電液伺服閉式泵控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究*

陳革新，劉會(huì)龍，趙鵬輝，閆桂山，艾 超

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004;3.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引 言

因具有響應(yīng)速度快、控制精度高與控制功率大等優(yōu)點(diǎn)[1]，電液伺服技術(shù)被廣泛應(yīng)用于冶金、鍛壓、軍工、船舶、軌道交通等工業(yè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代控制工程不可或缺的重要技術(shù)手段[2]。依據(jù)其工作原理，電液伺服技術(shù)主要?jiǎng)澐譃楸每嘏c閥控兩大類。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)以閥控技術(shù)居多，控制體系早已成熟。但其本身存在一些固有缺陷，如抗污染能力差、集成度低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重以及設(shè)備裝機(jī)成本高等[3]。相比之下，泵控技術(shù)不但能有效解決閥控技術(shù)的固有缺陷，還具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。

國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)泵控系統(tǒng)固有特性[4]、作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)特性[5,6]、位置與壓力控制性能[7-10]、熱平衡[11]以及散熱機(jī)理[12]均進(jìn)行了一定程度的研究，但缺少對(duì)電液伺服泵控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的深入研究。

基于電液伺服泵控系統(tǒng)工作原理，筆者針對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵問題的研究需求，設(shè)計(jì)閉式泵控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過位置控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該平臺(tái)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理

傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由閥控系統(tǒng)與泵控系統(tǒng)兩大部分組成。為給電液伺服閉式泵控系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，筆者基于傳統(tǒng)泵控系統(tǒng)構(gòu)型原理，設(shè)計(jì)泵控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

電液伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖如圖1所示。

圖1 電液伺服系統(tǒng)原理圖

圖1中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相較傳統(tǒng)泵控系統(tǒng)增設(shè)安全卸荷模塊，以雙排量徑向柱塞泵代替定量齒輪泵，添加梭閥與二位三通電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)泵排量切換功能。雙排量柱塞泵的引入有利于提高電機(jī)泵組固有頻率[13]。利用梭閥將高壓油引入電磁閥處，通過控制電磁閥得電狀態(tài)切換柱塞泵排量模式。當(dāng)電磁閥失電狀態(tài)下高壓油控制柱塞泵處于小排量模式，電磁閥得電狀態(tài)下高壓油控制柱塞泵位于大排量模式。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)要求，筆者計(jì)算液壓泵工作壓力與額定流量、電動(dòng)機(jī)額定功率等主要元件選型參數(shù)。設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)

(1)系統(tǒng)工作壓力計(jì)算

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用雙出桿對(duì)稱液壓缸，根據(jù)力平衡方程確定系統(tǒng)工作壓力p：

(1)

式中：p—液壓缸高壓腔壓力，Pa；F—系統(tǒng)工作負(fù)載力，N；A—液壓缸有效工作面積，m2；p2—液壓缸低壓腔壓力，Pa。

(2)系統(tǒng)工作流量計(jì)算

油缸所需工作流量依據(jù)活塞移動(dòng)速度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

Qi=A·v

(2)

式中：A—液壓缸有效工作面積，m2；v—油缸活塞桿移動(dòng)速度，m/s；Qi—液壓缸工作流量,m3/s。

由流量估算公式估算：

Q=k·Qi

(3)

式中：Q—系統(tǒng)作流量，m3/s；k—流量補(bǔ)償系數(shù)；Qi—液壓缸工作流量，m3/s。

(3)液壓泵的選擇

確定液壓泵的最大工作壓力為：

pp≥p+∑Δp

(4)

式中：pp—液壓泵的最大工作壓力，Pa；p—液壓缸高壓腔壓力，Pa；∑Δp—壓力補(bǔ)償，Pa。

確定液壓泵的流量為：

qvmax≥k1∑qvmax

(5)

式中：qvmax—液壓泵的流量，L/min；k1—系統(tǒng)泄漏系數(shù)；∑qvmax—液壓缸最大總流量，L/min。

確定液壓泵排量為：

(6)

式中：VP—液壓泵排量，L/r；Q—系統(tǒng)作流量，m3/s；n—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

(4)伺服電機(jī)的選擇

確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

(7)

式中：T—扭矩，N·m；p0—系統(tǒng)工作壓力，MPa；VP—液壓泵排量，L/r。

確定電機(jī)額定功率為：

(8)

式中：P—電機(jī)額定功率，kW；T—扭矩，N·m；n—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

系統(tǒng)基本參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)基本參數(shù)

系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)

3 工程實(shí)驗(yàn)

3.1 液壓部分

筆者所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)液壓系統(tǒng)由動(dòng)力單元、伺服液壓缸與功能閥塊組成。其中，動(dòng)力單元為穆格生產(chǎn)的，永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)形式的電液伺服泵控單元(EPU)，如圖2所示。

