电控发动机驱动螺杆空压机调速控制策略的研究

2019-04-04江旅锐孙金泉

压缩机技术 2019年1期

罗冰，金忠，江旅锐，孙金泉

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州545007）

1 引言

随着排放要求越来越严格，电控油门发动机逐步替代机械油门发动机。机械油门发动机驱动螺杆空压机时，发动机的调速是气动比例阀根据气罐压力调节进入伺服气缸的气量来控制伺服气缸伸缩从而推动油门拉杆机构来实现的，而电控发动机则是发动机ECU模块通过接收的电信号来控制发动机转速。本文详细介绍电控发动机驱动螺杆空压机调速系统工作原理、气罐压力信号的采集、调速控制策略及实际控制效果的分析。

2 调速系统工作原理

调速系统工作原理如图1所示，由电控发动机、压力传感器、电子控制器等组成。压力传感器采集螺杆空压机气罐上的压力，然后把压力信号转成电信号输入给电子控制器。电子控制器根据气罐压力和螺杆空压机控制系统的需求经逻辑运算出目标转速，再把目标转速转化成转速指令并通过CAN总线发送给发动机ECU模块[1]，发动机ECU模块根据接收到的转速指令来调节转速协调发动机与螺杆空压机共同工作。

螺杆空压机工作时，气罐压力随着用气量变化而变化。当用气量增加时，气罐压力将减小；当用气量减少时，气罐压力将增加[2]。螺杆空压机与发动机通过联轴器联结在一起，通过调节发动机的转速来调节气罐的进气量[3]，使进气量与用气量进行匹配，将气罐压力维持在预设的工作压力范围内。

电子控制器实时采集压力传感器的信号值。当用气量增加时，用气量大于进气量，气罐压力将降低，电子控制器通过CAN总线发送转速指令给发动机ECU模块提高发动机转速来增大进气量；当用气量减少时，用气量小于进气量，气罐压力将升高，电子控制器发送转速指令给发动机ECU模块来降低发动机转速来减少进气量。发动机在电子控制器预设的最小和最大转速之间运行，当发动机转速升到电子控制器预设的最大转速时，用气量仍大于或等于进气量，电子控制器发送指令使发动机保持最大转速运转；当发动机降到最小转速时，用气量仍小于或等于进气量，电子控制器发送指令使发动机保持最小转速运转。

3 压力信号的采集

由上述调速系统工作原理可知，用气量与进气量是否匹配是通过压力传感器采集气罐上的压力信号进行反馈的，压力信号采集的准确性对电子控制器调节发动机转速很重要。用气量的多少受用气设备的负载影响很大，再加上气体快速急剧流动，导致压力传感器采集的压力信号波动很大，随机脉冲干扰很多，需要对信号进行滤波处理。滤波方式有数字滤波和模拟滤波，考虑到数字滤波是用软件算法滤波实现的[4]，不需要增加硬件设备，可以根据信号的不同采用不同的滤波算法或滤波参数，且稳定性好、可靠性高、成本低等优点，本文采用以下两种数字滤波方法。

图1 调速系统工作原理框图

（1）递推平均滤波

递推平均滤波是指把N个采样数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，在计算滤波值时再把队列中的N个数据进行算术平均得到新的滤波值。递推平均滤波的计算公式如下

yn-i——未经滤波的第n-i次采样值

N——递推平均项数

对于递推平均滤波，上式中的N取6。递推平均滤波只需进行一次采样就能得到当前算术平均滤波值，对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。

（2）中位值滤波

中位值滤波是指在某一采样时刻（采样点），对某一被测参数连续采样m次，然后把m次采样值按大小排队，取中间值作为本次采样值。其算法如下：连续采样了m次数据并按照大小排队后依次为y1，y2，…，ym。若采样次数m为奇数，则中位值滤波结果为

若采样次数m为偶数，则中位值滤波结果为

式中 yn——第n次采样值经滤波后的输出

y(m/2)，y(m+1)/2，y(m+2)/2：采样数据y1，y2，…，ym的中位值。

中位值滤波能去掉采样数值中的极大值和极小值，能有效地克服因偶然因素引起的波动造成的脉冲干扰。气罐压力变化较快，m值不宜取得过大，一般m取5～7。

4 调速控制策略

对发动机转速采用ON/OFF比较滞后控制方式，其控制算法如图2所示。预先设置好比较判断的ON值和OFF值以及发动机最小转速RPMmin值和最大转速RPMmax值。t0时刻空压机开始加载工作时，气罐压力较低小于OFF值，发动机升到最大转速RPMmax并保持最大转速运转以增加进气量。随着高转速进气量增加到达t1时刻时，气罐压力p1大于OFF值，发动机降到最小转速RPMmin并保持最小转速运转以减少进气量。随着低转速进气量减少到达t2时刻时，气罐压力p2低于ON值时，发动机又恢复最大转速RPMmax运转。如此反复比较ON值和OFF值来控制发动机在最大转速RPMmax或最小转速RPMmin 2个转速上运行，控制程序流程图如图4所示。

图2 ON/OFF比较滞后控制方式

图3 ON/OFF比较跟随控制方式

图4 ON/OFF比较滞后控制程序流程图

图5 ON/OFF比较跟随控制程序流程图

对发动机转速采用ON/OFF比较跟随控制方式，其控制算法如图3所示。预先设置好比较判断的ON值和OFF值、升速率Ku和降速率Kd值以及发动机最小转速RPMmin值和最大转速RPMmax值。t0时刻空压机开始加载工作时，气罐压力小于设置ON值，发动机以升速率Ku开始升速。t1时刻发动机转速已升到达最大转速RPMmax而气罐压力p1仍小于ON值，发动机则停止升速并保持以当前最大转速RPMmax运行。随着高转速进气量的增加，t2时刻气罐压力p2大于OFF值时，发动机以降速率Kd开始降速。t3时刻发动机转速已降到最小转速RPMmin而气罐压力p3仍大于OFF值，发动机则停止降速并保持以当前最小转速RPMmin运行。随着低转速进气量的减少，t4时刻气罐压力p4小于ON值时，发动机又以升速率Ku开始升速；随着转速升高进气量增加，t5时刻气罐压力p5大于ON值时，发动机则停止升速保持当前转速运行，直到t6时刻气罐压力p6大于OFF值时发动机又以降速率Kd开始降速。发动机转速始终比较跟随着气罐压力是否小于ON值或大于OFF值进行升降速或者保持已运行到某个转速进行运行，控制程序流程图如图5所示。

图6 ON/OFF比较滞后调节压力与转速曲线

图7 ON/OFF比较跟随调节压力与转速曲线

5 实际控制效果的分析

在空压机上测试时采集气罐压力与转速对应关系曲线如下图所示。图6是ON/OFF比较滞后控制方式，刚开始气罐压力较低，发动机转速以最大转速运行增加进气量，气罐压力迅速上升。当气罐压力到达OFF值后，发动机转速迅速降到最小转速，进气量大幅减少气罐压力快速降低。当气罐压力低于ON值后，发动机转速又恢复最大转速运行。整个控制过程气罐压力波动较大，发动机转速也忽大忽小地变化，供气很不稳定。图7是ON/OFF比较跟随控制方式，当气罐压力大于OFF值后，发动机转速按预设的斜率进行降速。当气罐压力在ON值与OFF值之间时保持当前转速。当气罐压力小于ON值时，发动机转速按预设的斜率进行升速。整个控制过程气罐压力波动较小，发动机转速跟随着气罐压力变化，按预设的斜率升降速或者保持在某个转速上运行，发动机转速变化较柔和平稳，供气也较稳定。