自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵的設(shè)計(jì)及其流量控制

路芳，吳懷超

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550003)

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷普及，具有高精度、易控制等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)控液壓系統(tǒng)的應(yīng)用也日益發(fā)展。軸向柱塞泵的數(shù)字控制，主要要實(shí)現(xiàn)軸向柱塞泵流量的數(shù)字控制，以滿足液壓工作機(jī)構(gòu)對(duì)液壓動(dòng)力流量的要求，因此，對(duì)軸向柱塞泵的數(shù)字控制主要是通過對(duì)其變量機(jī)構(gòu)的控制來實(shí)現(xiàn)的［1］。目前，常見的軸向變量柱塞泵是通過改變斜盤傾角來實(shí)現(xiàn)對(duì)其流量的控制，這種控制方式要求軸向變量柱塞泵本身要有斜盤變量機(jī)構(gòu)，這無疑增加了軸向變量柱塞泵本體的體積和質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［2］。作者設(shè)計(jì)的自帶步進(jìn)電機(jī)的微流量變量柱塞泵通過改變步進(jìn)電機(jī)輸入頻率實(shí)現(xiàn)流量控制，完全省去了泵本體的斜盤變量機(jī)構(gòu)，體現(xiàn)了液壓元件數(shù)字化、小型化的發(fā)展方向。

1 自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)及其工作原理

軸向變量柱塞泵由控制電機(jī)和泵體組成。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)其他設(shè)備的干擾小，具有無積累誤差、易于計(jì)算機(jī)控制、可靠性強(qiáng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因而選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置［3］。

圖1 為自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵的具體結(jié)構(gòu)。

圖1 軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，該泵主要由步進(jìn)電機(jī)9、泵體3 以及泵頭16 三部分組成，其中，步進(jìn)電機(jī)通過輸出軸與安裝在泵體3 內(nèi)部的絲杠5 連接在一起，傳動(dòng)螺母13 通過螺栓與柱塞15 連接在一起;在泵頭16 內(nèi)部設(shè)計(jì)有腔體、吸油口和排油口。其中，導(dǎo)向鍵4 可以防止螺母13 發(fā)生徑向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)對(duì)泵輸出流量的要求，通過單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)，旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，滾珠絲杠螺母副將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的軸向位移，進(jìn)而帶動(dòng)活塞作直線運(yùn)動(dòng);活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，步進(jìn)電機(jī)接受換向信號(hào)，活塞反方向運(yùn)動(dòng)，如此便可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，該泵最突出的特點(diǎn)是采用了一個(gè)滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高，因此作者采用它作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)［3］。下面，對(duì)該泵所采用的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

設(shè)圖1所示的步進(jìn)電機(jī)為二相雙極性步進(jìn)電機(jī)，步距角為α，最大工作頻率為fmax;變量柱塞泵的排量為V，柱塞的橫截面積為S，柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間為t，出油口的最大承受壓力為pmax。則絲杠的最大工作載荷Fmax為:

絲杠的工作長度L 為:

絲杠的最高轉(zhuǎn)速nmax為:

柱塞的軸向最高移動(dòng)速度vmax為:

由式(3)、(4)確定滾珠絲杠的導(dǎo)程ph為:

式中:i 為傳動(dòng)比，當(dāng)電機(jī)與滾珠絲杠副直聯(lián)時(shí)，傳動(dòng)比i=1。

由式(1)、(2)、(5)計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca為:

式中:fW為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)，取1.0 ～1.2;fa為精度等級(jí)。

圖1所示的微流量變量柱塞泵在實(shí)際使用時(shí)，為了配合完成吸油和排油，還需在進(jìn)油口和出油口分別設(shè)置一個(gè)二位二通電磁換向閥。吸油時(shí)，進(jìn)油口的閥打開，出油口的閥關(guān)閉;排油時(shí)，進(jìn)油口的閥關(guān)閉，出油口的閥打開。通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入頻率可以控制柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的快慢，從而達(dá)到控制泵輸出流量的目的。

