液压驱动扇控制器的研制.pdf

李 毅 一 ， 李远才 ’ ， 姚 高尚 3刘景平 1 ． 华中科技大学材料学院； 2 ． 广东大华仁盛科技有限公司； 3 ． 三一重工股份有限公司 摘要 液压驱动风扇冷却系统由多个散热器 、 温度传感器、 控制器、 液压泵、 液压马达 、 调节装置、 油 箱 、 过滤器等组成， 控制器不断检测温度传感器的温度信号和其它输入信号 ， 经过处理和运算后输出至调 节装置，使冷却系统能够根据冷却介质温度的高低，自动调节风扇转速，提高散热能力。开发一种基于 X C 1 6 4微控制器的液压驱动风扇控制器， 由微控制器、 电源电路、 信号处理电路、 驱动及保护电路、 通信及 接口电路等组成。 介绍系统的基本原理、 控制器硬件结构和控制算法， 对控制器进行功能测试， 并应用于轮 式装载机上进行试验。结果表明 该控制器能根据冷却介质的温度变化使风扇转速产生连续变化， 使各种 冷却介质的温度维持在最佳 范围内。 L～、 ◆ 。 、 ◆一 、 。 l l 。 Ⅲ 一。 1 l _ l l l l ◆ l _ 一◆ 、 ◆ 『j 、 ◆ 、 f 、 】 。 。 、 l l | 。◆ 。◆ _． 1l l 关键词 液压驱动 ； 风扇 ； 控 制器 工程机械在作业过程中需要进行合理 的冷却 ， 以保证发动机及液力装置 、液压系统能够在适宜 的 温度状态下工作。传统冷却系统中风扇的驱动一般 为机械传动，风扇转速与发动机转速基本相当或成 正 比， 不能依据冷却介质温度的高低而发生变化 ， 发 动机在不 同的工作状态和不同的环境下，难以得到 最佳冷却 ， 因而在使用过程中易产生过热 高温环境 或高海拔地区 和过冷 低温 问题。 而采用液压驱动 的风扇冷却系统 ，可以根据冷却介质温度的高低调 节风扇转速 ， 有效解决以上过热或过冷问题 ， 缩短预 热时间 ， 实现最佳温度控制 ， 大量减少发动机的传热 损失 ， 并可降低油耗。 控制器是液压驱动风扇冷却 系 统的核心元件 ，国外很 多厂商如德 国博世力士乐 B o r s c h R e x r o t h 、 美 国 的派 克 P a r k e r 、 海德 福 斯 H y d r a F o r c e 、伊顿 E a t o n 、丹佛斯 S a u e r D a n f o s s 、 芬兰的艾佩克 E P E C 等都生产此类控制器 ， 但销售价格普遍较高。国内某主机厂与高校联合开 发研制了一种专用的控制器，打破了国外企业对该 项技术的垄断， 降低 了控制器的生产成本。 本文介绍 此液压驱动风扇控制器的工作原理 、软硬件设计及 其在工程机械上的应用情况 。 1 控制器的原理及硬件结构和算法 1 ． 1 基本原理 所研制的液压驱动风扇冷却 系统 由多个散热 器 、 温度传感器 、 控制器 、 液压泵 、 液压马达 、 调节装 置 、 油箱 、 过滤器等组成， 图 1 为其控制原理图。 控制 器不断检测温度传感器的温度信 号和其 它输入信 号 ， 并进行处理和运算 ， 然后将控制信号输 出至调节 装置。 当冷却介质温度较高时 ， 调节装置调整马达的 工作压力和流量 ， 使马达转速提高 ， 驱动风扇高速运 {基金项 目 国家火炬计； J 2 0 0 6 G H 0 4 1 3 6 7 。 作者简介 李毅 1 9 7 5 一 ， 男， 讲师， 华中科技大学材料学院博士生在读。 图 1 电控液力驱动风扇冷却系统原理示意图 一 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 转； 冷却介质温度较低时 ， 则降低风扇转速。工程机 械常用冷却介质的最佳温度范围通常为发动机冷 却液 8 5 o ～ 9 6℃、 变矩器油 8 5℃～ 1 1 0 o C、 液压油 5 5 ℃一 7 5 q C 。 1 ． 