恒压变量泵系统的电液数字控制研究.pdf
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。 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= 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 gp (5)恒压变量泵输出流量方程 Q= 4 d22R1 zy L (6)恒压变量泵输出压力方程 Q-Qf-CLp= V E dp dt CL=Cs qTmax 2 0 以上各式中: q1, ( q2%) 阀从PA (A T) 的流量(m3/ s ) ; p1 ( p 2) 进(回)油管路压力(MPa ) ; pk 控制腔压力 (MPa ) ; C 阀的流量系数; 油液密度(kg/ m3 ) ; d1 阀孔座直径(m);a1 阀PA的开口面积 (m2 ) ; a2 阀AT的开口面积(m2 ) ; xi 阀芯位移 (m ) ; V k 控制腔体积 (m3 ) ; E 油液的体积弹性系 数(N/ m3 ) ; R 钢球半径(m ) ; m1 控制阀和弹簧 的当量质量(kg ) ; m2 调压活塞质量(kg ) ; K1 调 压弹簧刚度(N/ m) ; A1 控制阀受压端面积(m2 ) ; A2 调压活塞受压端面积(m2 ) ; x 控制阀开口量 (m) ; B1 控制阀粘性阻尼系数; B2 调压活塞粘性 阻尼系数;p 泵的输出压力(MPa);pk 控制腔压 力(高速开关阀的输出压力)(MPa ) ; y 变量缸活塞 位移(m ) ; Kq 滑阀的流量增益;d2 滑阀直径 (m ) ; g 重力加速度(m/ s2 ) ; d3 柱塞直径(m ) ; Ad 变量活塞大端面积(m2 ) ; Q 恒压变量泵输出流 量(m3/ s ) ; z 柱 塞 个 数;R1 柱 塞 分 布 圆 直 径 (m ) ; 泵的转速(rad/ s ) ; Qf 负载流量(m3/ s ) ; V 变量活塞压力腔及排油管容积(m3 ) ; L 销轴中 心至斜盘转动轴线的最短距离(m ) ; E 油液及敏感 腔总弹性系数(N/ m3 ) ; Cs 层流漏损系数;CL 变 量缸漏损系数;qTmax 泵的最大排量(m3/ r ) ; 0 油 液粘度(Pa1s)。 3 实验研究 本实验采用邵阳液压件厂生产的80PCY14 - 1B型 恒压变量泵,对其调压变量机构进行了简单的改造, 将其手动调压螺钉去掉,利用现有的调压螺纹接口, 设计一个带有调压活塞的螺纹接头与之联接,通过胶 管引入高速开关阀的控制压力油直接作用于调压活塞, 使作用于活塞上的液压力与调压弹簧力等价,从而满 足通过计算机控制高速开关阀进而直接控制恒压变量 泵输出压力之目的。经改造的恒压变量泵调压变量机 构如图3所示。 11 调压接头21 调压活塞31 调压弹簧41 调压阀体51 弹簧座 图3 改造后的泵的调压变量机构 实验中应用的高速开关阀是由贵州红林机械厂研 制的HSV - 3143C2型二位三通常闭式高速开关阀,其 ·03·机床与液压20011No12 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 主要性能参数如表1所示。 表1 高速开关阀技术性能参数表 指标性能参数单位 额定压力10MPa 额定流量29L/ min 内泄漏0L/ min 调制率20 %80 % 最高切换频率200Hz 最大功率1050W 额定功率315W 开启时间315ms 关闭时间215ms 重复精度0105ms 工作温度 (40 + 135 工作寿命1×109次 高速开关阀的输出压力计算公式为: pk= D2 D2+(1 - D) 2ps 式中, D为调制率,ps为控制油源压力。 基于此,可导出恒压变量泵的输出压力与高速开 关阀控制压力(或调制率)的对应关系,如表2所示。 表2 泵输出压力 ps(MPa) 高速开关阀控制压力 pk(MPa) 调制率 D 000 1421950150 1531320153 1631710156 1741100160 1841600164 注:表中参数是根据某实际液压系统的压力要求而导出的, 此系统控制油源ps为6MPa。 实验中,高速开关阀的控制口可交替地与供油口 和回油口相通,若要使控制压力升高,就让控制口与 供油口相通;反之,则让控制口与回油口相通。控制 口压力值通过压力传感器和数据采集卡(带A/ D、I/ O)反馈到计算机,计算机将反馈值与目标值比较后, 将相应的控制信号经放大器送到高速开关阀,根据程 序指令,产生PWM控制信号,使高速开关阀的控制口 与供油或回油口相通时间的长短不同,从而控制高速 开关阀的输出压力大小,同时,将此压力信号通过胶 管引入经改造后的恒压变量泵的调压变量机构,如图 2所示。这样,计算机就可以通过控制高速开关阀而 直接控制恒压变量泵的输出压力,实现恒压变量泵的 电液数字控制,满足液压系统的工作要求。采集记录 各不同控制指令(PWM调制率)下对应的高速开关阀 控制压力曲线和恒压变量泵输出压力曲线如图4所示。 图4 阀控恒压变量泵系统实验曲线 根据实验研究可知,高速开关阀在PWM控制信号 作用下具有数模(D/ A)转换的功能,可直接进行数 字控制,因而在高速开关阀控制的恒压变量泵电液控 制系统中,计算机可直接控制恒压变量泵的输出压力, 不同的调制率对应不同的输出压力,从实验曲线可以 看出:恒压变量泵的输出压力较好的跟踪了控制压力, 其压力稳定时间不超过014秒。实验结果表明,本研 究所设计的恒压变量泵电液控制系统,能够通过计算 机实现泵的输出工作参数快速、精确的无级调节。 4 结论 恒压变量泵是一种高效、节能、大功率的液压动 力源,它广泛应用于工程机械、机床工业、航空航天 工业等液压系统领域。本文提出了一种恒压变量泵系 统的电液数字控制理论和方法,通过引入高速开关阀 (一种数字阀 ) , 运用脉冲宽度调制(PWM)技术,实 现了对恒压变量泵输出工作参数的无级调节,这对于 提高液压控制系统的性能、降低系统成本、便于实现 电液数字控制具有重要意义。 参考文献 【1】路甬祥· 电液比例控制技术· 北京:机械工业出版社, 1988111 【2】苗建中· 螺纹插装式高速开关阀· 液压与气动, 1993 (6) : 2930 【3】赵怀文· 液压与气动· 北京:石油工业出版社, 198815 【4】刘 忠· 基于高速开关阀的多档液压冲击器工作参数的计 算机调节研究· 中南工业大学硕士学位论文, 1998. 7 作者简介:刘 忠· 博士研究生· 主要研究方向:电液控制技 术、液压冲击机械理论与控制 收稿时间: 2000 - 04 - 30 ·13·机床与液压20011No12 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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