中圖分類號：U464.138 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）03-0023-09

隨著電動化、智能化在車用發(fā)動機領(lǐng)域的廣泛應用，客戶除了關(guān)注傳統(tǒng)的節(jié)能降耗效果外，良好的駕乘體驗也越來越受到年輕客戶的追捧。對振動、噪聲等的控制越來越被生產(chǎn)廠商關(guān)注[]，硅油風扇、電磁風扇、電子風扇等柔性風扇技術(shù)已在商用車、工程機械等行業(yè)普及[2-3]。電控硅油風扇相比于傳統(tǒng)的剛性連接風扇，其轉(zhuǎn)速可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)靈活控制，在節(jié)能降耗、噪聲控制方面有明顯的優(yōu)勢，且在散熱功率、驅(qū)動功率、成本等方面相比于電子風扇也有明顯的優(yōu)勢，在商用車、大型工程車輛上，電控硅油風扇被廣泛應用。車外噪聲來源主要是風扇，對風扇噪聲的抑制是當前噪聲控制的核心和難點[4]。風扇波動噪聲與風扇轉(zhuǎn)速波動強相關(guān)，尤其在低速下，較大的轉(zhuǎn)速波動會引起風扇轉(zhuǎn)速的較大變化。鄭福新5通過優(yōu)化硅油離合器結(jié)構(gòu)提高分離-嚙合靈敏度來改善風扇轉(zhuǎn)速控制效果。龔紀強研究PWM驅(qū)動頻率、溫度、硅油黏度等對風扇轉(zhuǎn)速控制的影響，通過對轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制進行溫度修正、防全嚙合修正、電磁閥驅(qū)動頻率修正等實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制。陳首剛等提出一種風扇閉環(huán)控制積分抗飽和控制方法，通過對積分值進行抗飽和處理，實現(xiàn)風扇完全脫開和完全嚙合情況下的轉(zhuǎn)速精確控制。孟康等[8提出一種基于硅油風扇嚙合度的PID閉環(huán) +ON/OFF 開環(huán)的組合式控制方法，在靠近全嚙合區(qū)間時，控制電磁閥進行ON/OFF控制，防止全嚙合發(fā)生。

上述對硅油風扇轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的控制均存在一定缺陷，無法真正解決因風扇離合器物理結(jié)構(gòu)等引起的風扇轉(zhuǎn)速不受控等問題。如在風扇完全脫開和完全嚙合情況下對電磁閥積分開度進行抗飽和處理，并不能實現(xiàn)積分開度的穩(wěn)定，完全脫開和完全嚙合情況下由于積分開度的累積，還是會導致轉(zhuǎn)速的大幅變化。在靠近全嚙合區(qū)間時采用ON/OFF開關(guān)控制方式，給電磁閥固定開度仍然會導致全嚙合現(xiàn)象的發(fā)生，且無法解決全脫開、部分區(qū)間下轉(zhuǎn)速波動大的問題。

針對上述問題，本研究選取市場主流挖掘機用硅油風扇作為研究對象，通過對其控制特性、轉(zhuǎn)速波動機理進行深人研究，總結(jié)出風扇轉(zhuǎn)速波動的根本原因及影響因素，提出了一種動態(tài)積分凍結(jié)方法，通過識別風扇運行狀態(tài)，靈活、動態(tài)凍結(jié)積分開度，固定PID開度，在風扇低輸入轉(zhuǎn)速、低目標轉(zhuǎn)速工況下，或高輸入轉(zhuǎn)速、高目標轉(zhuǎn)速工況下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)控制，消除轉(zhuǎn)速波動，獲得良好的駕乘體驗。

1硅油風扇控制特性

硅油風扇轉(zhuǎn)速的快慢主要取決于電磁閥驅(qū)動內(nèi)部彈性簧片的開度，開度不同，硅油在工作腔和儲存腔內(nèi)流動的流量不同，風扇轉(zhuǎn)速不同。受硅油離合器內(nèi)部簧片彈性特性、硅油黏度特性、電磁閥占空比驅(qū)動特性、全嚙合脫開特性等因素影響，在部分轉(zhuǎn)速區(qū)間，風扇很難穩(wěn)定控制。

如圖1所示，從風扇離合器驅(qū)動特性曲線上可以看出，受硅油黏度特性影響，在低輸入轉(zhuǎn)速或小電磁閥開度下，硅油從儲存腔流向工作腔需要的時間較長，導致風扇轉(zhuǎn)速提升需要較長時間。當出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差且持續(xù)時間較長時，PID閉環(huán)控制算法在積分的作用下會逐漸增大電磁閥開度，隨著進入工作腔內(nèi)的硅油量逐漸升高，風扇轉(zhuǎn)速會逐漸升高，此時在較大的電磁閥開度下，風扇轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)較大幅度的超調(diào)，由于PID閉環(huán)作用，電磁閥開度會大幅降低，隨著電磁閥開度的大幅波動，風扇轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動[9]。