2 控制器硬件设计 控制器的输入信号主要有温度传感器信号 电 阻信号 、 转速信号 频率信号 及开关信号等 ； 输出 主要为脉 宽调试 P WM 、 开关及状态指示等信号 ； 控制器还要具有常规 的调试及通讯接 口 C A N总线 及 R S 2 3 2 。 对控制器可靠性方面的要求 ，大致包括以下内 容 1 必须要有高的电磁兼容性 E MC 。包括辐射 干扰、 传导干扰等达到汽车电子产品相关要求， 且静 电放电也须考虑 ； 2 结构坚固 ， 满足行走机械应用的要求。主要 表现在抗振动性 、 抗冲击性 、 耐潮 、 抗盐雾能力须达 到相关标准要求 ，对温度 、湿度须有较宽的工作范 围， 且 防水等级须在 I P 6 7以上 ； 3 必须有宽电压工作范 围，输入输出要有短 路 、 反极性保护等功能。 本控制器的硬件设计 ， 采取的主要措施有 1 在元器件的选择上 ， 按汽车级及以上标准选 择 ， 工作温度必须达一 4 0℃～ 1 2 5℃的要求 ， 微控制器 选择低频率时钟处理器； 2 采用四层电路印刷电路板 ， 元件在印刷线路 板的布局充分考虑抗电磁干扰问题和散热问题 。将 模拟信号 、数字电路和噪声源三部分合理地相对分 开布置 ， 使相互间的信号耦合为最小 ； 3 在电源设计上 ， 处理器与外设电源相对分开 独立供电并进行过载保护及监控 ； 4 在控制器的防护上 ， 采用铝合金外壳 ， 使之 具有较高的强度 ， 增强抗振性 ， 并可防止 电磁辐射干 扰。 在结合部位及接头周围用专用密封橡胶处理 ， 使 之具有较好防水及防尘等特性 。 图 2为所研制的控制器硬件结构图，由微控制 器 、 电源电路 、 信号处理电路 、 驱动及保护电路 、 通信 及接 口电路等组成。 微控制器是控制器的核心，本控制器采用的是 英 飞凌 S A K XC 1 6 4 C M芯片的单片计算机 ， 除含算 术 运 算及 控 制 单 元 外 ，还包 括 F L A S H E P R O M、 E E P R O M 和 A ／ D转 换 等模 块 ，并 具 有 R S 2 3 2和 一 42一 电源电路 保护及监 电路 信 号 处 理 电 路 Cl 64 微控制器 驱动及 护电g R 2 32 CAN P wM输出 开关量输出 图 2控制器硬件结构框 图 C A N接口， 方便与其它设备 如 P C机等 进行通讯， 实现监控以及参数设置等功能 。 为了提高系统的可靠性 ，电源部分采取 了多项 措施 ， 包括宽电压输入 、 防静 电和浪涌设计 、 输入输 出的滤波及可靠隔离等。微控制器的电源与功率输 出部分相对分离 ， 两部分电源相对独立 ， 并通过保护 及监控 电路进行监控。 开关信号输入接口主要输入的是强制制冷输入 信号和过滤器堵塞信号 ， 此类信号为高低电平信号 ， 经信号处理电路处理后 ， 送入微控制器的输人端 口； 转速信号输入接 口主要输入风扇转速信号 、发动机 转速信号等 ，这些频率信号需经过整形及变换后输 入到微控制器进行处理 ；温度信号输入接 口主要输 入各种工作介质的温度信号 ， 一般为电阻信号 ， 不能 直接输入微控制器进行测量 ，需在电阻信号上施加 标准 电压 标准电压 由前述 电源模块产生 ， 并经过 串联标准电阻进行分压 ，变换成为电压信号后再输 入到微控制器 中进行测量 ； 此外 ， 还有为其它需要而 预留的信号输入接 口。 信号处理电路对传感器信号进行隔离 、 变换 、 转 换 ， 使信号变成微控制器可以接收的信号 ， 并完成对 信号的电气隔离， 以提高系统的抗干扰能力。 驱动及保护 电路输 出 P WM信号和开关信号 ， P WM用于直接驱动电磁阀、 变量泵的调节机构等器 件 ；开关信号用于驱动单 向阀、报警及指示灯等器 件 。驱动及保护 电路可对外接器件做短路 、断路处 理 ， 以进行检测及判断 ， 当出现异常时关闭输出 ， 以 保护电源系统及其它相关 电路 。 1 ． 3 控制算法 对液压驱动风扇的控制 ， 常用两种算法 ， 一种为 P I D算法 ， 另一种为温度与转速线性对应法。