压路机发动机转速控制中直线步进电机的使用

全液压双钢轮压路机是在现代路面施工中对路面进行压实，使其达到预定密实度、平整度要求的一种施工设备。由于压路机主要是利用它的行走及振动进行工作，因此，其行走速度和激振力则决定了施工质量的关键。作为主动力的发动机，其工作状况和工作效率直接影响压路机整机工作性能和寿命；其工作转速直接影响整机输出功率。为了提高压路机整机工作性能、工作效率，最大限度发挥发动机全程调速性能，我们通过对发动机转速进行闭环控制实现发动机转速的自动调节来达到上述目的。
　　双钢轮压路机在正常工作中有三种状态：静碾压行走、振动行走和转场高速行走，这三种状态对发动机所要求的功率输出是不同的，将行驶手柄、档位开关及振动开关三个开关量信号输入到PLC，通过相互间的逻辑关系可分别确定发动机对应的转速，同时PLC还接收到来至发动机飞轮壳上的转速传感器的脉冲信号，两个信号一同送入PLC中PID调节器，通过某种运算，输出一个高速脉冲和方向信号给驱动器，驱动器将其转换为两个相位差180°的驱动脉冲串给直线步进电机，电机旋转一定转角使花键轴发生相应直线位移，并带动发动机油门拉杆精确到达给定位置，最终使发动机在所给定的转速下稳定运行，保证了发动机功率输出与动力需求的最佳匹配。

系统硬件结构图

　　目前，在市场上应用于电控油门装置的驱动装置有直线比例电磁铁、摆动步进电机和直线步进电机，对比分析如下：
　　直线比例电磁铁：结构简单，免维护，可靠性高，响应快，能实现位移的精确控制，采用PWM脉冲信号控制，脉冲频率较低<200Hz；缺点是没有自锁能力，耗用电流大，最大位置时电流为3.5A，线圈发热导致热稳定性差，线性差。
　　摆动步进电机：可以采用PWM或PTO脉冲信号控制，响应快，抗干扰能力强，耗用功率小；缺点是直齿轮传动，结构较复杂，没有自锁能力，闭环控制时稳定性差。
　　直线步进电机：结构简单，免维护，可靠性高，能实现位移的精确控制，采用PTO脉冲信号控制，假如步进电机每得到一个脉冲转一个转角为5°～12°，转换成直线位移则可达0.05～0.10mm的精确度，响应快，转动惯量小，十分容易实现启动、反转和制动，抗干扰能力强，有自锁能力，缺点是要求脉冲频率较高>500Hz，必须有极限位置过载保护装置。
　　综合以上分析，我们最终选择了直线步进电机，通过提高安装配合精度，高怠速限位保护及程序软保护，不但满足了恒转速精确控制，控制精度±20RPM,使用寿命也大大提高，已实现了产品批量使用1000小时无故障。
　　在压路机工作中，如果出现较大负载突变，发动机转速超过或低于允许的工作转度，有可能对设备造成重大的损坏，为此，需对发动机的转速进行多种方式的限幅软保护和机械限位硬保护。
　　在发动机升速和转速调节过程中，实时转速值反馈回PLC，由PLC进行高速计数，步进电机正转，高速计数器增计数；步进电机反转，高速计数器减计数，PLC自动分析发动机正常运行时的步进电机正转步数，并进行运算处理得出步进电机允许正转的最高步数，当由于意外原因引起发动机转速向最高转速上升时，PLC自动封锁步进电机，以保证柴油机不会超过所允许的最高转速；如果发动机油门已处于最大开度，而此时转速值仍低于给定值，PID将出现失调，此时限位开关动作，关闭高速脉冲输出，PID清零，步进电机停止工作。
　　我们先后在全液压双钢轮压路机、全液胶轮压路机上采用了以上控制技术，均取得了良好效果：第一，很容易实现远程控制和自动化操作，减轻了操作手劳动强度，操作台布局更为简化和美观；第二，发动机在不同负载时能自动调节到不同转速，实现了负载与动力的最佳匹配，降低了燃油消耗；第三，发动机可以在低怠速下稳定运行，并避开了整机共振区域，降低了低速机器振动噪音和排放污染。采用本控制装置不仅大大提高了发动机的工作效率，整机的可靠性、可操作性得到提高，优越性得到充分发挥，受到了广大用户的一致好评。