圖2 電液伺服泵控單元

圖2中，伺服電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)柱塞泵，柱塞泵吸排油口直接連接液壓缸兩負(fù)載油口；通過驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓缸的輸出位移、輸出速度與輸出力等。

系統(tǒng)通過功能閥塊將EPU與液壓元件高度集成化，一定程度上避免了油液污染，同時(shí)降低了系統(tǒng)能量損耗。采用伺服液壓缸內(nèi)置位移傳感器的構(gòu)型設(shè)計(jì)提高了傳感器采樣精度。

由于EPU設(shè)備不需要常規(guī)液壓泵站與復(fù)雜配管，且功能閥塊采用成高集成化設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效減少設(shè)備空間，同時(shí)伺服液壓缸的使用提高了設(shè)備的可靠性與匹配性、安全性。

3.2 電氣部分

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電氣部分包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)傳感器等，通過運(yùn)動(dòng)控制器軟件程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯運(yùn)動(dòng)控制、伺服運(yùn)動(dòng)控制和安全控制功能，確保完成各種協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)滿足實(shí)際工況需求。

其電氣原理構(gòu)架如圖3所示。

圖3 電氣原理構(gòu)架

圖3中，系統(tǒng)主PLC(以羅克韋爾73系列PLC為例)給出相應(yīng)指令信號(hào)，并通過CAN總線的通訊方式傳遞到電液伺服泵控系統(tǒng)MSD運(yùn)動(dòng)控制器；MSD運(yùn)動(dòng)控制器通過EtherCAT通訊方式與伺服驅(qū)動(dòng)器和倍福數(shù)采模塊進(jìn)行通訊；控制伺服驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)EPU轉(zhuǎn)速控制，以倍福數(shù)采模塊采集的信號(hào)反饋到上位機(jī)形成閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)電液伺服泵控系統(tǒng)位置/力輸出。

MSD運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)采集液壓系統(tǒng)的溫度、壓力等變量參數(shù)信號(hào)，對(duì)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。MSD運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)置PLC功能，除實(shí)現(xiàn)電液伺服泵控系統(tǒng)位置伺服控制外，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過程邏輯控制、安全控制等，并通過CAN總線與機(jī)組主PLC實(shí)時(shí)通訊，保證系統(tǒng)整體高效運(yùn)行。

電液伺服泵控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 電液伺服閉式泵控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.3 軟件部分

系統(tǒng)軟件部分包括控制系統(tǒng)程序及控制界面?？刂葡到y(tǒng)程序主要由邏輯模塊、報(bào)警模塊、閉環(huán)程序模塊、開環(huán)程序模塊及數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成，其控制構(gòu)架如圖5所示。

圖5 控制構(gòu)架

圖5中，程序初始化包括通訊初始化、控制器設(shè)備初始化與參數(shù)初始化；程序主控制部分主要由6部分組成，其中邏輯控制模塊部分負(fù)責(zé)規(guī)劃系統(tǒng)的工作工藝，保證設(shè)備按照規(guī)定順序工作；數(shù)字量與模擬量輸入輸出模塊負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的采集與交換，能夠?qū)鞲衅鞯臋z測信號(hào)反饋到運(yùn)動(dòng)控制器中并將輸入信號(hào)給到指定位置；開環(huán)與閉環(huán)控制算法部份主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備調(diào)試工作；報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備免受損壞。結(jié)束功能負(fù)責(zé)跳出循環(huán)程序，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

控制系統(tǒng)軟件控制界面如圖6所示。

圖6 控制界面

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以位置控制系統(tǒng)為例，筆者通過MACS軟件編寫程序下載至MSD運(yùn)動(dòng)控制器中，利用軟件編程中的位置給定信號(hào)指令向油缸施加階躍響應(yīng)信號(hào)指令，采集位移傳感器位置信號(hào)、系統(tǒng)壓力傳感器壓力信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)分別采集了液壓缸位置控制10 mm位移下的位移、壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速等參量信號(hào)并繪制曲線，位置控制實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。

由圖7可得出：在液壓缸柔性伸出階段，實(shí)際位置與目標(biāo)位置變化較為貼合且響應(yīng)快，但是在加減速階段存在較大偏差，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；系統(tǒng)A、B腔實(shí)際壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)均可準(zhǔn)確采集。

圖7 位置控制實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語

基于電液伺服泵控系統(tǒng)原理，筆者搭建了電液伺服閉式泵控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過位置控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的可行性。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為電液伺服閉式泵控技術(shù)關(guān)鍵問題研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

通過實(shí)驗(yàn)研究可知，該泵控系統(tǒng)控制精度有待提高，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)其控制算法；通過修改控制器算法，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力與速度的控制，因此，該平臺(tái)可應(yīng)用于汽輪機(jī)組與軋機(jī)等的設(shè)備中。