P I D控 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 制是一种线性控制 ，它根据温度给定值与实际温度 值构成的控制偏差进行控制。温度与转速线性对应 法 ，主要是设定介质温度与当前冷却介质的温度高 低 ， 确定风扇的转速， 风扇转速 与温度的关系如图 3 所示， 其规律为 n n ． ， 7--T n一 ⋯ ⋯_ -- 。 二 弓 } i ≤ ≤r m l 』 一 J I T l 1 | i F t r ／ , ⋯ r m 式 中 n为当前风扇转速 ； n 为风扇最低转速 ； n 为风扇最高转速 ； r，为当前冷却介质温度 ； ． 为最 低转速温度 ； 7 为最高转速温度 。 图 3温 度转 速 关 系 图 本项 目研制的控制器采用温度与转速线性对应 法 ， 控制软件主要流程为 首先测试系统是否正常 ， 然后控制器测量每种冷却介质温度并计算其对应的 风扇转速， 多种冷却介质相对应多个转速中， 取其中 最大者作为系统运行转速 。根据液压驱动系统的特 性即风扇转速与调节装置之间的关系，控制器运算 处理后将控制信号 P WM 输出到调节装置并对输 出状态进行监控。 在软件的抗干扰设计方面 ，主要采取了指令冗 余 、 设置软件陷阱 、 设置程序运行监视系统 、 A D采 样软件滤波等措施。 2 测试及应用 在液压驱动试验台上对所开发的控制器进行功 能测试 ， 以变矩器油温作为输入量 ， 测试时变矩器油 温设置为 t ． i ． 8 5 o C、 t m 1 1 0 O C。通过改变输人变矩 器油温 ，测量控制器实际输 出的 P WM信号的占空 比 ％ 和风扇的实际转速， 测量结果如图 4所示。 从 测试结果可知 ，控制器能够依据冷却介质的温度调 节风扇的转速 。 舍 g 蛏 匿 图 4 控制器测试数据 为了进一步验证及测试控制器 ，将所研制的控 制器应用于某轮式装载机上 ，其系统布置如图 5所 示 。 图 5控 制 器应 用 系统 图 此装载机共有 3 种介质须进行冷却，分别为发 动机冷却液 、 液压油及变矩器油。 3个散热器组成一 个冷却模块 ，由于是两个油散热器并联后再与发动 机冷却液散热器串联 ， 散热器之间有一定的影响 ， 因 此散热器的换热性能需经过严格匹配和优化；风扇 和马达安装于冷却模块上， 与发动机分离 ； 液压泵安 装于发动机上 ， 泵的转速与发动机转速比为 1 1 ； 调 节装置为电磁比例溢流阀， 结构为插装式， 直接安装 于马达上 ， 阀与马达为并联； 液压驱动风扇冷却系统 的油箱与液压系统共用 ； 传感器分别监测水温、 液压 - - - 43--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油温和变矩器油温并作为控制器的输入信号。根据 各温度的高低 ， 控制器按照预先设定的控制模式 ， 通 过改变流经阀的电流的大小 ， 调整 比例 阀的溢流量 ， 改变马达的工作压力 ， 调节马达的转速 ， 从而改变风 扇转速 ， 实现系统的温度控制 。 试验地点选择在平原地区，装载机进行装载作 业 ， 试验时环境温度为 3 6℃， 试验过程 中采用计算 机通过 R S 2 3 2连接控制器 ， 分别记录控制器测得 的 发动机冷却液 、变矩器油、液压油温度随时间的变 化。 图 6 所示为以上 3种冷却介质的温度变化曲线 ， 采用的是试验时从冷车至热平衡点的一段数据 。 赠 喀 嚣 佥 时 l司t ／ mi n 图 6 冷却介质温 度随时间的变化 曲线 经过多次对比试验 ， 所有试验数据显示 采用液 压驱动风扇冷却系统后 ，发动机冷却液温度始终维 持在 9 3℃左右 ， 变矩器油温维持在 9 0℃附近 ， 液压 油温维持在 7 5℃左右 ， 即各冷却介 质均能保持在最 佳温度范 围内。