同樣地，在高輸入轉(zhuǎn)速下或較大電磁閥開度下，硅油從儲存腔流向工作腔、從工作腔流向儲存腔需要的時間較短，較小的電磁閥開度變化就會引起風扇轉(zhuǎn)速的大幅度變化。當風扇臨近全嚙合狀態(tài)時，風扇脫開需要一定時間，PID閉環(huán)控制算法在積分的作用下會逐漸降低電磁閥開度，全轉(zhuǎn)到脫開這段時間內(nèi)，積分的作用會將電磁閥降到較小開度，當風扇脫開后，在較小的電磁閥開度下，風扇轉(zhuǎn)速會降低至較小值，由于PID閉環(huán)作用，電磁閥開度也會大幅升高，當增大到某個數(shù)值時，風扇又會全轉(zhuǎn)。以上原因會導致周而復始出現(xiàn)風扇轉(zhuǎn)速大幅度波動的現(xiàn)象[10]。

如圖2所示，輸入轉(zhuǎn)速為 1000r/min ，風扇目標轉(zhuǎn)速為 時，風扇始終處于全嚙合、脫開、全嚙合的交替狀態(tài)，導致風扇轉(zhuǎn)速大幅波動。

如圖3所示，輸入轉(zhuǎn)速為 1600r/min ，風扇目標轉(zhuǎn)速為 600～700r/min 時，電磁閥微小變化就會引起風扇轉(zhuǎn)速的大幅波動。目標轉(zhuǎn)速超過700r/min 后，風扇轉(zhuǎn)速受電磁閥開度變化影響較小，在PID閉環(huán)控制下，風扇轉(zhuǎn)速可以很好地跟隨目標轉(zhuǎn)速。

2基于動態(tài)積分凍結(jié)的風扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制原理

基于動態(tài)積分凍結(jié)的風扇轉(zhuǎn)速控制邏輯是在傳統(tǒng)的風扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，根據(jù)當前風扇運行工況，判斷風扇運行狀態(tài)，據(jù)此進行閉環(huán)控制邏輯的切換。閉環(huán)控制邏輯的差異主要是積分開度的計算方法不同[11]?；趧討B(tài)積分凍結(jié)法的控制邏輯運行框圖如圖4所示。

基于動態(tài)積分凍結(jié)的風扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制邏輯包括工況識別邏輯、動態(tài)積分凍結(jié)邏輯和控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯三部分。工況識別邏輯主要是對風扇運行工況進行識別、判斷，輸出風扇運行狀態(tài)Fan_st；動態(tài)積分凍結(jié)邏輯主要對PID算法中的I積分值進行動態(tài)凍結(jié)，輸出不同的I積分開度值；控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯主要是根據(jù)風扇運行狀態(tài)進行控制狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)和運行不同的PID閉環(huán)控制邏輯。

3基于動態(tài)積分凍結(jié)的風扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制邏輯設計

3.1工況識別原理及邏輯設計

由當前溫度計算得到目標轉(zhuǎn)速，風扇運行工況識別邏輯根據(jù)目標轉(zhuǎn)速和風扇輸入轉(zhuǎn)速，查詢內(nèi)置的風扇狀態(tài)標識MAP圖，得到風扇運行狀態(tài)[12]。邏輯運行框圖如圖5所示。

首先根據(jù)風扇電磁閥驅(qū)動特性和試驗標定獲取風扇的控制特性MAP圖。按照風扇目標轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)速，將風扇運行工況劃分為可控區(qū)、死區(qū)、不易控區(qū)、全轉(zhuǎn)區(qū)?？煽貐^(qū)指的是在該工況區(qū)域內(nèi)風扇實際轉(zhuǎn)速可以很好地跟隨目標轉(zhuǎn)速運行；死區(qū)指的是電磁閥控制失效區(qū)，該工況區(qū)域內(nèi)電磁閥控制特性極差，實際轉(zhuǎn)速很難通過電磁閥占空比進行控制；不易控區(qū)指的是該區(qū)域下電磁閥驅(qū)動特性較差，風扇實際轉(zhuǎn)速跟隨目標轉(zhuǎn)速有較大的波動；全轉(zhuǎn)區(qū)指的是該工況區(qū)域內(nèi)風扇處于全嚙合狀態(tài)。在本研究中，將不易控區(qū)、死區(qū)統(tǒng)稱為不可控區(qū)，其控制邏輯相同[13]。風扇控制特性MAP圖示例如圖6所示，該款風扇應用于挖掘機上，共有360個運行工況點，其中死區(qū)和不易控區(qū)工況合計66個，占比為 18.3% 。

