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液粘调速离合器电控系统研究 |
| 摘 要：本文从液粘调速离合器的调速控制原理入手，对调速控制系统的核心—— 电控器采用了抗积分饱和PID控制算法，给出了具体的PID算法实现方法并在针对电液比例阀的硬件设计中使用了颤振信号发生电路、V—I转换和电流放大电路等关键技术。经试验验证，所设计的调速控制器能够满足液粘调速离合器调速时间和调速精度要求。 关键词：粘性 离合器 电控器 调速 l 引言 液粘调速离合器是在二十世纪七十年代发展起来并得到广泛应用的新型传动装置。它依靠液体的粘性和油膜的剪切作用传递转矩和调节转速，通过调节控制油压改变主、从动摩擦片之间的油膜厚度即压紧程度，从而在主动轴转速不变的条件下，实现从动轴转速无级调速。液压调速及恒速控制技术是直接影响液粘调速离合器调速、恒速能力的关键技术，电控系统是液压调速及控制系统的核心。 2 液压调速及控制系统分析和方案设计 液粘调速离合器控制系统要实现的主要功能有两个，一是调速功能，即根据输出转速的目标值（即设定值）调节在摩擦片组上的控制油压调速；二是稳速功能，即自动抑制各种干扰（如负载波动、输入转速波动等）引起的输出转速的波动。现有的国内外液粘调速离合器的控制系统大致分为两类。 一类是以奥米伽阀为核心的控制系统，这种控制系统在输出端转鼓上装有奥米伽阀，这是一种离心式调速阀，可以起到提高转速稳定精度的作用。控制油压加在奥米伽阀阀芯的内外两端，转鼓带着阀芯旋转时，阀芯产生离心力，此力与作用在阀芯上的弹簧力、液压力相平衡。当转速突然有小量升高的波动时，则阀芯离心力增大，弹簧伸长，奥米伽阀的节流口开度增大，控制压力下降，使输出转速降低，恢复到原来设定的转速；反之，如果某种原因使输出转速降低，则阀芯离心力减小，弹簧压缩，节流口开度减小，使控制压力提高，则输出转速恢复到原来设定的转速。若需要输出转速连续的变化，控制压力使奥米伽阀的节流口连续的变化，保证输出转速的连续升高或降低。 这种转速闭环控制系统结构简单，省略了转速的电子反馈部分，其反馈信号的提取、比较和处理均以液压转换的方式进行。由于奥米伽阀的反应很灵敏，能起到很好的抑制转速波动的作用，降低了转速的波动率。但这种控制系统中对加在奥米伽阀阀芯上的控制油压的控制比较简单，因此调速功能薄弱，调速精度不高。 另一类控制系统以电控器和电液比例伺服阀为核心，它们构成了电子式转速反馈的闭环控制系统。电控器是控制主体，是实现转速控制的枢纽；电液比例阀为执行元件，磁电式转速传感器作为反馈元件。通过改变电控器输出到电液比例阀的控制电流，来改变系统油压，即改变了加压活塞的压力和摩擦副之间油膜的厚度，从而调节了液粘调速离合器的输出转速。如此，指令电流大，则输出转速高，反之亦然。此类控制系统采用电子式转速反馈，转速控制灵敏，动态响应快，且操作简便易行，并可以与计算机实现联网控制。 上述两类控制系统各有特点，前者因为在油路系统中设有奥米伽阀，稳速性能较好，调速性能不如后者；后者的调速性能较好，稳速性能不如前者。在进行液压调速及控制系统的方案设计时，通过吸取两类控制系统的优点和长处，综合应用奥米伽阀、电控器、电液比例阀等（如图l所示），形成两个闭环反馈控制回路：一路由奥米伽阀这种离心式调速阀自身形成的离心液压式稳速反馈；另一路由磁电式转速传感器、电控器、电液比例阀以及奥米伽阀构成的调速反馈回路。 液粘调速离合器主要应用于风机、水泵、带式输送机以及特种船舶动力等场合，根据负载特点，在压力油缸供油的控制油回路中采用了旁路节流调压回路，以增大其大负载工况下的速度刚度（见图1）。将节流阀（即油路中的电液比例阀）安装在与液压缸  电控器是调速控制系统的核心，它将转速反馈信号与转速设定信号进行比较，将得到的误差值进行处理，再经过积分放大，去控制电液比例阀的溢流量，使控制系统获得对应的油压，从而获得所需要的输出转速。电液比例阀是电控器直接控制的对象，阀的溢流量与输入电流成正比，可连续无级调节控制油路的压力。在电控器的设计中，采用了软硬件结合的方法，对电控器输出到电液比例阀的控制电流进行优化，既做到调速灵敏，响应快，又要减小冲击和转速波动。 3 电控系统控制算法设计 现代伺服驱动系统一般都要求在调速时既要满足高的调速精度，又要求响应快速、超调量小，因此采取合理的控制策略至关重要。目前在工业过程控制中采用最多的依然是PID控制，其比例超过了95 ，即使在发达国家如日本，PID控制的使用率也达到了84．5 [j ，之所以如此，是因为PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高、易于实现。另外，由于在电液伺服系统中往往存在包括死区、滞环等非线性环节，使用未经优化的PID算法也难以达到好的控制效果。因此，有必要针对电液回路的具体特征进行分析，对数字PID算法进行优化和改进。 位置式PID控制器控制算法的离散形式为：
