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转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统静特性
作者:管理员    发布于:2016-07-05 11:23:12    文字:【】【】【

  转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统静特性+权龙(太原理工大学机械电子工程研究所太原030024)(德国德累斯顿工业大学)用双变速泵复合控制差动缸速度的回路原理补偿差动缸不对称的流量。提出总压力的控制原理削除泵泄漏及油液压缩引起缸二腔的气蚀和张紧。导出了该系统的压力流量函数和压力增益函数。

  刖g近年来,随着人们环境意识的增强,各种传动方式及控制技术之间日趋激烈的竞争,能耗的多少和噪声的高低已经成为评价机械设备性能优劣的重要标准。在液压传动及控制领域能够满足这一要求的创新技术是可变转速泵的驱动概念。在这样的系统中,用一个转速可调的电动机驱动定量液压泵,通过改变泵的转速使泵输出的流量和压力与系统要求相适应。与阀控系统相比,这一原理可完全消除系统中存在的节流损失,并具有对油液污染敏感性低的优点。就是同传统的荥控系统相比,也具有噪声低,效率高,无需辅助油源,可简化栗的结构等优势。如应用于塑料注塑机可进一步降低能耗257.以上。新的原理特别适用于液压电梯、压力机、注塑成形机等具有辅助循环周期的机器和设备中,具有光明的应用前景,因而发展新的回路原理和方法,达到与传统阀控伺服技术相同的特性,使电液控制技术与其他传动控制技术相比更具竞争力与优越性,就具有重要的理论和实际意义。

  1基本回路原理的研究根据系统对动态特性的要求,调速电动机与液压泵组合可以是:交流伺服电动机加定量液压泵;交流异步电动机加定量液压栗;交流异步电动机加变量液压泵三种方式。相比之下,交流伺服电动机*山西省留学回国人员科研基金资助项目(101045)。200HM09收到初稿,20010717收到修改稿与定量液压泵的组合具有好的动静态特性,同时成本较低,且由于定量泵常常具有比变量泵更高的效率,系统效率也高,因而特别适合于作为高动态闭环伺服系统的调节环节。

  差动液压缸具有输出力大,结构尺寸小,占用空间小,制造简单,成本低的优势,是应用为广泛的线性液压执行器,但因存在吸排油流量不对称的问题,也为变排量直接闭环控制带来一定的难度。为了使用转速可调泵组成的差动缸闭环系统具有与阀控系统一样的特征和特性,组成的系统应满足如下的条件。

  (1)在缸的运动过程中能够自动补偿差动缸面积差产生的不对称流量。

  (2)自动补偿泵及缸泄漏产生的影响,静态时使缸两腔能处于某一压力的张紧平衡状态,而在缸的运动和加载过程中缸两腔的压力能够朝相反的方向变化,克服负载或使缸加减速。

  (3)为了实现节能的目的,回路中不应有任何节流元件和辅助动力源,而仅由转速可调泵提供所需的流量和压力。

  是根据上述要求提出的6种基本回路方案。

  权龙等:转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统静特性图la、b所描述的回路原理,都应用同轴驱动的二个转速可调泵来控制差动缸的运动,因只用一个电动机驱动,这二种回路都只有一个调节自由度。虽然通过选择液压泵的排量,能够补偿差动缸面积差产生的不对称流量,但为了消除缸和泵的泄漏及油液压缩造成的气蚀和失控,还必须在回路中采用其他附加的措施。这二种方案的优点是只使用一个伺服电动机和相应的转速控制装置,因此比较适用于中小功率系统。

  图lc所示方案,由二台相互无关的转速可调泵组成控制回路,系统有转速、《2二个调节自由度,通过合理设计回路的控制信号,如一台泵控制缸位置,一台栗控制压力,在动静态情况下,系统都能适应流量差及泄漏变化的影响,无需在回路中附加辅助元件,就可像阀控系统一样四象限工作。

  不足是为了实现快速进给需采用大功率的伺服电动机和大排量的泵,增加了系统成本。对于实际的应用情况,如果无四象限驱动的要求,则可采用图Id所示的方案,用一蓄能器代替转速可调泵2,通过选择合适的蓄能器特性曲线,可以在满足系统动静态特性的前提下大大降低回路成本。