根據(jù)風扇狀態(tài)標識邏輯，當風扇運行在可控區(qū)時，輸出風扇狀態(tài) ，當風扇運行在不可控區(qū)時，輸出風扇狀態(tài)Fan_st =1 ，當風扇運行在全轉(zhuǎn)區(qū)時，輸出風扇狀態(tài)Fan_st =2 。

3.2 動態(tài)積分凍結(jié)原理及邏輯設計

動態(tài)積分凍結(jié)邏輯主要是對風扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制用PID算法中的I積分值進行動態(tài)凍結(jié)，輸出不同的I積分開度值。由于I積分計算的開度值被凍結(jié)，因此風扇轉(zhuǎn)速偏差 Δn 相對穩(wěn)定，P、D計算的開度相對固定，因此PID計算出的開度相對穩(wěn)定。保留P、D不凍結(jié)主要是考慮當風扇運行工況在不可控區(qū)內(nèi)跳轉(zhuǎn)時，實際風扇轉(zhuǎn)速可以在P、D的作用下進行跟隨變化[15]。

如圖8所示，根據(jù)識別到的風扇運行狀態(tài)標識號，分別觸發(fā)不同的控制邏輯。當風扇標識號為1時運行動態(tài)積分凍結(jié)邏輯。當風扇轉(zhuǎn)速偏差 Δn 大于等于標定門檻值時對上一個步長的積分開度進行凍結(jié)。標定門檻值根據(jù)目標轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速查找MAP得到，可以根據(jù)試驗標定得到，在圖9所示示例中，一50表征當風扇實際轉(zhuǎn)速超過目標轉(zhuǎn)速50r/min 時開始對積分開度進行凍結(jié)。凍結(jié)后的積分開度與當前計算得到的微分開度、比例開度相加得到最終的電磁閥開度。這里由于積分開度凍結(jié)不變，因此風扇轉(zhuǎn)速偏差 Δn 保持恒定，加之比例開度、微分開度均保持恒定，故此時的PID累加開度是恒定的[16]。

3.3控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)原理及邏輯設計

風扇控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)邏輯主要是根據(jù)風扇運行狀態(tài)進行控制狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)和PID閉環(huán)控制程序的切換。邏輯運行狀態(tài)機如圖10所示。

發(fā)動機起動成功且風扇完全脫開后，當風扇運行狀態(tài) 或 Fan_-st=2 時，風扇控制狀態(tài)Fan_stctl =1 ，運行PID閉環(huán)控制程序，此情形下閉環(huán)控制中的I積分開度初始值為0。當風扇運行狀態(tài) 時，風扇控制狀態(tài)Fan_stctl =2 ，運行動態(tài)積分凍結(jié)的PID閉環(huán)控制程序，此情形下閉環(huán)控制中的I積分開度值會隨著 Δn 的變化動態(tài)凍結(jié)。

當風扇運行狀態(tài)Fan_st由0切換為1或由2切換為1時，表示當前風扇運行工況由可控區(qū)跳轉(zhuǎn)為不可控區(qū)，考慮到實際風扇輸人轉(zhuǎn)速的瞬變特性，因此邏輯中加入延遲模塊，對因輸入轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化引起的風扇運行狀態(tài)變化進行延遲處理，避免因輸入轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)變化導致電磁閥開度的頻繁變化，引起風扇轉(zhuǎn)速的波動。

當風扇運行狀態(tài)Fan_st由1切換為O或2時，表示當前風扇運行工況由不可控區(qū)跳轉(zhuǎn)為可控區(qū)或全轉(zhuǎn)區(qū)，此時風扇控制狀態(tài)Fan_stctl =3 ，運行PID閉環(huán)控制程序，此情形下閉環(huán)控制程序中的I積分開度初始值為狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時刻的凍結(jié)開度。

4整車試驗結(jié)果及分析

本研究選取挖掘機用電控硅油風扇作為研究對象，開展整車定點穩(wěn)態(tài)試驗和瞬態(tài)變速試驗。在使用動態(tài)積分凍結(jié)方法后，低速死區(qū)和高速死區(qū)工況下風扇電磁閥開度可以有效凍結(jié)，風扇轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)，消除了風扇轉(zhuǎn)速不受控現(xiàn)象。

定點穩(wěn)態(tài)試驗：風扇輸入轉(zhuǎn)速恒定，按照50r/min 步長設定不同的風扇目標轉(zhuǎn)速，每個目標轉(zhuǎn)速下維持一定的測試時間，測試不同目標轉(zhuǎn)速下的風扇實際轉(zhuǎn)速表現(xiàn)。

