道路绿化养护车割草头泵控马达调速系统研究

刘波 赵俊锋

摘 要：泵控马达调速系统可以满足道路绿化养护车不同工作装置的作业要求，针对目前道路绿化养护车割草头作业质量高的要求，以AMESim仿真软件为平台，使用PID闭环控制的控制方法，建立变负载泵-定量马达恒速调节系统，得到了系统在变负载下的控制效果。结果表明，PID控制应用于割草头马达控制系统可以大大改善系统的速度稳定性，使其受负载扰动的影响更小，为道路绿化养护车作业装置控制系统的实现提供了借鉴意义。

关键词：道路绿化养护车 泵控马达系统 AMESim PID控制

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-0-02

随着经济的发展，道路里程数逐年增加，道路旁的绿化带的修理逐渐成为了一个很大的问题。目前主流采用人工修剪的方式效率太低，道路绿化养护车的出现能极大地提高修剪速度和作业质量，也避免人员的伤亡。道路绿化养护车是一种综合性的车辆，是在二类底盘上加装工作装置，配备不同的作业装置，如割草头、树篱头、剪枝头、清淤器等，能完成不同的工作。道路绿化养护车在作业过程中，是一边行走一边修剪的，一般作业速度低于20km/h，对于不同的作业速度，工作装置的马达会对应不同的速度，转速太慢，修剪效果不好，而转速太快，多余的功率就会浪费，所以要求维持转速的恒定。

变量泵控马达液压系统配备快速插头能很好地调节多种不同的作业装置，这些作业装置在对应的功率都相对较小，外负载的冲击会引起系统压力较大的变化，在调速过程中负载突变会导致马达转速的较大变化[1]，影响修剪质量。该文拟采用PID控制方式对其中的一种作业装置割草头调速系统进行速度控制，以达到良好的速度稳定性，提高修剪质量，其他作业装置和割草头只是参数不同，调速方法和机理都是一致的。

1 系统工作原理

道路绿化养护车作业装置液压原理图如图1所示[2]，系统由电比例双向变量泵1，补油泵2，单向阀3、4，安全阀5、6，补油安全阀7，背压阀 8，冲洗阀9，双向定量马达10组成，电比例变量泵1是系统的动力元件，泵的变量机构使用一个三位四通电比例换节阀来控制变量活塞，变量活塞的移动可调节泵的排量，使其排量与输入电流信号成正比。道路绿化养护车工作过程中，操作人员通过电手柄输出电流控制信号，经比例放大器放大后控制比例电磁铁，改变泵的斜盘倾角，从而改变泵的排量，实现道路绿化养护车作业装置割草头旋转速度控制。系统工作时，上侧油路为进油路，压力由负载决定，是高压油路；下侧油路是回油路，压力取决于补油压力，是低压油路。当进油路压力过大超过安全阀的设定压力时，安全阀5起作用，防止压力冲击损坏液压元件。变量泵反转时，上下油管状态互换，安全阀6起作用。补油泵2通过单向阀3或4向低压油路的一侧补油，弥补系统泄露，也使低压油路有一恒定的压力值，防止空气混入造成气穴现象。补油泵6的补油压力由溢流阀7决定。背压阀8的设定压力稍小于7，它和梭阀9用于排除系统热油，排除的是从马达低压侧出来的热油，保持低压侧压力为溢流阀7的设定压力。

2 仿真模型参数设置与建立

根据设计要求，满足所有工作装置的流量要求为

75L/min，发动机额定转速1800r/min，所以选择的电比例变量泵为A10VG的45cc/r，补油泵的排量为8.6cc/r。割草头的切割装置选用的是甩刀式，属于无支撑切割，故要求有很高的切割速度，其刀軸转速一般达3000r/min以上[3]，我们选用3000r/min，系统最大设定为22MPa，因作业对象为杂草、细灌木丛生的绿地、野外草地，所以需要的转矩不大，一般为几十牛米，所以选用A2FM16，排量为16cc/r。

PID控制器结构简单，易于实现，应用广泛。它是一个经典的反馈控制器，通过输入量和反馈回路得到偏差，经过比例、积分、微分3个环节线性组合构成系统控制量[4]，以满足系统性能要求。这里以期望马达转速3000r/min为输入，得到0～600mA控制量，通过PID参数整定原则，调试得到KP（比例系数）=0.1、KI（积分系数）=1.2、KD（微分系数）=-0.0017时控制效果较好。

使用AMESim进行建模，在整个液压系统中，大部分的元件都是可以在相应的标准库中找到。但是电比例变量泵中变量机构的变量活塞无法在标准库找到，只能自己搭建。它配合三位四通电比例换节阀来控制泵的排量，使其与输入电流成正比。将变量活塞建立好后，工作装置液压系统建模的其他元件在液压库、信号库、机械库的选用即可，作业装置液压系统仿真模型如图2所示[5]。

3 仿真分析

系统仿真的AMESim仿真模型如图2所示，这里通过阶跃信号来模拟负载扰动的情况，设定输入转速3000r/min，负载在系统运行5s后将负载0N·m增加到40N·m，仿真得到系统速度响应曲线如图3所示。

从图3的仿真结果分析可知，PID控制的整体曲线明显比没有控制时要平滑，在转速上升时期，PID的曲线比较平缓，作业装置割草头部分时通过几节臂悬挂在作业区域，而且负载小，转速快，曲线平缓，对于系统的冲击小，有利于道路绿化养护车工作装置的稳定，避免震动。5s时负载突然增大，PID控制的曲线的速度变化明显较小，无PID控制的马达转速波动较大，表现为割草头修剪质量不好。

4 结语

该文针对道路绿化养护车作业装置液压系统，利用AMESim软件建立PID控制的泵控马达模型，通过对比仿真曲线，验证出拥有PID控制器的液压系统，系统稳定性好，受负载扰动的影响小，能够很好地满足道路绿化养护车割草头作业装置的需要，提升修剪质量。为道路绿化养护车其他作业装置的控制提供参考，也为道路绿化养护车智能化控制提供理论基础。

参考文献

[1] 范宇恒，王崴，杨洁，等.变负载变转速输入泵控马达调速系统[J].火力与指挥控制，2017，42（8）：76-81，86.

[2] 张海平.液压速度控制技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 刘毅，沈瑞珍，顾正平.草坪与园林绿化机械选用手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4] 许倩.基于PID策略的电液比例泵控马达速度控制系统研究[D].长安大学，2008.

[5] 王俊倩.基于AMESim与Simulink联合仿真的泵控马达调速系统控制研究[D].西华大学，2016.