵，额定排量为105ml/r。该变量泵将补油泵和滤油器集成在一起。结构紧凑，管路较短，功率损失较小。采用电控方式工作，控制电流小。如图3。

2.4.2定量马达。定量马达选用力士乐公司生产的A10FM 58马达。该马达的最大排量为58ml/r，马达的最高工作压力为31.5MPa。在调速系统中将变量泵输出的液压能转换为机械能输出到发电机上。如图4。

图3A4VG-EP 105变量泵 图4A10FM 58定量马达

Fig.3 A4VG-EP 105 variable displacement pump Fig.4A10FM 58 fixed displacement motor

3.系统仿真验证

PID控制技术在工业控制过程中使用非常普遍，一方面是由于PID控制器比较固定;另一方面是因为PID控制器连接方式比较简单。因此PID控制器的应用依然非常广泛[7]。

本方案中的泵阀马达系统为闭环控制系统，采用机械调节的方式调节液压缸的流量，通过霍尔传感器检测液压马达转速参数，并将实时参数传给微控制器，将控制器的预先设定参数与检测结果进行比较，控制器输出控制电流，调整马达转速使其达到目标值。系统的控制原理即为上图1。

系统简化的原理图如下：

图5简化的原理图

Fig.5 Simplified schematic diagram

对变量泵，伺服阀，滑阀，液压缸，液压马达建模并用Simulink工具箱进行仿真[8]。

Simulink仿真原理图[9]为：

图6 仿真原理图

Fig.6 The emulation schematic diagram

仿真结果为：

图7仿真结果

Fig.7 The result of the emulation

通过仿真结果可以知道在恒定转速输入情况下马达的转速比较稳定，能较好的保证发电机转速，但是响应时间还不够理想，在控制方式上应该选用PID控制以取得更好的效果。

用AMESim软件进行泵的恒流量控制仿真，在两种不同转速输入情况下泵的流量和斜盘倾角变化如下，说明斜盘倾角能较好的适应输入转速的变化，同时泵的流量能基本保持恒定。仿真结果如图8所示：

图8 变转速输入下泵的恒流量控制

Fig.8 The constancy flow rate control of the pump under the variable swiveling speedinput

4.結论

本文针对通讯车在作业情况下汽车发动机转速处于时变状态下，从而导致泵输入转速和力矩负载时变这一特点，对汽车行车取力发电用调速器进行了设计，选用柱塞泵--液压马达系统作为发动机和发电机组之间的调速装置，采用变量泵+液压阀+定量马达+反馈控制系统进行发电机输入转速的调节并建立了全液压传动泵阀马达一体化式结构的数学模型。本方案仿真结果表明：

4.1在负载突变的情况下，调速器能迅速调整马达输出转速，从而保证发动机的输入转速依然能满足发电机发电要求，具有良好的调节效果；

4.2在发动机转速变化的情况下变量泵能及时调节斜盘倾角以适应回路流量的变化。

5.参考文献

[1] 郭初生，王向周，王渝.汽车行驶取力发电系统的建模与仿真[J].系统仿真学报，2005（8）:1809-1812.

[2] 郭初生，王向周，王渝.变转速轴向柱塞泵恒流量控制的建模与仿真[J].北京理工大学学报,2004（11）：961-965.

[3] 张川渝.特种车辆车载交流发电控制系统的研究[J].车辆与动力技术,2004(3):23-25.

[4] 资新运,李幸丹,张文斌,郭锋，王琛.液压传动电源车动力控制系统设计[J].移动电源与车辆,2007(3):

1-3.

[5] 何建清,石秉良,解来卿.军车自发电系统现状及需求分析[J].技术论，2011(5):71-74.

[6] 贾铭新,液压传动与控制[M].北京：国防工业出版社.2010：5～6,161～175.

[7] 刘金琨.先进PID仿真Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社.2004：65～70.

[8] 宋志安.基于Matlab的液压伺服控制系统分析与设计[M].北京：国防工业出版社，2007.6，276-283.

[9] 李婷婷,张奕.电液比例变量泵—马达恒速控制系统的研究[D].长安大学，2004(5):18-29.