  图le所示方案,用一定量液压泵和马达组成的液压变压器来适应差动缸的流量差,但由于定量泵和马达的组合受产品种类的限制,为适应任意面积比带来一定困难。该方案还需要辅助油源补偿动态流量偏差,使液压缸二腔预张紧,造成系统效率较低,成本也高。相比之下,图If所示的方案较为合理,系统由二台转速相关的变速泵复合控制,系统按照差动回路原理工作,不仅可方便地适应任意面积比液压缸产生的流量偏差,并可在不附加任何元件的情况下,通过设计合理的控制算法就可消除油液泄漏及压缩造成的气蚀和失控。

  2回路工作原理和总压力控制原理在阀控伺服系统中,由于伺服阀零位时存在泄漏,使液压缸两腔处于静压平衡状态,且液压缸二腔的压力和等于系统溢流阀的调定压力。正是伺服阀的这一特性,可以补偿系统泄漏和油液压缩产生的流量偏差,当液压缸运动或有外负载作用时,在维持二腔压力和不变的情况下,使缸二腔的压力朝相反的方向变化,产生的压力差使液压缸加速和制动,并平衡外负载,实现四象限驱动,并提高了系统的刚性和固有频率。所以当应用转速可调泵实现缸位置的闭环控制时,也应在初始位置使系统处于与阀控系统相同的状态,为此本研究应用图lf所示方案具有二个控制自由度的特点,提出在位置控制回路之外迭加总压控制回路的原理实现这一要求。系统原理如所示。

  由图可知,系统的控制信号由压力控制回路和位置控制回路二部分组成。系统的工作过程是:当系统刚启动时,总是处于总压力的控制状态,位置控制信号的设定值为零,压力控制信号经过与系统泄漏有关的换算后,同时作用于泵1、泵2.泵2向容腔6供油,供出的油一部分被压缩使压力/升高,一部分补偿容腔6的内外泄漏。泵1同时提供容腔6产生压力需要的压缩流量,容腔6的外泄及泵2所需的流量。稳态时,由于控制回路的调节作用,使液压缸二腔的压力和等于设定值,同时使缸二腔压力满足稳态的平衡关系。

  从而使液压缸处于和阀控伺服系统一样的预张紧状态。

  对于位置控制回路,可将其看成是由面积等于的等截面缸和面积为的单作用缸组成。泵2的作用是控制缸的运动速度和方向,使缸无论是在伸出和缩回时都具有相同的运动速度。

  泵1的作用是补偿差动缸面积比产生的流量偏差,相当于比值可调的液压变压器,当活塞杆外伸时,向容腔G提供流量,而当活塞杆缩回时,将容腔K多余的油液抽回油箱。一般取二泵的排量相等,即,=Fp2=Fp,泵1的转速可根据速度平衡关系及液压缸的面积比,由泵2的转速计算确定如下机械工程学报矿物油HLP46油温内啮合齿轮泵与压力相关的泄漏特性图中曲线办,是泵的总泄漏流量,相当于泵1的情况,测试时,将泵的出口封死,调节伺服电动机的转速,按每分一转的增量从零提高转速,同时记录泵出口的压力值即可由泵的理论排量计算出栗的总泄漏流量。图中曲线是同时记录的泵外泄油口的流量,相当于泵2中的外泄流量或伙leB,考虑到内啮合齿轮泵的结构,假设这二个值相等。曲线办,与办,le的差值即可认为是泵2的内泄漏流量,不过这时的压力应看作是这二油口压力之差。从测试结果可以近似认为泵的泄漏流量与压力成线性关系。因而可确定相应液导P私14和3.2闭环系统的静态特性3.2.1确定泄漏系数0泄漏系数将使总压力控制信号产生一个与系统泄漏特性有关的比值。

  其作用是保证系统在无外负载作用情况下,使二栗的转速适应系统的泄漏,而使总压力控制回路正常工作,避免缸的位置发生漂移,提篼位置控制精度。

  泄漏系数可根据负载压力列=0和缸速度v=0时系统的流量连续性方程确立如下容腔匕容腔根据等式(1)、(2)可分别确立总压力控制下压力和;分别为在A=的条件下将等式(7)代入等式(5)、(6)即可确定压力控制回路每个泵的转速设定值分别为由式(8)、(9)可确定泄漏系数;为3系统静特性研究3.1伺服电动机液压粟组合的静态特性3.1.1液压泵输出流量一转速控制特性与定量泵和变量泵只工作在恒定的转速工况不同,转速可调泵必须能够在很大的转速范围内适应负载的变化。例如能够在很低的转速下提供大或小的负载力,甚至在泵反转的工况也能如此,但并非所有液压泵都能够满足这一条件,是实测内啮合齿轮泵的流量一转速特性曲线。

