時國平

（池州學(xué)院 物理與機電工程系，安徽 池州 247000）

基于變頻調(diào)速技術(shù)電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)

時國平

（池州學(xué)院 物理與機電工程系，安徽 池州 247000）

為了提高電動輪汽車的保養(yǎng)質(zhì)量和管理效能，本文研制開發(fā)了一套基于變頻調(diào)速技術(shù)的電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)解決了高黏度油料冬季冷凝加不出油的問題，并實現(xiàn)了準確、快速、穩(wěn)定加油和油料的有效管理。

電動輪汽車;保養(yǎng)系統(tǒng);恒壓供油;變頻技術(shù)

電動輪汽車是大型露天礦山的主要運輸設(shè)備。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，電動輪汽車的應(yīng)用數(shù)量在不斷的增加，據(jù)統(tǒng)計，其年用油量已達到百萬噸。顯然，控制電動輪汽車的用油量、提高其保養(yǎng)質(zhì)量將可以直接提高礦山的經(jīng)濟效益。鑒于此，研制一種針對礦山電動輪汽車高效的保養(yǎng)系統(tǒng)顯得尤為重要。本文提出了一套全新的電動輪汽車保養(yǎng)方案；進而對此保養(yǎng)系統(tǒng)的工作原理和硬件的空間布局設(shè)計進行了詳細的介紹；然后進行設(shè)計基于變頻調(diào)速技術(shù)的保養(yǎng)系統(tǒng)，并驗證此套系統(tǒng)具有準確、快速、穩(wěn)定加油的性能；此套系統(tǒng)的成功使用，將會成為我國高黏度油料加注的成功范例。

1 電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成

電動輪汽車日常保養(yǎng)中需要加注四種油液，分別是殼牌CF-2勁霸DD+40機油 (簡稱機油A)、殼牌CH-4超級勁霸15W-40(簡稱機油B)、100#無灰抗磨液壓油(簡稱液壓油C)和防凍液D。本系統(tǒng)采用集中供油方式，由于四種油料不能混合，故采用四個油罐儲油，采用四個油泵供油，通過四套相同且相互獨立的供油系統(tǒng)來完成電動輪汽車的保養(yǎng)。本文只針對其中一套系統(tǒng)進行設(shè)計和研究。

根據(jù)工作情況和現(xiàn)場環(huán)境的要求，電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)由油料供給系統(tǒng)和計算機控制管理系統(tǒng)兩大部分組成，其中油料供給系統(tǒng)包括管路系統(tǒng)和變頻恒壓供油系統(tǒng)；計算機控制管理系統(tǒng)包括加油控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 電動輪汽車保養(yǎng)系統(tǒng)組成圖

1.2 系統(tǒng)的工作原理及實施方案

保養(yǎng)系統(tǒng)的工作原理為：通過人工倒油的方式向油池加注油液，啟動輔助加油系統(tǒng)將油液泵入儲油罐，當(dāng)電動輪汽車需要保養(yǎng)時，操作人員通過操作平臺使變頻器、壓力變送器及兩個并聯(lián)支管路中的電動球閥、腰輪式流量計以及獨立的計量控制單元、終端等按照設(shè)置的程序控制液體的流動。計量控制單元、壓力變送器、變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)控制螺桿泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整輸出油量的大小，來滿足加油操作對流量的要求。輸出的流量由計量控制單元進行計算和顯示，從而使整個加油過程處于動態(tài)監(jiān)控狀態(tài)。靜壓液位顯示儀顯示儲油罐存油的多少，當(dāng)儲油罐油量低于設(shè)定值時，開啟輔助加油系統(tǒng)，向儲油罐繼續(xù)泵油。

從保養(yǎng)系統(tǒng)原理可以得出此套加油系統(tǒng)具有以下特點：能滿足加注運動黏度較大的油液的使用要求，且計量準確；有顯著的節(jié)能功能。油泵流量根據(jù)加油車道數(shù)通過變頻調(diào)速而變化，避免了溢流功率損失；有節(jié)油功能。加油系統(tǒng)取消中間加油罐，形成封閉供油，減少漏油和環(huán)境對油的污染；通過變頻器恒壓供油避免產(chǎn)生油料多加或少加的要求。

根據(jù)加油系統(tǒng)工作原理和使用要求可知，系統(tǒng)主要組件包括變頻器、螺桿泵與齒輪泵、輸油管、電動執(zhí)行機構(gòu)與電動球閥、流量計、光電式電脈沖轉(zhuǎn)換器與流量數(shù)字積算儀、油管轉(zhuǎn)盤和加油槍、溢流閥等。在完成系統(tǒng)各設(shè)備的選型后，進行管道系統(tǒng)設(shè)備的集成。管道系統(tǒng)設(shè)備的集成包括儲油間管道系統(tǒng)設(shè)備的集成和保養(yǎng)庫管道系統(tǒng)設(shè)備的集成。

2 保養(yǎng)庫變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)設(shè)計

變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)是由作為核心部件的交流變頻器、壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器、變頻電機、油泵和管路組成，變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)原理圖