该机采用传统冷却系统时 ，风扇直 接安装在发动机输 出轴上 ，风扇转速与发动机转速 相同 ， 发动机冷却液的温度为 9 5 ， 变矩器油温最 高达到 1 2 9 o C， 液压 油温达 9 6℃， 变矩器和液压系 统油温均超 出了正常范围。 3 结束语 本文所介绍 的控制器可以实现风扇转速随冷却 介质的温度变化而连续变化，冷却能力随工程机械 的散热需要而 自动调节 使冷却介质保持在最佳工 作温度 ，有效改善了发动机的动力性和经济性。通 过采用低风扇转速与散热器相匹配，并优化冷却风 道设计 ， 还可降低冷却系统的噪声。 该控制器及此类 冷却系统不仅可以应用于工程机械 ，同样也可以广 泛应用于城市客车 、军工装备以及其它具有特殊要 一 44一 求的车辆和设备 ， 具有 良好的经济效益和社会效益。 参 考文献 ⋯万福君 ， 张铁柱 ， 张洪信． 发动机冷却 风扇温控 液力 驱 动系统f J 1 ． 汽车工程 ， 1 9 9 9 2 9 3 9 6 ． 【 2 】 吴志红， 朱元 ， 王光宇． 英飞凌 1 6 位单片机 X C 1 6 4 C S 的原理与基础应用I M 】 ． 上海 同济大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ] Ma r u t a ； K a z u h i r o O y a m a ， J P ， Y o s h i d a ； N o b u m i O y a - m a ， J P ， A k i y a m a ； T e r u o O y a ma ， J P ． C o o l i n g f a n d ri v e a p p a r a t u s [ P ] ． U n i t e d S t a t e s P a t e n t 6 3 1 1 4 8 8 ． 2 0 0 1 ． [ 4 ] B u s c h u r ，J e ff r e y J ． ，H i l l ， e t O1． H y d r a u l i c a l l y p o w e r e d f a n s y s t e m f o r v e h i c l e s [ P ] ． U n i t e d S t a t e s P a t e n t 6 0 2 1 6 4 1 ． 2 00 0． 【 5 】 G a r n e t t ，S t e p h e n C ． ，H a r l o w ， e t ． H y d r o - m e c h a n i c a l fan d r i v e [ P ] ． U n i t e d S t a t e s P a t e n t 6 0 5 0 2 2 8 ． 2 0 0 0 ． [ 6 】 吴海荣， 郭新民， 孙运柱． 筑路机械液压驱动冷却系统 【 J J ． 农机化研究 ， 2 0 0 5 5 1 4 9 1 5 0 ． 【 7 】 高久好， 何绍华 ， 徐刚． 液压驱动冷却风扇的转速控制 系统研究I J 1 ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 6 ， 4 3 3 6 8 3 7 0 ． 【 8 】 I n fi n e o n T e c h n o l o g i e s A G． P r o d u e t C a t a l o g f o r D i s t r i b u - t i o n【 M 】 ． Mu n i c h ， G e r ma n y I n fi n e o n T e c h n o l o g i e s A G， 2 0 08． 通信 地址 广州市 白云区北太路 1 6 3 3号广州 民营科 技园科 盛路 1 号广东大华仁盛科技有限公 司 5 1 0 5 4 0 收稿 日期 2 0 0 8 1 0 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m