  转速内啮合齿轮泵的流量一转速特性这一曲线就相当于伺服阀的稳态控制特性。对于叶片泵,因为在系统压力未建立之前全靠离心力将叶片甩向定子内表面,试验表明,在转速低于160pmr1时,几乎不输出流量。当转速由高变到低于160r*mr1时,因系统已经建立了压力,虽然离心力很小,但叶片仍能被液压力压在定子内表面,在非常低的转速范围内泵仍能正常输出流量。这一特性将对闭环后伺服系统的控制产生非常不利的影响。对于内啮合齿轮泵,特性曲线非常线性,但因未补偿间隙,泄漏较大。系统压力为15MPa时,在泵转速近100rmr1时才开始输出流量,但这一特性不会对闭环后的系统产生影响,因而内啮合齿轮泵非常适合转速可调泵的闭环控制应用。

  3.1.2泵的泄漏特性在新的回路原理中不存在任何节流组件,因此泵的泄漏特性对确定控制算法和回路的动静态特性,如效率、压力增益、系统稳定性就非常关键。

  参看,转速可调泵有二种工作状况。对泵1,只有一个压力面,只需确定总的泄漏量,对于泵2,有二个压力面,则存在二油口之间的内泄漏、二工作面与泄油口之间的外泄漏三种泄漏流量。是实际测试这二种工况下无间隙补偿内啮合齿轮泵的泄漏流量特性曲线。

  权龙等:转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统静特性(14)、(15),并设;21MPa可计算得到这一曲线族如所示。

  值与液压缸的面积比、系统的泄漏特性有关,受泵内外泄漏系数比值的影响特别大。这样每个泵转速的给定值就应是相应泵的压力设定信号和位置设定信号之和。

  (11)3.2.2压力量函数对于阀控电液伺服系统,系统的压力流量特性是指稳态时,阀的负载流量,负载压力A和滑阀位移三者间的关系>0.这一曲线族表征系统的工作能力,并对系统的稳定性起关键作用。同理,对于应用转速可调泵闭环控制的差动缸,了解这一特性,对系统的分析设计也非常重要。因系统采用的是非对称缸和靠泵的转速改变流量,定义这一特性为缸的速度V,负载压力A和泵的转速6三者间的关系其值可根据稳态情况缸的运动方程确定如下:当液压缸活塞杆外伸时,缸的速度为将等式(3)代入有为了将上式进行量纲一的处理,在等式二边均除以高的速vt=Hmap/忠,得采用同样的方法可导出当活塞杆退回时,这一关系为-活塞杆伸出七3十-活塞杆退回负载压力pi/MPa转速可调泵伺服系统压力量特性此图表明,缸外伸时系统能推动的大负载压力为42MPa(―象限),能阻止的负载压力为21MPa(二象限)。活塞杆退回时能拉动的负载压力为21MPa(三象限),而能阻止的推负载压力为42MPa(四象限)。同阀控系统压力流量的非线性关系相比,转速可调泵伺服系统具有水平的流量、压力特性,就是说随着动态和静态负载压力的变化,缸的运动速度变化非常小,因而系统具有非常篼的动态刚度,在整个工作范围都具有较高的效率。曲线还表明这一系统在所有工作点都具有相同的速度增益,这一优点可使系统在全部工作范围内都具有一致的回路增益特性,从而不必采用高费用的适应调节和非线性曲线校正,系统也能获得优化的动静态特性。

  3.2.3压力增益函数电液伺服系统的另一个重要关系是压力信号函数和压力增益,它描述系统启动大惯性负载,抵抗外负载变化和克服摩擦力的能力。对于阀控系统,这一函数是指当负载通道封闭(¢=0),供油压力一定时,阔开度:V与负载压力仍之间的关系。对于本系统,在计算时必须连同差动缸在内一起考虑才有意义,定义这一特性为系统处于定位状态(v =0),总压力一定时,负载压力与泵转速之间的关系仍=/(H)。根据定义可推导这一函数关系如下容腔匕的流量平衡关系当总压力给定后,即可由式(7)、(18)分别计算确定压力A、/随转速变化的值如中的曲线所示。

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