机械电子工程硕士论文-电液比例控制泵及其应用技术研究.pdf

同济大学 硕士学位论文 电液比例控制泵及其应用技术研究 姓名：刘建民 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：关景泰 20050201 摘要 摘要 现代液压技术的发展方向，主要体现为液压技术、电子技术及计算机技术 之间的相互结合，它旨在节约能源和提高液压系统自动化的程度。随着计算机 控制技术的发展，数字控制变量泵在工程机械上的应用将会越来越多。为了适 应这一需要，本课题对电液比例控制变量泵进行了深入研究。全文共分为以下 几个方面： 1 较详细分析了常用变量泵的控制方式，着重介绍了电液比例控制系统的 基本原理，分析并提出了本文所采用的电液比例系统控制方案； 2 在大量收集国内外文献的基础上，选用了新型结构的变量泵本体、电液 比例压力阀以及压力传感器等，根据系统控制方案，对泵体进行了合理改造， 设计了相应的电液比例控制液压系统； 3 根据系统控制要求，设计了相应的硬件控制器，并根据要求针对硬件开 发了相应的系统控制软件： 4 设计并搭建了液压试验台，分析试验目的，明确试验内容，对电液比例 控制系统进行了全面的试验。主要包括变量泵本体特性、电液比例阀的p i 特 性、控制系统的调压特性以及变量泵的恒功率输出特性等。 试验表明，本论文所设计的电液比例控制系统稳定性好、响应速度快、重 复性高，达到了预期设计要求，对今后的数字控制变量泵的研究和产品的产业 化具有很好的参考价值。 关键词：变量泵控制方式，电液比例控制，硬件控制器，p i d 调节，可控性， 调压特性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mh y d r a u l i c t e c h n o l o g yg r e a t l y s h o w si nt h e c o m b i n a t i o no fh y d r a u f i ct e c h n o l o g y 、t h ee l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y i t a i m st oe n e r g y s a v i n ga n di m p r o v i n gt h ea u t o m a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m w i t ht h e p r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ea d v a n c e de l e c t r o n i cc o n t r o l l i n g v a r i a b l ep u m pw i l lb er e q u i r e d 。f o rt h i s r e a s o n ，o n ek i n do fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gp u m p i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rc o n s i s t so ft h e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h i s p a p e r d i s c u s s e s c o n t r o l l i n g m o d e lo fv a r i a b l e p u m p i n d e t a i l ， e m p h a s i z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l i n gs y s t e m a n dp u tf o r w a r dc o n t r o l l i n gs c h e m e 2 a f t e r c o l l e c t i n g m u c hm a t e r i a l s ，t h i s p a p e r s e l e c t so n ek i n do fd e w c o n s t r u c t i o nv a r i a b l ep u m p ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v e ，p r e s s u r e s e n s o r sa n ds oo n a n dt h i sp a p e rd o e ss o m ec h a n g e st ot h en o u m e n o no fv a r i a b l e p u m p a n dd e s i g n sa p p r o p r i a t eh y d r a u l i cs y s t e m 3 t h i sp a p e r d e v e l o p sa p p r o p r i a t eh a r d w a r e c o n t r o l l e ra n d c o n t r o l l i n gs o f t w a r e o ft h ec o n t r o l l i n g s y s t e m 4 t h i sp a p e rd e s i g n sa n db u i l d sh y d r a u l i ct e s t - b e d a n dt h i sp a p e ra n a l y s e s e x p e r i m e n ti n t e n t i o n ，d e s i g n a t e se x p e r i m e n tp r o j e c t a n dd o e saf u l l - s c a l e e x p e r i m e n t i th a sb e e np r o v e di n e x p e r i m e n t s t h a tt h e c o n t r o l l i n gs y s t e m h a sag o o d s t a b i l i t y , q u i c kr e s p o n s ea n dh i 曲r e p e t i t i o n i th a sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r