瞬態(tài)變速試驗：該試驗分為兩種。一種是風扇輸人轉(zhuǎn)速恒定，風扇目標轉(zhuǎn)速按照斜率快速增加或減小，測試目標轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化過程的實際轉(zhuǎn)速跟隨情況，該試驗主要用于模擬測試挖掘機作業(yè)過程中風扇轉(zhuǎn)速隨溫度變化的跟隨響應情況。一種是風扇目標轉(zhuǎn)速恒定，輸入轉(zhuǎn)速快速增加或減小，測試輸入轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化過程的實際轉(zhuǎn)速跟隨情況，該試驗主要用于模擬測試挖掘機作業(yè)過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化時的風扇轉(zhuǎn)速跟隨響應情況。

如圖11所示，定點穩(wěn)態(tài)測試試驗中，在風扇輸入轉(zhuǎn)速 1100r/min ，目標轉(zhuǎn)速 650r/min 下，使用動態(tài)積分凍結(jié)邏輯后，I積分開度被有效凍結(jié)在固定開度上，PID計算開度固定，風扇轉(zhuǎn)速偏差 Δn 恒定，可以有效解決風扇波動大的問題。

如圖12所示，定點穩(wěn)態(tài)測試試驗中，在風扇輸入轉(zhuǎn)速 1400r/min ，目標轉(zhuǎn)速 1300r/min 下，使用動態(tài)積分凍結(jié)邏輯后，I積分開度被有效凍結(jié)在固定開度上，PID計算開度固定，風扇轉(zhuǎn)速偏差 Δn 恒定，可以有效解決風扇波動大的問題。

如圖13所示，瞬態(tài)變速測試試驗中，當風扇輸入轉(zhuǎn)速在 范圍內(nèi)連續(xù)變化，風扇目標轉(zhuǎn)速 1300r/min 恒定，風扇運行工況在可控區(qū)、不可控區(qū)跳轉(zhuǎn)時，動態(tài)積分凍結(jié)邏輯可以按需進行使能控制，可控區(qū)內(nèi)PID控制有效保證實際轉(zhuǎn)速跟隨目標轉(zhuǎn)速，不可控區(qū)內(nèi)動態(tài)積分凍結(jié)邏輯有效凍結(jié)積分開度，轉(zhuǎn)速偏差穩(wěn)定，從而有效抑制轉(zhuǎn)速波動問題。

5 結(jié)束語

通過對某款風扇離合器驅(qū)動特性、風扇運行工況下的表現(xiàn)進行識別、判斷，運用動態(tài)積分凍結(jié)程序，在風扇低速控制死區(qū)、高速控制死區(qū)內(nèi)凍結(jié)積分開度，通過PD開度控制死區(qū)工況切換時的風扇轉(zhuǎn)速變化。對某挖掘機開展定點穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)變速工況測試，在風扇控制死區(qū)66個工況點下，風扇均可穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速劇烈波動現(xiàn)象，風扇轉(zhuǎn)速波動工況百分比由 18.3% 降低為 0% 。該技術(shù)有效抑制了風扇控制死區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動問題，有效解決了風扇轉(zhuǎn)速波動帶來的噪聲問題。

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Abstract：Matching flexiblefans and reducing power consumption is an important means toreduce fuel consumption for engines.Comparedwithtraditionaldirect-connectedfansandthrespeedelectromagneticfans，electronicallcontroledilicone oilfans hadawiderspeed governormodulationrange.Tocontrolfanspeedmoreaccuratelyandminimizepowerconsumption， PIDclosed-loopcontrolbasedonfanspeedwas increasinglyapliedtosiliconeoilfansButcertaispeedrangesweredificultto stabiliebecauseoftheelasticpropertisofinteralspring，theviscositycharacteristicsofsiliconeoilsolenoidvalvedutycycle drivecharacteristics，andthedisengagementcharacteristic.Amethodwas henceputforwardtosuppress thespeedfluctuation ofsiliconeoilfansbycombining traditionalPIDclosed-loopcontrolwithdynamicintegralfrezingtechnology，achieving smooth fancontrolandgreatlysolvingtheproblemofspedfluctuationinthecontroldeadzoneoffans.Bycaryingoutfixedpointsteady-statetestsandtransientvariable-speedtestsonacertainexcavator，thetechnologycouldefectivelyeliminatethe phenomenonof spedfluctuationatthefandeadzoneoperating point，andthepercentageof speedfluctuationoperatingconditions reduced from 18.3% to 0% ：

Key words：silicone oil fan;speed fluctuation;PID control;dynamic integral freezing

[編輯：姜曉博]