變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)的工作原理是：驅(qū)動螺桿泵的電機是鼠籠式三相異步電機，電機的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，改變電動機定子的轉(zhuǎn)動頻率則改變了電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)油泵改變輸出流量[1]。根據(jù)流量與油口面積及油口前后壓差成比例關(guān)系[2]，按照反饋定理在加油油路上安裝了壓力變送器作為反饋元件，通過油壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)，保持油壓穩(wěn)定。工作時，首先通過工控機開啟變頻器，變頻電機帶動螺桿泵抽油，當(dāng)在一個工位上工作時，流量計檢測流量信號，并將信號傳遞給工控機，工控機控制對應(yīng)的一個主油管上電動球閥開啟，回油管上的電動球閥關(guān)閉，此時主油管上的電動球閥的開口面積為，對應(yīng)加油量為，閥口壓力為；兩個工位工作時，對應(yīng)的兩個油路的兩個電動球閥開啟，油口面積為，瞬間油口壓力為下降，經(jīng)壓力變送器檢測與給定值比較，PID控制器改變定子的供電頻率，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，油泵改變輸出流量，對應(yīng)加油量為，以此類推。當(dāng)沒有工位工作時，主油管道上的電動球閥關(guān)閉，回油管道上的電動球閥開啟，油液回到油罐中。

3 變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)控制方案的確定

3.1 控制器的選擇

選用工控機作為控制器控制變頻器的啟、停。選用工控機的原因為：工控機不僅是變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)的控制器，還是整個電動輪保養(yǎng)系統(tǒng)計算機控制管理系統(tǒng)的上位機，因此選用具有豐富的軟件資源、硬件配置可以很高的，具有方便的通訊和擴展功能空間的工控機作為控制器。對于閉環(huán)系統(tǒng)的控制信號由PID調(diào)節(jié)器給定。

3.2 輸入通道的設(shè)計

在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場測得的信息傳給計算機。計算機經(jīng)過計算、處理后，將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，并轉(zhuǎn)換為適合于生產(chǎn)過程進行控制的量。一個生產(chǎn)過程中有兩個基本量：一是隨時間連續(xù)變化的物理量；一是反映生產(chǎn)過程的兩態(tài)開關(guān)或某物理量的數(shù)字信號。前者為物理量，后者為數(shù)字量。外界的模擬量只有轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能為計算機所接受。對于恒壓供油系統(tǒng)來說，只有兩路模擬量輸入通道，即為油壓的給定值和反饋值。對于油壓的檢測和變送可由壓力變送器完成，壓力變送器并把壓力這一物理信號轉(zhuǎn)換成4～20mADC的輸出。

3.3 輸出通道的設(shè)計

輸出通道分為兩大部分：模擬量輸出通道，進行螺桿泵的轉(zhuǎn)速控制；數(shù)字量輸出通道，進行變頻電機的起?？刂啤?/p>

（1）模擬量輸出通道：將經(jīng)處理后的數(shù)字量送往 PID 調(diào)節(jié)器，變換成 0～5V、4～20mA 信號，作為變頻器的頻率給定，來控制變頻電機的轉(zhuǎn)速。

（2）數(shù)字量輸出通道：有許多執(zhí)行機構(gòu)需要開關(guān)量控制信號。CPU可通過I/O接口電路直接對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)的動作或機電式繼電器接點的開閉進行控制。本系統(tǒng)采用控制繼電器，來達到控制變頻電機的起停作用[3]。

3.4 變頻器的起、?？刂?/h3>

變頻器的起?？刂朴袃煞N方式，一種是手動控制，即通過變頻器面板上的按鈕直接進行控制，一種是選用外部端子運轉(zhuǎn)操作。本系統(tǒng)中的變頻器設(shè)置在油料儲存間，故采用工控機控制外部端子操作變頻器的起停。

3.5 PID算法實現(xiàn)

PID調(diào)節(jié)器接收壓力變送器傳遞的閉環(huán)控制信號，實現(xiàn)對變頻器頻率的給定，從而調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻調(diào)速。

PID控制器根據(jù)目標值(設(shè)定值)r(t)與反饋值(測量值)c(t)構(gòu)成的控制偏差:

將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進行控制。其控制規(guī)律為:

式中：Kp——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti——調(diào)節(jié)器的積分時間；Td——調(diào)節(jié)器的微分時間；e(t)——調(diào)節(jié)器的偏差信號；δ——比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)；u(t)——輸出。

3.6 帶PID控制器的變頻器的控制原理

帶PID控制器的變頻器的控制原理如圖3所示。外部壓力變換器檢測到管道上油壓值并轉(zhuǎn)換為4～20mA的模擬信號反饋到變頻器內(nèi)的 IRF/VRF2端子,然后經(jīng)過濾波器送至與預(yù)先設(shè)定值比較,比較的偏差值送入變頻器內(nèi)置的PID控制器中，PID控制器根據(jù) P（比例）、I（積分）、D（微分）進行控制，從而使負載一側(cè)異步電機轉(zhuǎn)速跟隨指令值變化而變化的一種控制功能。如果遇到反饋信號上疊加有噪音情況時，可調(diào)節(jié)反饋信號輸入濾波器的時間常數(shù)，濾波器時間常數(shù)的設(shè)定范圍為10－5000m。使反饋信號經(jīng)過濾波器后可得到質(zhì)量更高的信號。本功能是一種用于u/f模式的控制功能,在閉環(huán)PID控制中，即使負載一側(cè)發(fā)生變動時也能一直跟隨指令值而始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.7 變頻器的端子接線設(shè)計及其接地

