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摘要： 本文在对车载液压发电系统的工作原理、技术要求、设备选型及其设计思路进行研究的基础上，对车载液压发电传动系统泵阀协调控制的有效性进行了仿真对照，获得了满意的试验效果。
关键词： 车载；液压发电机；行车发电；泵阀控制
引言
随着现代科技的不断发展，用于发电的电机设备越来越广泛地被应用于各种车辆，如消防车、军用车、救护车等。目前常用的车载发电大体分为两种：一是运用电池逆变技术对直流电源进行转换；二是使用柴油机交流发电机组。前者由于设备笨重且蓄电池容量有限，补充困难；后者由于占用车厢空间过大，发电频率不稳，成本过高等原因，在使用方面都受到了一些限制，遇到了一些难以克服的困难。为了解决这些问题，满足各种车辆精密电子设备的用电需求，近年来，研究人员开始将液压发电机应用于车载发电领域，收到了一些较好的效果。下面本文试图从三个方面作深入探讨。
一、车载液压发电机传动系统的设计思路
车载液压发电机就是运用车辆行驶过程中的车辆发动机作为始动力源，以此驱动液压发电机发电的一种移动发电站。如何将车辆发动机输出的时变转速转化为液压发电机的稳定转速，确保发电质量，本文的设计思路是：
（一）车载液压发电系统的工作原理
按常规车载液压发电机安装于汽车底盘。其工作原理是：在汽车发动机驱动车辆正常行驶的同时，也为车载液压发电机提供了动力输入。车载液压发电系统主要包括变量泵、定量马达、发动机、同步发电机等[1]。变量泵受发动机直接驱动后，再通过液压传动系统驱动定量马达和同步发电机（和定量马达连固在一起）最终实现由发动机到发电机的动力传递，实现变转速输入和 恒转速输出的控制，使变量泵工作始终处于恒流源状态。
（二）研究车载液压发电机的电气技术要求
军用车载液压发电机的电站频率应满足移动电源军用标准（SJB235A-1997）中Ⅱ类电站标准。主要指标是：稳态频率调整率≤±1%；瞬态频率调整率≤5%；频率稳定时间 ≤ 3S；频率波动率≤0.5%。
满足移动电站频率需求的转速指标要达到；马达额定输出功率15KW；稳态转速整率≤±1%；瞬态转速调整率≤±5%；稳定时间≤3S；波动率≤0.5%。从以上数据可知，马达输出转速稳态误差应不大于±15r/min，瞬态误差应不大于±75r/min。
（三）车载发电系统设计
1、发动机选型
为保证液压发电机在军用或工程车辆上的实际运用，本文选择与其相适应的康明斯 M11-C350 发动机作为液压发电机的动力来源。
在通常情况下发动机要预留10%~15%的储备功率，以便为液压发电机提供动力。从表一可见，康明斯 M11-C350 发动机的基本参数可以满足其要求。
2、发电机选型
移动设备用电需求有：一是交流工频（50Hz）；二是交流中频（400Hz）；三是直流等，其中交流工频的需求种类最大。应用功率等级最多的有4个，即：12、16、24、30kW。由于一般的发电机功率为交流工频 12kW，因此本文选择了与其相适应的TZH-12 系列三相同步交流发电机作为车载发电设备。
3、定量马达选型
从技术要求出发，车载液压发电机的定量马达的转速范围应不小于发电机额定转速的1500r/min，输出最大功率不小于 12kW，工作压力大于 20MPa。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据马达排量与扭矩的技术要求，本研究选择A4FM28/32W-NTC02力士乐定量轴向柱塞马达。
4、变量泵选型
选择变量泵要在原动机转速变化区间，根据泵的排量范围和液压系统的工作压力指标来进行，按照这个要求，力士乐 A4VG71EP4DLMT2的技术参数较为适合[2]。
5、电液比例阀选型