2 自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵流量與頻率之間的函數(shù)關(guān)系

根據(jù)上述對(duì)軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，下面推導(dǎo)此泵輸出流量與輸入頻率之間的函數(shù)關(guān)系，從而為實(shí)現(xiàn)對(duì)該泵的流量控制提供理論支持。

根據(jù)機(jī)電傳動(dòng)與控制的相關(guān)知識(shí)，圖1所示的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 為［4］:

式中:f 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率(秒脈沖數(shù));α為步距角。

設(shè)滾珠絲杠的螺距為t，則柱塞的行程L 為:

L=tn(8)

設(shè)柱塞的橫截面積為S，則由式(7)、(8)可得泵的流量Q 為:

由式(9)可知:一旦泵的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定了，泵的輸出流量只與步進(jìn)電機(jī)的頻率f 和步距角α 有關(guān);一旦步進(jìn)電機(jī)的步距角固定，則泵的流量與步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率便成正比關(guān)系。

3 自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵流量控制的實(shí)現(xiàn)

為了驅(qū)動(dòng)圖1所示的自帶步進(jìn)電機(jī)軸向變量柱塞泵，并實(shí)現(xiàn)其流量控制，從而達(dá)到自動(dòng)控制泵運(yùn)行的目的，設(shè)計(jì)了如圖2所示的控制電路原理圖。如圖2所示，采用 AT89C52 單片機(jī)作為微控制單元(MCU)，并通過8155H 擴(kuò)展芯片擴(kuò)展了其I/O 接口。為了實(shí)現(xiàn)圖1所示變量柱塞泵自帶步進(jìn)電機(jī)頻率的變化，需要MCU 向該步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路輸入脈寬調(diào)制波形(PWM)，此PWM 波形的頻率和占空比可由MCU 進(jìn)行控制。具體的實(shí)現(xiàn)方法為:為了得到具有一定的頻率和占空比的PWM 波形，可利用MCU 的內(nèi)部定時(shí)器來實(shí)現(xiàn);為了改變?cè)揚(yáng)WM 波形的頻率和占空比，可通過改變MCU 內(nèi)部定時(shí)器的賦值來實(shí)現(xiàn)，而賦值的大小可由操作者通過上位機(jī)輸入。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)泵的吸油和排油，需要控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，因而，MCU 還需向該步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路輸入方向控制信號(hào)。

基于上述思路，如圖2所示，通過P1.0 腳輸出步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)信號(hào)SWH;通過AT89C52 單片機(jī)的P1.1 腳輸出步進(jìn)電機(jī)所需的PWM 波形，即時(shí)鐘信號(hào)CLK;通過P1.2 腳輸出步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)所需的方向控制信號(hào)DIR。此3 路信號(hào)經(jīng)過光電隔離后接驅(qū)動(dòng)電路便可與泵的控制線連接。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)頻率的變化，將AT89C52 單片機(jī)串行口的RXD 和TXD 腳與上位機(jī)相連，從而通過串行通信的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的控制。為了將操作者的輸入頻率和占空比數(shù)值實(shí)時(shí)顯示出來，在圖2 中特采用了8 個(gè)共陰極數(shù)碼管來進(jìn)行顯示，其中，前5 個(gè)用于顯示頻率，后3 個(gè)用于顯示占空比。為此，設(shè)置8155H 的PA 口為輸出口，該口通過反向驅(qū)動(dòng)器后作為8 位共陰極顯示器的位掃描口，設(shè)置PB 口作為輸出口，該口通過同相驅(qū)動(dòng)器后作為顯示器的段碼輸出口。

圖2 自帶步進(jìn)電機(jī)變量泵的控制電路原理圖

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了自帶步進(jìn)電機(jī)的軸向變量柱塞泵及其控制電路，通過改變頻率達(dá)到改變泵流量的目的，使泵的體積和質(zhì)量大大減小，體現(xiàn)了液壓元件數(shù)字化的發(fā)展方向。

【1】蘇明，陳倫軍.軸向柱塞泵的數(shù)字控制方式［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2008(5):40－42.

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