變頻器的端子有主電路端子、控制電路端子和通信回路端子三種接線端子。主電路端子接線中，變頻器電源輸入端子與電控柜電源端子之間連接MCCB（斷路開關(guān)）進行電路保護。在MCCB和電源輸入端子之間接上MC（電磁接觸器），且使MC盡量靠近變頻器，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，用MC切斷變頻器電源以防故障進一步擴大。U、V、W端子用于連接電機的電源輸入端子，布線時應(yīng)盡量縮短變頻器和電機之間的距離，使其在10～20m之間，變頻器和電機要可靠接地?？刂齐娐范俗咏泳€中，控制電路端子分為輸入端子和輸出端子，模擬輸入線要使用屏蔽電纜，連接頻率表時要使用雙絞線。

變頻器接地，變頻器接地的主要目的是防止漏電及外界干擾的侵入或?qū)ν廨椛??；芈繁仨毎措姎庠O(shè)備技術(shù)標準和規(guī)定進行可靠接地，采用獨立的、實用牢固的接地樁，保證本系統(tǒng)的接地樁與其他大型電氣設(shè)備的接地樁分隔開。在本項目中，采用保養(yǎng)庫房立柱作為統(tǒng)一的接線樁進行對地連接。對于單元型變頻器接地電線，可直接與變頻器的接地端子連接，當(dāng)變頻器安裝在配電柜內(nèi)時 ，則與配電柜的接地端子或接地母線連接。不管哪一種情況，都不能經(jīng)過其他裝置的接地端子或接地母線，而必須直接與接地電極或接地母線連接。根據(jù)電氣設(shè)備技術(shù)標準，接地電線必須用直徑1.6mm以上的軟銅線。

變頻器是工業(yè)控制過程中至關(guān)重要的設(shè)備，變頻器的安全可靠運行是保證企業(yè)正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)。根據(jù)本項目變頻器使用中各種不同的電氣干擾及其特點，采取相應(yīng)的有針對性的抑制對策，就可有效防止這些干擾引起的外圍設(shè)備和變頻器的誤動作，保證設(shè)備正常運行。

4 變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)控制模型的建立

變頻調(diào)速供油控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 變頻調(diào)速供油控制系統(tǒng)控制框圖

4.1 變頻調(diào)速恒壓供油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

在變頻恒壓供油系統(tǒng)中，供油壓力的調(diào)整是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現(xiàn)的。確定供油壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算法的依據(jù)。

根據(jù)異步電動機工作原理，推倒出恒磁通條件下異步電動機變頻調(diào)速狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。

液壓泵是將機械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能的裝置。螺桿泵是液壓泵中的一種，它是根據(jù)工作腔的容積變化而進行吸油和排油的，屬于容積式液壓泵；而且每一周期中吸入和排出的液體是恒定，是一種定量型泵。

4.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型的建立

本系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)，采用單位階躍信號輸入，應(yīng)用MATLAB/Simulink建立仿真模型如圖5所示。

系統(tǒng)的準確性就是要求被控量和設(shè)定值之間的誤差達到所要求的精度范圍。準確性反應(yīng)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，通?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度可以用穩(wěn)態(tài)精度誤差來表示，誤差越小，控制精度或準確性就越高，該系統(tǒng)具有良好的控制精度。

5 結(jié)論

本文進行了電動輪汽車油料補給的全過程的自動控制與加油數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理的控制系統(tǒng)設(shè)計，首先確定了該系統(tǒng)的控制方案，其次研究了PID算法的實現(xiàn)，再次設(shè)計了變頻器的端子接線及接地，最后進行了變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。此套系統(tǒng)具有準確、快速、穩(wěn)定加油的性能，此套系統(tǒng)如能成功使用，將會成為我國高黏度油料加注的成功范例。

[1]劉會軍，吳開興.工控機在自助式加油控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化，2002(5)：20—22.

[2]可顯著節(jié)約燃料的自動加油系統(tǒng)[J].國外內(nèi)燃機車，1994，(7)：47—48.

[3]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]高志宏.過程控制與自動化儀表[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.8:206—211.

[5]陳夕松,汪木蘭.過程控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：桂傳友]

圖5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)仿真模型

TP332

A

1674-1102（2010）03-0051-04

2010-04-20

池州學(xué)院科研項目（XK0903）；安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目（KJ2010B0134）。

時國平（1974-），女，河南滑縣人，池州學(xué)院物理與機電工程系講師，主要研究方向為工業(yè)控制。