通过输入电压，由此成比例的控制工作阀芯而产生位移，进而控制阀口流量的控制元件称为电液比例阀。电液比例阀具有抗污染能力强、可靠性高等特点[3]，因此具有广泛的应用价值。具有最大流量是选择比例阀与变量泵的重要原则。假如比例阀流量大，则系统传动效率就低；假如比例阀流量小，则控制效果就差。根据这一原则和性能，本文选择了力士乐 4WRE6型比例流量控制阀，
二、车载液压发电机传动系统泵阀协同控制
要使车载发电机的转速输入能平稳进行，就必须要消除马达转速的振荡。为此，按照泵阀调速系统的工作原理提出泵阀协同控制措施如下。
（一）前馈+PID 控制
车载液压发电机传动系统实际就是一个泵阀协调控制系统，其控制元件是变量泵和电磁比例阀。这两个控制元件是作为相对独立的环节进行控制的，它是通过控制系统的流量来调节定量马达的输入流量，从而使马达达到输出恒定转速的目标。为了使发电传动系统的工作油源稳定，实现初步调节，变量泵就要实施前馈控制使其输出流量满足要求并接近系统目标流量；要实现对马达输出转速的精确调节，就要对比例阀采用反馈 PID 控制，调节马达进油口的泄油量[4]。
（二）分段 PID 控制
车载液压发电机传动系统是一个负载多变的非线性系统，当阀控与泵控同时工作时，系统很容易受阀控环节的影响而产生振荡。由于 PID 是一组固定的线性常数，无法满足系统的动态性能需求，采用分段 PID 阀控方法，不但可以消除转速波动，而且还可以提高系统的响应速度。并根据系统的工况实时作出调整，具有一定的自适应性。
（三）前馈与分段PID的效果对比
1、马达转速仿真
经仿真对比两种方法的控制效果，并综合系统对响应速度与效率的需求，意见是：在负载变化前提下，分段PID精度高于前馈+PID。
可知：第一、前馈+PID。从马达转速看，它快于分段 PID 达到转速目标（1500r/min），当出现峰值转速 1528r/min后，在 0.8s的位置完成调整并稳定于1500r/min。当突加 6kW 或突减6KW负载时，转速出现上下波动差值为 22r/min（1508r.min-1486r.min）；第二、分段 PID。从马达转速看，它慢于前馈+PID，其稳定转速为1499r/min。当突加 6kW 或突减6KW负载时，转速上下波动最小值为 9r/min（1505r.min-1496r.min）。
2、系统效率仿真
所谓系统效率是指系统输出功率与输入功率的比值。经仿真对比：当前馈+PID，在系统负载 6kW 时，其传动效率稳定值为 0.57；当分段 PID，负载6KW时，其系统稳定传动效率为 0.67。可见，分段 PID 控制传动效率明显高于前馈+PID。并具有马达转速波动小的特点。可以作为车载行车发电控制方法的首选。
结语：
综上所述，本文以车载液压发电机为研究对象，经过对车载液压发电传动系统的设计和车载液压发电机传动系统泵阀协同控制的探讨，并对马达转速系统进行了仿真对照，证明泵阀协调控制的有效性是存在的，分段 PID 控制马达输出的转速是稳定的，可以满足车载发电稳定性能的需求。
参考文献：
[1]邹炳燕. 车载液压发电机组瞬态指标控制研究[J]. 机床与液压，2015，43（14）：127-129.[2]史俊龙. 非道路车辆液压机械无级变速器设计及变量泵控制性能研究[D]. 2012.
[3]刘强，仇家强. 电液比例阀对液压自动压砖机性能的影响[J]. 佛山陶瓷，2018，28（10）：39-42.
[4]崔家瑞，李擎，张波，et al. 永磁同步电机变论域自适应模糊PID控制[J]. 中国电机工程学报，2013，33（S1）：190-194.
[5]王航，吴张永，朱颖智，et al. 基于神经网络的阀控数字变量泵系统优化设计[J]. 价值工程，2017（31）.
论文作者:贾高坡,王永磊
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：转速论文; 发电机论文; 液压论文; 马达论文; 系统论文; 变量论文; 稳定论文; 《防护工程》2019年11期论文;