车载液压发电机行车工况发电稳速控制

李 昊 杨玉强

1.燕山大学车辆与能源学院，秦皇岛，0660042. 江苏徐州工程机械研究院，徐州，221004

车载液压发电机行车工况发电稳速控制

李 昊1杨玉强2

1.燕山大学车辆与能源学院，秦皇岛，0660042. 江苏徐州工程机械研究院，徐州，221004

车载液压发电机在驻车工况下发出电能的质量较高，但在行车发电工况下，行驶负载的扰动使得发电机转速不稳定，发出的电能质量较差。针对行车发电稳速控制展开研究，构建了行车发电工况下变量泵-定量马达闭式调速系统的数学模型，分析了输出转速波动的机理，采用前馈补偿加直接闭环反馈的方法对马达输出转速波动进行抑制。仿真和实验结果表明，补偿控制能够使系统在行车工况下具有较高的控制精度和鲁棒性，输出电力品质满足军用Ⅱ类自发电电站标准。

液压发电机；行车发电；稳速控制；泵控马达

0 引言

现代战争对自发电电站的要求不仅仅停留在驻车工况，对行车条件下发电的需求也愈来愈强烈，要求车辆或移动装备在行驶过程中也能为用电设备提供高品质电力。车载液压发电机具有体积小、功重比大、噪声低、可在车辆移动中发电等优点，相对于传统发电设备[1-2]优势明显。

国内的行车发电还停留在理论阶段或简单组装国外产品阶段，行车发电技术还有待进一步深入研究。针对液压发电机行车发电的研究主要在控制方法上。文献[3]通过仿真分析，研究了泵控马达调速系统的结构参数和运行参数对系统动态性能的影响。文献[4-5]对行车发电系统进行总体设计和恒速控制策略研究，提出了负载扰动条件下的控制方法。文献[6]采用模糊自整定PID控制方法，对车载液压发电系统马达输出转速进行控制。文献[7-8]将智能控制策略用于行车发电。以上研究仅对行车工况下液压发电机负载扰动时的稳定控制方法进行了分析，对发动机的转速输入波动没有进行深入探讨，控制手段在工程应用时可靠性不高。

本文针对液压发电机在变转速输入条件下的稳定控制方法展开研究，分析其液压传动系统变转速输入、恒转速输出的控制特性，提出了发电机稳速输出控制策略。

1 车载液压行车发电系统

1.1 工作原理

车载液压发电机安装在汽车底盘上，其工作原理如图1所示。汽车发动机一方面驱动车辆正常行驶，另一方面随时为车载液压发电机提供动力输入。发电系统主要包括发动机、变量泵、定量马达、同步发电机等。发动机直接驱动变量泵，进而通过液压传动系统驱动定量马达，定量马达和同步发电机固连在一起，实现动力从发动机到发电机的传递。变量泵-定量马达闭式调速系统可实现变转速输入-恒转速输出控制，此时变量泵工作于恒流源状态。

图1 车载液压发电机工作原理图Fig.1 Schematic diagram of on-board hydraulic generator

1.2 车载液压发电机电气技术要求

根据雷达装备、电子对抗装备和通信装备对电力品质的要求，选取军用Ⅱ类电站标准为技术参数标准[8]，按照12 kW功率设计发电系统。液压马达与发电机采用机械结构固连，因此，可用马达输出转速表征发电频率的变化。马达输出转速指标如表1所示。

表1 发电机输出转速要求

2 车载液压发电机数学模型

车载液压发电机液压传动系统的数学模型主要由两部分组成：作为调速机构的泵控马达模型，作为控制机构的比例阀控缸模型。

2.1 阀控缸的数学模型

高频响比例阀线性化流量方程为

qL=kqxv-kcpL

(1)

式中，qL为液压缸的负载流量，m3/s；kq为阀芯在零位附近的流量增益，m2/s；xv为阀芯位移，m；kc为阀芯在零位附近的流量压力增益，m3/(Pa·s)；pL为液压缸负载压降，Pa。

液压缸流量连续性方程为

(2)

式中，Ctc为液压缸总泄漏系数，m3/(Pa·s)；Ap为活塞的有效面积，m2；xp为活塞位移，m；Vt为两侧容腔总容积，m3；K为液体体积弹性模量，Pa。

液压缸负载力平衡方程为

(3)

式中，mt为活塞及其刚性连接可移动负载的折合质量，kg；Bp为活塞及负载的黏性阻尼系数，N·s/m；Kp为活塞及负载的弹簧刚度，N/m；FL为作用在活塞杆的外界负载力，N。

