恒压变量泵系统的电液数字控制研究.pdf
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1、恒压变量泵系统的电液数字控制研究 刘 忠1,杨襄璧1,伍劲松2,张 新3 (1 1 中南工业大学机电工程学院液压工程机械研究所,长沙市410083; 21 株洲工学院; 31 长沙矿山研究院) 摘要:本文研究了一种基于高速开关阀控制的恒压变量泵系统,通过理论与试验研究表明,这种系统具有结构简单、响应 迅速、控制精确等特点,为今后液压系统电液数字控制的发展提供了理论基础和技术指导。 关键词:恒压变量泵;高速开关阀;变量机构;压力控制系统;数字控制 0 恒压变量泵的工作原理 系统压力p作用于滑阀右端,与其左端的调压弹 簧相平衡,当压力因负载变化使平衡破坏时,若压力 作用大于调压弹簧的调定力,便使滑
2、阀向左偏离平衡 位置,压力油液进入变量缸的大端,移动泵的斜盘机 构,减少泵的输出流量,因而使负载压力即系统压力 p降低,该压力反馈至滑阀右端,直至达到重新平衡, 即阀口关闭为止。反之,如果压力作用小于弹簧的调 定力,则滑阀由弹簧作用而向右偏移,将液压缸大端 泄压,由小端压力作用使泵的斜盘机构反向移动,增 加泵的输出流量,因而系统压力上升,直至使滑阀与 调压弹簧相平衡为止。这种自动调压过程会使系统压 力p不随负载变化而保持一个恒定值(即调定值pt)。 当泵的工作压力p不超过其调定压力pt时,泵以最大 流量Qmax工作,如特性曲线AB段;当泵的工作压力 pb=pt时,泵可以在Q= 0至Q=Qmax
3、任意流量下工 作,如特性曲线BC段;当负载过大,要求p超过pt 时,泵便停止输出流量,不能在ppt下工作。恒压 变量泵工作原理如图1所示: (a)液压原理(b)压力流量特性 图1 恒压变量泵工作原理图 1 恒压变量泵电液控制系统 要实现恒压变量泵的自动调节,必须满足其输出 压力在模拟电信号控制下的无级变化输出。电液伺服 阀、电液比例阀和高速开关阀控制系统均能实现无级 调节输出控制。电液伺服阀是一种应用历史较长的高 精度控制阀,在电液伺服控制中,能达到很高的控制 精度,但工作环境要求苛刻,要求油液清洁度相当高, 其价格也很昂贵;电液比例阀是60年代发展起来的一 种电液控制阀,其控制精度能满足一般
4、比例控制要求, 价格较伺服阀便宜,但需要各种复杂的比例放大电路, 对油液清洁度也有较高要求;高速开关阀是近年来美 国、日本、德国等国研究开发出的一种新型电液控制 阀,它是通过脉冲宽度调制(PWM)信号(一般由计 算机或PWM放大器产生)来控制阀的开启和关闭时 间,即通过控制调制率 ( D =Ton/ Tc)的大小来实现 流量或压力的比例控制。它的控制方式较伺服阀、比 例阀简单得多,特别适合于计算机控制,是实现电液 数字控制的最佳方式之一。它的显著优点还有对油液 清洁度要求不苛刻、抗污能力强、响应速度快、结构 紧凑、工作可靠、重复性好、寿命长以及价格便宜等, 因此具有广阔的应用前景。本文把高速开
5、关阀应用于 恒压变量泵输出压力的控制系统中,泵的输出流量则 由其与负载的耦合特性决定。恒压变量泵的电液控制 系统原理如图2所示。 11 恒压变量泵 21 溢流阀 31 压力传感器 41 压力传感器 51 高速开关阀 61 油源 图2 泵的电液控制系统原理图 在上述系统中,以高速开关阀作为先导控制阀, 压力传感器3、4采样得到的压力信号通过数据采集卡 (带A/ D、I/ O)传输给计算机,计算机(单片机)经 过比较计算产生的PWM矩形调制波控制高速开关阀, 高速开关阀的产生的先导压力信号又直接作用于恒压 变量泵的调压变量机构,因此,可根据其输出先导压 力的不同来达到调节恒压变量泵的输出压力的目的
6、。 由于高速开关阀压力控制回路具有比例控制的功能, 通过简单的电液数字控制系统就能够实现对其压力的 比例控制,并且高速开关阀具有数模(D/ A)转换的 功能,因此,应用它作为接口元件,计算机就可以直 接控制恒压变量泵的输出压力,实现恒压变量泵输出 压力的无级变化调节以满足不同液压控制系统的工作 要求。 92机床与液压20011No12 本谭题获国家自然科学基金资助(批准号: 59875085) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2 高速开关阀控制的恒压变量泵系统数学模型 根据上述控制原
7、理,参看图1、图2和图3,可构 建阀控泵系统的力学模型,在这个模型中,高速开关 阀和经过改造后的调压缸构成一个半桥式液压控制系 统,高速开关阀的输出压力通过调压活塞作用于恒压 泵的调压变量机构,根据工作需要,无级调节恒压变 量泵的压力输出。为简化分析,作如下假设: 高速开关阀的供油压力ps为常量; 系统中小管道油液的非连续性影响忽略; 恒压泵输油的不连续只影响泵的高频压力脉动, 而不涉及恒压泵的瞬态响应过程; 流量扰动足够小,斜盘在约束边界以内运动。 阀控泵系统数学模型如下: (1)高速开关阀压力流量特性方程 q1=Ca1 2 ( p 1-pk) q2=Ca2 2 ( p k-p2) a1=
8、d1h0xi(1 +xi/(2h0) ) ( d 1/2) 2 + ( h 0+xi) 2 a2= d1h0 ( x m-xi) (1 + xm-x1 2h0 ) ( d 1/2) 2 + ( h 0+xm-xi) 2 h0=R20- ( d 1/2) 2 (2)调压腔流量连续性方程 q1-q2= VkdPk Edt (3)控制阀力平衡方程 由牛顿定律,可分别导出控制阀芯和调压活塞力 平衡方程式: m1 d2x dt2 +B1 dx dt +K1x=A1p m2 d2x dt2 +B2 dx dt -K1x= -A2pk (4)变量活塞运动学方程 y= Kq Ad x Kq= 0165d3 g
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