P、I、D控制参数的作用为： （1）P控制只改变偏差信号的幅值而不影响其相位。加大比例增益K ，可以提高系统的开环增益，减少系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但Kt 过大时系统的稳定性变差，甚至可能造成闭环系统的不稳定。 （2）I控制能对偏差进行记忆并积分，有利于消除稳态误差，所以采用积分控制器有利于提高系统的稳态性能。但积分往制作用使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生则9o。的相角滞后，对系统的稳定性不利。 （3）P控制与I控制是根据当前和过去的偏差信号的方向与大小进行调节，而D控制对信号的变化趋势很敏感，具有一定的预见性。但是，D控制只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响，并且对系统噪声非常敏感。 P、I、D三个控制环节特性各异，在实际使用中常将这三种控制规律进行不同的优化组合，以满足系统对动态与稳态性能的综合要求。 液压回路中阀类控制对象的响应速度远远小于电子电路的响应速度，因此，在实际的控制过程中出现偏差时，若不采用一定的措施，常常会出现积分饱和的现象。即：如果系统一直存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累  针对控制对象（电液比例阀）的这类特性，综合考虑动态过程的调速快速性和稳态时的速度稳定性，选用抗积分饱和的PID控制算法可以到到比较好的控制效果。在计算u（k）时，首先判断上一时刻的控制量u（k一1）是否已经超出限制范围，对u（k）进行限幅： 若u（k一1）>u 则只累加负偏差；若U（k一1）<Umax ，则只累加正偏差。这样就可以避免控制量长时问停留在饱和区，加快了控制系统的响应速度。程序流程图如下： 在YT16和YT100型液粘调速离合器的台架试验中，我们对以上控制方法进行了测试，以下是YT100的阶跃响应台架试验曲线，见图3由图3的525r／min到750r／min阶跃响应曲线可以看出，系统在阶跃干扰条件下，能够做到响应迅速、过渡平稳、而且无超调；由此可见，采用抗积分饱和的PID方法，可以避免控制量长时间停留在  4 电控系统硬件设计 电控器采用196k系列的高性能单片机作为核心，包括转速信号采集、温度压力模拟量信号采集、开关量I／0、电液比例阀电流输出等外围接12I模块。其中用于电液比例阀的电流输出模块，在调速过程中起着关键作用，它由D／A转换、颤振信号发生、信号调理、V—I变换、电流放大等子模块组成，下面重点介绍颤振信号和V_I变换子模块。 比例电磁铁通常存在明显的电磁滞环，为提高其动态性能、减少滞环，通常在其线圈正常工作的稳定信号上的基础上叠加一定频率和幅值的颤振信号（见图4）。 在电液比例阀的工作信号上叠加一定频率的颤振信号可以有效地防止滑阀卡涩，电液比例阀的阀芯在工作期间不断产生颤振运动，一方面可以使阀芯与阀套之间的静摩擦力转化成动摩擦力，提高电液比例阀的灵敏度。另一方面，阀芯与阀套之间的相对运动也可以清除由于长期处于静止状态而在阀芯与阀套之间的间隙中堆积起来的大小颗粒杂质。滑阀的卡涩有一定的过程，它和油中所含杂质在其表面的堆积有紧密的联系，如果滑阀经常作小幅度的颤动，经常清除其表面的大小颗粒杂质，则发生卡涩的概率就会大大降低。 同时为避免颤振信号对机组的负荷产生影响，要合理的选择颤振信号的频率。通常颤振信号的频率选取在电磁铁芯无阻尼自然频率的1．2—2倍范围。所以电液比例阀虽然因颤振信号而不断运动，而液粘调速离合器的正常运行不会受到影响l2]。 电控器发出的颤振信号的频率可由软件设置，根据电液比例阀的特性，可在现场通过软件灵活地更改颤振信号的输入频率，频率的幅值可通过改变分压电阻的分压比来调整（见图4）。  电液比例阀需要0～800mA 的控制电流，这样大的控制电流必须设置V I转换和电流放大来达到目的。放大电路有三种基本组态，共射极电路的电压、电流、功率增益都比较大；共基极电路在宽频带或高频情况下稳定性较好；共集电极电路输入电阻 另外，常用的V／I转换器可分为两种，一种为负载共电源方式，一种为负载共地方式，如下图所示：  设计中，我们采用负载供电源方式，下面以负载供电源方式为例介绍其工作原理；假设放大器的开环增益足够大，基极电流Iid=0。 式中， RL——-电液比例阀的等效输入抗。 稳压二极管IN4001用于保护达林顿管，TIP142为大功率达林顿管可输出足够大的电流，同时使用大功率率达林顿管克服了晶体管在大电流条件下出现的增益下降误差变大的缺点。 5 试验和验证 依据以上的控制算法和硬件电路，研制了TSQA型电控器，并在TY16和TY10型液粘调速离合器上进行试验。试验结果表明，所采用的PID控制算法和硬件电路能满足液粘降速离合器快速平稳调速的要求，在满足的、额定转速1500r/min、额定转距1.6kNm（TY16型）和9.6kNm（TY10型）工况下，稳定调速范围达到0.2——0.1，输出转速波动率<5%，调速时间在10s以内。当负载或输入转速出现波动时，离合器能在很短的时间内恢复到输出转速设定值，保持输出转速的恒定，完全满足高性能调速要求。 |
————TIP142的共基极电流方法系数。