直線步進電機在壓路機發動機轉速控制中的應用

全液壓雙鋼輪壓路機是在現代路面施工中對路面進行壓實，使其達到預定密實度、平整度要求的一種施工設備。由于壓路機主要是利用它的行走及振動進行工作，因此，其行走速度和激振力則決定了施工質量的關鍵。作為主動力的發動機，其工作狀況和工作效率直接影響壓路機整機工作性能和壽命；其工作轉速直接影響整機輸出功率。為了提高壓路機整機工作性能、工作效率，最大限度發揮發動機全程調速性能，我們通過對發動機轉速進行閉環控制實現發動機轉速的自動調節來達到上述目的。
1 系統結構及原理
1.1 概述
在傳統工程機械發動機的應用中，大多通過手動拉桿或腳踏板調節油門來調節發動機轉速，且對發動機轉速不進行控制，這樣，不僅影響其本身的性能還使壓路機原有的一些優越性能的發揮受到限制：發動機升、降速操作極不方便，很難實現自動和遠程控制，另外，壓路機在振動和非振動工作模式下負載變化大；發動機轉速隨著負載的波動而波動，影響發動機和液壓系統的工作效率；發動機難以在較低轉速下運作，如果負載較大（低轉速下行走或打開空調），極易造成發動機掉速甚至熄火；發動機轉速不能進行自動調節。針對這些情況，我們開發發動機轉速計算機閉環控制裝置以解決上述問題，系統硬件結構圖如圖1所示。

圖1系統硬件結構圖

1.2 控制原理分析

雙鋼輪壓路機在正常工作中有三種狀態：靜碾壓行走、振動行走和轉場高速行走，這三種狀態對發動機所要求的功率輸出是不同的，將行駛手柄、檔位開關及振動開關三個開關量信號輸入到PLC，通過相互間的邏輯關系可分別確定發動機對應的轉速，同時PLC還接收到來至發動機飛輪殼上的轉速傳感器的脈沖信號，兩個信號一同送入PLC中PID調節器，通過某種運算，輸出一個高速脈沖和方向信號給驅動器，驅動器將其轉換為兩個相位差180°的驅動脈沖串給直線步進電機，電機旋轉一定轉角使花鍵軸發生相應直線位移，并帶動發動機油門拉桿精確到達給定位置，最終使發動機在所給定的轉速下穩定運行，保證了發動機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動機轉速信號丟失等情況，本系統設計了轉速閉環和開環控制兩種模式，并可以通過文本顯示器進行自由切換，在開環模式下，利用操作臺的降速、升速控制開關實現發動機轉速從低怠速到高怠速的無級調節。
1.3 硬件選型分析
目前，在市場上應用于電控油門裝置的驅動裝置有直線比例電磁鐵、擺動步進電機和直線步進電機，對比分析如下：
1） 直線比例電磁鐵：結構簡單，免維護，可靠性高，響應快，能實現位移的精確控制，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，線圈發熱導致熱穩定性差，線性差。
2） 擺動步進電機：可以采用PWM或PTO脈沖信號控制，響應快，抗干擾能力強，耗用功率小；缺點是直齒輪傳動，結構較復雜，沒有自鎖能力，閉環控制時穩定性差。
3） 直線步進電機：結構簡單，免維護，可靠性高，能實現位移的精確控制，采用PTO脈沖信號控制，假如步進電機每得到一個脈沖轉一個轉角為5°~12°，轉換成直線位移則可達0.05~0.10mm的精確度，響應快，轉動慣量小，十分容易實現啟動、反轉和制動，抗干擾能力強，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裝置。見圖2所示。

圖2直線步進電機剖示圖

綜合以上分析，我們最終選擇了直線
步進電機，通過提高安裝配合精度，高
怠速限位保護及程序軟保護，不但滿足了恒轉速精確控制，控制精度±20RPM,使用壽命也大大提高，已實現了產品批量使用1000小時無故障。
2 控制程序設計
2.1 軟件的結構
程序編制采用模塊化結構，包括控制主程序、初始化子程序、開環控制子程序、閉環控制子程序、PID子程序和中斷程序等。
主程序：調用系統初始化子程序，通過確認條件位變量M0.1=1和發動機轉速n>500滿足時調用閉環控制子程序，否則調用開環控制子程序，接收來至步進電機限位開關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

