電子調速系統(tǒng)在工程機械中的應用

ainet.cn 2009年03月03日

１．前言

隨著工程機械自動化程度不斷提高，電子調速系統(tǒng)在工程機械中必將具有廣闊的應用前景。在傳統(tǒng)的工程機械上，發(fā)動機油門控制有機械式、機械液壓式、機械氣動式等多種不同型式，電子調速系統(tǒng)也就是通常所說的電控油門在現代工程機械中應用越來越普遍，這是因為電子調速與以上幾種型式油門控制相比具有發(fā)動機速度反饋、自動調節(jié)供油量、運行平穩(wěn)、效率高、結構緊湊、操作方便等優(yōu)點。

２．工作原理

如圖１，先設定好壓力開關的設定閉合壓力，當駕駛員操縱液壓先導閥，先導操縱系統(tǒng)的壓力傳到壓力開關，由于先導系統(tǒng)的壓力大于設定閉合壓力，壓力開關閉合，電子調速系統(tǒng)開始工作，在工作裝置發(fā)生動作或機械行走時，油門控制器根據負荷變化調節(jié)發(fā)動機供油量。

監(jiān)控器上的油門按扭處于位置５或６時為設定轉速，處于位置７時可通過手動調節(jié)轉速設定電位器來控制發(fā)動機油門的大小。當負荷增大或減小時，發(fā)動機轉速傳感器將信號送到油門控制器，控制器將該信號于所需的速度設置相比較，控制器輸出一個已調制好的脈沖寬度信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器將這個信號轉變成與線圈中電流量大小成正比例的一個輸出動作，這個動作使發(fā)動機油門增大或減小直到發(fā)動機轉速與設定轉速一致。這樣就使發(fā)動機始終運行在設定的轉速位置附近，使發(fā)動機運行穩(wěn)定。

如圖２所示，當發(fā)動機轉速小于所需的速度設置時，執(zhí)行器內的電磁線圈根據控制器傳來的脈沖信號，電磁線圈內的電流增大，電磁力大于油門拉桿的回復力，油門拉桿向前運動，使發(fā)動機轉速升高，直到發(fā)動機轉速與所需的速度設置一致，電磁力與油門拉桿回復力平衡，發(fā)動機轉速穩(wěn)定；反之，當發(fā)動機轉速高于所需的速度設置時，執(zhí)行器內電磁線圈電流減小，電磁力小于回復力，油門向后回復移動，使發(fā)動機轉速降低，直到與所需設定轉速一致時，電磁力與回復力平衡，發(fā)動機轉速穩(wěn)定。當執(zhí)行器斷電時，電磁力為零，在復位彈簧的作用下油門回到怠速狀態(tài)或斷油狀態(tài)。

有些機械在工作過程中工況變化較頻繁，如挖掘機，駕駛員需操縱先導系統(tǒng)從一種工況轉到另一種工況，在轉換過程中，發(fā)動機負荷陡然減小或增大，并且這樣的瞬間非常頻繁，若將此信息傳給油門控制器，勢必造成執(zhí)行器頻繁動作，反使發(fā)動機運行不穩(wěn)定。在這種情況下，需加一延時繼電器，以避免此種情況發(fā)生，延時繼電器延時一般設定為２～７秒。

３．應用設計

３．１結構型式

常用電子調速系統(tǒng)主要包括控制器和執(zhí)行器兩大部分，控制器是一個功能強大的數字式微處理器，處理來自速度傳感器的速度信號與設定速度的關系，并將調制好的脈沖寬度信號輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器將這個脈沖信號轉換為相應的執(zhí)行動作。

按照輸出方式不同執(zhí)行器有直線運動和旋轉運動兩種方式。直線運動輸出方式的執(zhí)行器又有推和拉兩種執(zhí)行動作，這種執(zhí)行器只是電磁鐵芯和連接彈簧結構。旋轉式輸出的執(zhí)行器可采用扭力矩電機，電機輸出的旋轉扭矩與線圈內通過的電流成正比例。