联立式(1)～式(3)，经拉式变换得阀芯位移和变量油缸位移的传递函数：

(4)

式中，ωh为阀控缸系统固有频率，rad/s；ξh为阀控缸系统阻尼比。

2.2 泵控马达的数学模型

变量泵流量的数学模型为

Qp=ωpDp-Cic(ph-p1)-Cepph

(5)

Dp=γkpq

(6)式中，ωp为变量泵的角速度，rad/s；Dp为变量泵的排量，m3/rad；Cip、Cep分别为变量泵的内泄漏系数和外泄漏系数，m3/(Pa·s)；ph、p1分别为高低压力侧的压力，Pa；γ为变量泵斜盘摆角，rad；kpq为变量泵的排量梯度，m3/rad2。

马达高压侧连续性方程为

(7)

式中，Cim、Cem分别为马达的内外泄漏系数，m3/(Pa·s)；Dm为马达排量，m3/rad；θm为马达转角，rad；Vpm为泵、马达工作腔以及连接管路的总容积，m3。

马达和负载力矩平衡方程为

(8)

式中，Jt为折合到马达上的转动惯量，kgm2；Bm为马达和负载的等效阻尼系数，N·m·s/rad；KL为负载的弹簧刚度，Nm/rad；TL为外负载力矩，Nm。

泵控马达传递函数为

(9)

式中，ωm为泵控马达系统固有频率，rad/s；ξm为泵控马达系统阻尼比。

2.3 变量泵斜盘-活塞的数学模型

变量机构中，变量油缸伸出杆和斜盘铰接在一起，变量油缸活塞位移和斜盘倾角存在一定的对应关系。根据其结构原理，可得斜盘倾角和活塞位移之间的传递函数：

xp(s)=Lγ(s)

(10)

式中，L为变量活塞油缸施力点与斜盘铰接点间的距离，m。

2.4 转速传感器的数学模型

转速传感器将泵和马达的转速信号采集后反馈到控制器中，其频响远高于液压系统固有频率。转速传感器的传递函数为

(11)

式中，kv为转速传感器增益，(V·s)/rad；U为转速传感器电压，V。

2.5 比例放大器的数学模型

比例放大器将给定电压信号与反馈电压信号做差后，得到偏差值。偏差值经过放大器运算后作用于比例阀，其传递函数为

ka=I(s)/U(s)

(12)

式中，ka为比例放大器增益，A/V；I为放大器电流，A。

阀控缸的频响远大于泵控马达系统的频响，可将其简化为一个比例环节和一个积分环节。假设马达与发电机之间为刚性连接，忽略弹性负载，可得到泵控马达系统的传递函数框图(图2)。

图2 泵控马达传递函数框图Fig.2 Block diagram of pump-controlled motor transfer function

根据图2可得马达输出转速和输入电压之间的传递函数：

(13)

由系统传递函数可知，系统为3阶系统，包含一个积分环节和二阶振荡环节。发动机直接连接在液压发电机的变量泵上，使得泵控马达系统成为一个时变增益系统。通常工况下，发动机的转速变化范围为700～3000 r/min，由式(13)可知发动机的转速对系统的开环增益影响较大，因此基于固定模型的常规控制方法很难实现系统的稳速控制。

3 控制方法研究

本文将发动机转速信号作为前馈补偿信号，来补偿输入转速对系统的影响，使变量泵斜盘迅速到达目标角度值附近，再通过直接转速反馈控制对马达输出转速进行闭环控制，实现转速的精确控制。图3为车载液压发电机的稳速控制原理简图。由图3可以看出，控制模式主要分为两部分：基于发动机转速信号的前馈补偿；直接转速闭环反馈控制。

图3 稳速控制原理图Fig.3 Schematic diagram of steady speed control

由图2可知，泵的输出流量为转速和排量的乘积，不考虑系统泄漏时，泵和马达流量的关系为

ωpDp=ωmDm

(14)

由于系统中的马达为定量马达，因此泵的输出流量决定了马达的输出转速。液压发电系统要求定量马达的输出转速为恒值，也就是说需要对系统进行恒流量控制。当泵的输入转速变化时，需要控制变量泵的排量，由式(14)可得变量泵斜盘角度和转速之间的关系：

(15)