初始化子程序：定義高速脈沖輸出PTO的周期值和脈沖數，執行PLS指令；定義高速計數HSC及其控制字節，定義定時中斷時間間隔，調用中斷INT0；定義PID各初始化參數。

閉環控制子程序：在檢測到轉速給定值與反饋值偏差超過±20RPM，調用PID控制子程序，否則PID輸入輸出清零，返回主程序，見圖4閉環控制流程圖。

圖4閉環控制流程圖

2.2 高速計數
轉速脈沖信號由安裝在發動機飛輪殼上的電磁式傳感器獲得，PLC通過內置高速計數器（HSC）對傳感器的脈沖信號進行計數，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，假設取值為250ms，則PLC每個中斷周期所采集的脈沖數×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發動機的轉速：
（單位：轉/分）
式中：f—轉速傳感器信號頻率
n—發動機轉速
z—飛輪齒數
2.3 PID調節器
測得的發動機轉速進入PID調節器，調節器根據設定轉速與實際轉速的偏差量進行PID運算后，將輸出量經限幅后轉換成相應數量的脈沖，同時，還要根據偏差量的正負確定輸出一個開關量信號，兩個信號一起送至步進電機驅動器，使步進電機運轉相應數量的步數和轉動方向，控制發動機油門開度增加或減少，從而使發動機轉速跟隨給定值變化并趨穩定。
本系統屬于反饋控制和精確的數字控制，我們成功地通過軟件實現了轉速控制的PID調節，PID調節的模擬表達式為：
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
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：
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
由于發動機的轉速嚴重非線性且滯后性較大，如果采用同一個PID算法，勢必大大影響系統的精度，為此，我們通過實踐反復試驗，采用逐層分段法，對非線性區分割成若干個近似的線性區，各段設置不同的參數進行PID調節，獲得了滿意的效果。由于通過軟件來實現系統的PID調節，省掉復雜的硬件電路，大大地提高了系統的控制精度和可靠性。轉速調節控制框圖如圖5。

圖5 轉速調節控制框圖

2.4 轉速限幅、掉速限位
在壓路機工作中，如果出現較大負載突變，發動機轉速超過或低于允許的工作轉度，有可能對設備造成重大的損壞，為此，需對發動機的轉速進行多種方式的限幅軟保護和機械限位硬保護。
在發動機升速和轉速調節過程中，實時轉速值反饋回PLC，由PLC進行高速計數，步進電機正轉，高速計數器增計數；步進電機反轉，高速計數器減計數，PLC自動分析發動機正常運行時的步進電機正轉步數，并進行運算處理得出步進電機允許正轉的最高步數，當由于意外原因引起發動機轉速向最高轉速上升時，PLC自動封鎖步進電機，以保證柴油機不會超過所允許的最高轉速；如果發動機油門已處于最大開度，而此時轉速值仍低于給定值，PID將出現失調，此時限位開關動作，關閉高速脈沖輸出，PID清零，步進電機停止工作。
3 結束語
我們先后在全液壓雙鋼輪壓路機、全液膠輪壓路機上采用了以上控制技術，均取得了良好效果：第一，很容易實現遠程控制和自動化操作，減輕了操作手勞動強度，操作臺布局更為簡化和美觀；第二，發動機在不同負載時能自動調節到不同轉速，實現了負載與動力的最佳匹配，降低了燃油消耗；第三，發動機可以在低怠速下穩定運行，并避開了整機共振區域，降低了低速機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動機的工作效率，整機的可靠性、可操作性得到提高，優越性得到充分發揮，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. 汽車檢測技師培訓教材. 人民交通出版社，2003.02
[2> SIMATIC S-200可編程序控制器系統手冊[R>. 西門子（中國）有限公司.

圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機