３．２安裝型式

電子調速系統(tǒng)的安裝，控制器安裝較為簡單，用支架將控制器固定在適當的位置即可，但要注意防水和被其它可能的物件碰撞。安裝執(zhí)行器最好和發(fā)動機固定在一起，以使執(zhí)行器和發(fā)動機保持同步振動，執(zhí)行器根據輸出動作方式不同其于油門拉桿連接方式也不同。直線運動方式輸出的執(zhí)行器將輸出軸與油門拉桿聯結，使執(zhí)行器達到最大行程時發(fā)動機應處于最大供油狀態(tài)，執(zhí)行器斷電時發(fā)動機處于怠速狀態(tài)或斷油狀態(tài)。由于輸出軸為直線往復運動，油門拉桿做繞軸的旋轉運動，為使二者不發(fā)生抗勁現象，彌補擺動角以保護執(zhí)行器，在執(zhí)行器和油門拉桿之間加一球形拉桿，見圖２。若安裝不當可能會出現這種問題：發(fā)動機能達到最大供油狀態(tài)，但不能回到怠速位置或斷油位置；或者能達到怠速或斷油位置而不能達到最大供油位置。這種現象是由于發(fā)動機油門拉桿的有效長度和執(zhí)行器行程不匹配造成的，為此要精心設計計算油門拉桿有效長度和執(zhí)行器行程二者間關系。一般來說，應使執(zhí)行器輸出軸行程略大于油門拉桿連接鉸點的直線行程。為達到在使用中方便調節(jié)發(fā)動機供油點，應在執(zhí)行器輸出軸和油門拉桿之間設計一個能方便調節(jié)二者之間距離的機構。

旋轉運動方式的執(zhí)行器常用的安裝方式是在輸出軸端安裝一槽輪，油門拉桿和槽輪之間用鋼索（油門拉線）連接，鋼索一端固定在槽輪上，另一端固定在油門手柄上，見圖３，這樣，執(zhí)行器的轉動就可帶動油門拉桿轉動實現油門調節(jié)的目的。這種安裝方式較直線運動方式安裝易于調節(jié)，因為不需要精確設計二者之間的相對關系。為了保證系統(tǒng)的精確響應性能，連接要求摩擦、咬合和間隙最小，摩擦、咬合和間隙都會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定性。這樣，槽輪和鋼索都要光滑，鋼索要盡量軟，以減小摩擦和間隙。在設計槽論時，經驗認為鋼索在槽論上最大繞過角度以２００°～２７０°為宜，不應超過３６０°，繞過角度小槽輪直徑就大，在發(fā)動機轉速變化不太大時帶輪反應不明顯，或帶輪轉角不大時，發(fā)動機轉速就有較大的變化，這樣不能精確控制發(fā)動機轉速；輪槽直徑小，纏繞角度就大，有可能出現咬合、間歇等現象，同時鋼索纏繞多摩擦力增大，也不利于精確控制發(fā)動機轉速。

選用何種方式執(zhí)行器要根據安裝位置情況，同時也要考慮電磁力（矩）的大小，要保證電磁力（矩）能克服拉桿回復力矩。根據我公司使用情況，直線運動方式的執(zhí)行器推拉力都不大，而旋轉運動方式的執(zhí)行器容易選取較大力矩電機。這兩種執(zhí)行器在接線上基本相同。

４．調整校準

電子調速系統(tǒng)安裝后調整是一個重要環(huán)節(jié)，調整不當有可能達不到預期效果。執(zhí)行器調節(jié)主要是調節(jié)輸出軸與油門拉桿之間的連接，以確保連接后斷油拉桿能順利從斷油位置移到最大供油位置。這種調節(jié)比較直觀，而且輸出方式不同調節(jié)方法也不同，本文不再贅述。校準控制器是確?？刂破髂軐λ俣刃盘栕鞒稣_反應，下面以我公司使用過的新格斯達控制器為例闡述控制器校準的方法。

（１）．將速度傳感器或頻率計數器與發(fā)動機相連來測定發(fā)動機轉速；

（２）．將比例放大和積分放大調節(jié)到最??；

（３）．若使用一個遠程速度電位器，把它設置為中等轉速；

（４）．無負載啟動發(fā)動機；

（５）．調整內部速度電位器到所需速度；

（６）．增大比例放大系數直到速度開始波動（即游車），然后減小比例放大系數直到波動停止；

（７）．增大積分放大系數直到速度開始波動，然后減小積分放大系數直到波動停止；

（８）．加不同負載從開到關（直到１００％）來檢測性能和穩(wěn)定性；

（９）．重復６、７、８三個步驟，直到達到工作良好；

（１０）．關掉控制器，讓發(fā)動機轉速降到５０％左右，這時重新打開控制器來檢測超調量，如果超調量超過４％，微微減少積分放大系數，然后重新測試；

（１１）．關掉發(fā)動機等到發(fā)動機冷卻后，重新啟動以檢測冷啟動穩(wěn)定性。如果發(fā)動機速度波動，則稍微減小比例放大系數和積分放大系數直到波動停止。

５．結束語