由于变量泵的输入转速变化范围很大，仅仅采用直接闭环无法实现系统的稳速输出控制，故将变量泵的输入转速作为前馈补偿信号对系统加以调节。将转速输入和斜盘角度调节成线性关系，使发动机转速与斜盘角度一一对应，系统前馈部分可表示为

(16)

式中，K为前馈调整系数，K=A/(kakvIkq)。

液压发电系统中，发动机的转速变化率可达每秒1000r/min，转速波动范围大，且与目标转速的偏差变化率较高。在启动、急加速、急减速阶段，发动机转速和系统增益都会发生剧烈变化，如果采用常规PID控制器，其积分环节在这些阶段会产生误差积累，造成系统超调，本文采用积分分离PID控制器以消除这种不稳定性。

在启动阶段和大转速变化阶段采用PD模式进行控制；怠速阶段和稳速行驶阶段的转速偏差较小，引入积分环节，用于消除系统稳态误差，提高系统精度和稳定性。设置临界值为0.5，当目标值和实际值的偏差绝对值大于0.5时采用PD控制，小于0.5时采用PID控制。车载液压发电机稳速控制传递函数如图4所示。

图4 带有前馈补偿的稳速控制Fig.4 Block diagram of steady speed control with feed forward compensation

4 稳速输出仿真与实验分析

系统的仿真借助AMESim平台完成。图5所示为仿真环境下的马达输出转速曲线。

图5 马达输出仿真转速曲线Fig.5 Curve of output hydraulic motor speed in simulation

由图5可看出，无前馈补偿时，输入转速上升阶段的马达输出转速超调严重，调整时间较长；加入前馈补偿后，马达输出转速超调量明显减小，系统的稳定性和控制精度都得到提高。表2所示为仿真环境下的马达输出。无前馈补偿时，马达输出转速超调量达5.7%，调整时间为3s，超出标准要求；加前馈补偿后，马达输出转速最大瞬态调整率为1%，符合系统要求。

表2 仿真环境下的马达输出

车载液压发电机实验平台组成如图6所示。变频电机模拟发动机动力输入，定量马达直接连接同步发电机，变量泵调节方式为排量外控调节。

图6 车载液压发电机实验平台原理图Fig.6 Schematic diagram of on-board hydraulic generator testbanch

基于车载液压发电机仿真模型和实验平台，采用前馈补偿加直接转速反馈控制对系统进行分析。设定变频电机的输入转速由400 r/min上升到500 r/min，实验结果如图7所示。

图7 马达输出实验转速曲线Fig.7 Curve of hydraulic motor speed undertestbanch

由图7可以看出，马达输出转速实验曲线出现超调，超调量为2.7%，调整时间为2.8 s，稳定后的稳态调整率小于1%，超调量和调整时间均满足军用Ⅱ类电站要求；马达输出转速仿真曲线超调量为1%，满足动静态调整率要求。调整过程中，系统的压力如图8所示。

图8 系统压力变化曲线Fig.8 Pressure curve of pump-controlled motor system

系统调整过程中存在一定的压力波动，这是由于系统输入转速是变化的，调整完成后，压力能够稳定在目标值处。

5 结论

(1)液压发电机的传动系统是一个时变增益系统，用传统的PID控制器很难达到预期控制目标，系统稳定性差。采用前馈补偿加直接转速反馈的控制方式，可以有效提高系统的控制精度和稳定性。

(2)前馈补偿加直接转速反馈下，马达实验输出转速最大超调量为2.7%，调整时间为2.8 s，稳态调整率小于1%。马达输出转速达到军用Ⅱ自发电电站标准。

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(编辑 张 洋)

Steady Speed Control of On-board Hydraulic Generators under Moving Conditions

LI Hao1YANG Yuqiang2

1.College of Vehicles and Energy,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.XCMG Research Institute,Xuzhou,Jiangsu,221004

On-board hydraulic generators might ensure high steadiness under parking conditions, but under moving conditions, stability of generator speed was poor for running load disturbances. The paper studied steady speed control of the hydraulic generators under moving conditions. A mathematical model of pump-motor closed system was constructed, and motor output speed fluctuation mechanism was revealed. Motor speed control strategy of pump controled motor system was proposed, aiming at the motor output speed fluctuation mechanism. Simulation and test results show that feed forward compensation with speed feedback has good control precision and robustness, and power quality satisfies stand and of military Ⅱ spontaneous power station.

hydraulic generator; moving generate; steady speed control; pump-controlled motor

2016-10-20

国家自然科学基金资助项目(51375422)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.017