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在壓路機發(fā)動機轉速控制中使用直線步進電機———在壓路機發(fā)動機轉速控制中使用直線步進電機
三一重工路機研究院

      全液壓雙鋼輪壓路機是在現(xiàn)代路面施工中對路面進行壓實,使其達到預定密實度、平整度要求的一種施工設備。由于壓路機主要是利用它的行走及振動進行工作,因此,其行走速度和激振力則決定了施工質量的關鍵。作為主動力的發(fā)動機,其工作狀況和工作效率直接影響壓路機整機工作性能和壽命;其工作轉速直接影響整機輸出功率。為了提高壓路機整機工作性能、工作效率,最大限度發(fā)揮發(fā)動機全程調速性能,我們通過對發(fā)動機轉速進行閉環(huán)控制實現(xiàn)發(fā)動機轉速的自動調節(jié)來達到上述目的。
  雙鋼輪壓路機在正常工作中有三種狀態(tài):靜碾壓行走、振動行走和轉場高速行走,這三種狀態(tài)對發(fā)動機所要求的功率輸出是不同的,將行駛手柄、檔位開關及振動開關三個開關量信號輸入到PLC,通過相互間的邏輯關系可分別確定發(fā)動機對應的轉速,同時PLC還接收到來至發(fā)動機飛輪殼上的轉速傳感器的脈沖信號,兩個信號一同送入PLC中PID調節(jié)器,通過某種運算,輸出一個高速脈沖和方向信號給驅動器,驅動器將其轉換為兩個相位差180°的驅動脈沖串給直線步進電機,電機旋轉一定轉角使花鍵軸發(fā)生相應直線位移,并帶動發(fā)動機油門拉桿精確到達給定位置,最終使發(fā)動機在所給定的轉速下穩(wěn) 定運行,保證了發(fā)動機功率輸出與動力需求的最佳匹配。

  目前,在市場上應用于電控油門裝置的驅動裝置有直線比例電磁鐵、擺動步進電機和直線步進電機,對比分析如下:
  直線比例電磁鐵:結構簡單,免維護,可靠性高,響應快,能實現(xiàn)位移的精確控制,采用PWM脈沖信號控制,脈沖頻率較低<200Hz;缺點是沒有自鎖能力,耗用電流大,最大位置時電流為3.5A,線圈發(fā)熱導致熱穩(wěn)定性差,線性差。
  擺動步進電機:可以采用PWM或PTO脈沖信號控制,響應快,抗干擾能力強,耗用功率小;缺點是直齒輪傳動,結構較復雜,沒有自鎖能力,閉環(huán)控制時穩(wěn)定性差。
  直線步進電機:結構簡單,免維護,可靠性高,能實現(xiàn)位移的精確控制,采用PTO脈沖信號控制,假如步進電機每得到一個脈沖轉一個轉角為5°~12°,轉換成直線位移則可達0.05~0.10mm的精確度,響應快,轉動慣量小,十分容易實現(xiàn)啟動、反轉和制動,抗干擾能力強,有自鎖能力,缺點是要求脈沖頻率較高>500Hz,必須有極限位置過載保護裝置。
  綜合以上分析,我們最終選擇了直線步進電機,通過提高安裝配合精度,高怠速限位保護及程序軟保護,不但滿足了恒轉速精確控制,控制精度±20RPM,使用壽命也大大提高,已實現(xiàn)了產品批量使用1000小時無故障。


YZC12 Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機

  在壓路機工作中,如果出現(xiàn)較大負載突變,發(fā)動機轉速超過或低于允許的工作轉度,有可能對設備造成重大的損壞,為此,需對發(fā)動機的轉速進行多種方式的限幅軟保護和機械限位硬保護。
  在發(fā)動機升速和轉速調節(jié)過程中,實時轉速值反饋回PLC,由PLC進行高速計數(shù),步進電機正轉,高速計數(shù)器增計數(shù);步進電機反轉,高速計數(shù)器減計數(shù),PLC自動分析發(fā)動機正常運行時的步進電機正轉步數(shù),并進行運算處理得出步進電機允許正轉的最高步數(shù),當由于意外原因引起發(fā)動機轉速向最高轉速上升時,PLC自動封鎖步進電機,以保證柴油機不會超過所允許的最高轉速;如果發(fā)動機油門已處于最大開度,而此時轉速值仍低于給定值,PID將出現(xiàn)失調,此時限位開關動作,關閉高速脈沖輸出,PID清零,步進電機停止工作。
  我們先后在全液壓雙鋼輪壓路機、全液膠輪壓路機上采用了以上控制技術,均取得了良好效果:第一,很容易實現(xiàn)遠程控制和自動化操作,減輕了操作手勞動強度,操作臺布局更為簡化和美觀;第二,發(fā)動機在不同負載時能自動調節(jié)到不同轉速,實現(xiàn)了負載與動力的最佳匹配,降低了燃油消耗;第三,發(fā)動機可以在低怠速下穩(wěn)定運行,并避開了整機共振區(qū)域,降低了低速機器振動噪音和排放污染。采用本控制裝置不僅大大提高了發(fā)動機的工作效率,整機的可靠性、可操作性得到提高,優(yōu)越性得到充分發(fā)揮,受到了廣大用戶的一致好評。