t h es t u d y i n go fe l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gv a r i a b l ep u m pa n dp r o d u c ti n d u s t r i a l i z a t i o n k e yw o r d s ：c o n t r o l l i n g m o d e lo fv a r i a b l ep u m p ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l l i n g ，h a r d w a r ec o n t r o l l e r , p i da d j u s t m e n t , c o n t r o l l a b i l i t y , p r e s s u r e - a d j u s t m e n t c h a r a c t e r i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交 论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全 部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：宝【1 ；| j 气 工州降3 只| b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：主、舰签名：乒1 关歇 川阵；月1 2 1 日 第一章概述 第一章概述 1 1 课题来源及意义 随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国民经济建设 中发挥着越来越重要的作用。在大型施工现场，没有工程机械的参与是很难想 象的。由于液压传动具有功率密度高、易于冷却散热、动作实现容易等突出优 点，因而在工程机械中也得到了广泛的应用。据统计，目前9 5 以上的工程机 械都采用了液压技术，工程机械液压产品在整个液压亡业销售总额中占4 0 以 上，现在采用液压技术的程度己成为衡量一个国家工业水平的重要指标1 1 】。 微机及数控技术在国民经济各部门应用日益广泛，液压和电子技术的结合 己成为必然趋势，而且机器工作精度、响应速度和自动化程度的提高对液压系 统也提出了更高的要求【”。同时，能源缺乏也使得能源的合理利用变得更加重 要。开展流体传动节能技术的研究符合工业现代化进程的需要，并能从节能技 术的改造中获得巨大的经济效益。从这个意义上讲，数字元件是控制技术的产 物。在对数字元件的研究工作中，通过液压与电子技术的有机结合，达到精密 控制、自动化、节能这样三个目的，使液压技术与电子技术的优点得以相互补 充。 本课题源于企业委托的新产品开发项目，集中研究斜盘式轴向柱塞泵电液 比例控制，以实现一种或几种典型的输出特性，以满足诸如工程机械的工况特 性要求。 电液比例控制技术是一种将微小的电信号按比例转换为大的液压功率输出 的电液转换技术。将电液比例技术与高性能的变量泵相结合组成电液比例控制 泵，具有响应快、功率比大、抗干扰能力强、可靠性好、控制灵活、低速平稳 性好、自动化控制程度高等显著特点。因此在大惯量、要求快速响应、实现自 动控制的机床、冶金、矿山、石化、船舶、军工、建筑、起重运输等主机产品 中，有广阔应用前景。 第一章概述 1 2 液压泵常见形式及分类 随着液压技术的不断发展，液压泵的形式和种类日益增多，从运动构件的 形式和运动方式来看，当前主要有如下几种：齿轮式、叶片式、螺杆式和柱塞 式等【3 1 。 齿轮泵由一对相互啮合的齿轮、壳体以及前、后盖等主要零件组成，它利 用齿轮的啮合过程形成一定的吸油和排油功能。叶片泵主要由定子、转子、叶 片及壳体、端盖等组成，定子与转子之间有一定的偏心距，在转子旋转一圈的 过程中，叶片与定子之间形成的封闭区域就发生改变，产生吸油及排油现象。 因为它们难以实现变量功能，因此在对变量泵的控制研究中基本不用此类泵。 柱塞泵利用柱塞在缸体旋转时产生的伸缩过程来实现油泵的吸油和排油， 它易于实现元件的集合，在液压系统中用于实现各种控制技能的油泵主要是柱 塞泵。它又可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种类型。 轴向柱塞泵是指柱塞在油缸体内轴向排列并沿圆周均匀分布，柱塞轴线平 行油缸体旋转轴线。它主要由缸体、固定的配流盘、柱塞、滑靴、斜盘、传动 轴、弹簧和回程盘等零件组成。它靠工作容积变化而进行工作的，由柱塞和缸 体间形成工作腔，每一个工作腔的工作容积随着缸体的转动可交替变化，以实 现吸油和排油过程，吸油与排油之间的转换称为配流。它具有结构紧凑、单位 功率体积小、重量轻、工作压力高、容易实现变量等优点：缺点是对油液污染 敏感、滤油精度要求高、对材质和加工精度得要求亦比较高、使用和维修得要 求比较严，价格昂贵。这类泵多用于农林机械、起重运输设备，工程机械、船 舶甲板机械、冶金设备、火炮和空间技术中。 1 - - 传动辅2 - - 壳体3 一斜盘；一拄窑5 - - 缸体6 一配漉盘 2 第一章概述 图1 1 轴向柱塞泵示意图 径向柱塞泵是柱塞在缸体内成径向分布的一种泵。它主要由柱塞、缸体、 定子、转子和配油轴等组成。缸体与定子之间有一定的偏心距e ，其排量由e 来决定，当缸体转动时，由柱塞形成的密封腔容积由于存在偏心的原因就会发 生变化，形成吸油和排油现象。一般来讲，径向柱塞泵以工作压力高、抗冲击、 寿命长、控制精度高、噪声低等优点， 用厂家的青睐。它被广泛应用于冶金、 设备中。 引起国内外液压泵生产厂家的重视和使 矿山、锻压、注塑、船舶、重型等机械 椎：0 巧i j ：，瓢摊： 一蚺曩：一昕却圳：q 一桦训叮 圜，一 臂雾： 图1 2 径向柱塞泵工作原理 1 3 电液比例控制技术的研究现状 2 0 世纪4 0 5 0 年代是工程界液压技术发展的初期阶段，此阶段人们摸索 着将简单的液压元件和液压系统应用到工程机械上来解决其他方式比较难以实 现的问题；在2 0 世纪6 0 年代进入了高速发展时期，这一时期的主要特点是高 速、高压化；在2 0 世纪7 0 年代初、中期，工程机械液压技术研究主要围绕着 降低液压系统及整机的工作噪声；7 0 年代后期主要研究如何降低系统污染，提 高可靠性问题；2 0 世纪9 0 年代，计算机技术得到了长足的发展，使现代控制 理论在液压系统的应用成为可能，促进液压技术的迅速发展，单片机控制的变 量泵，大大提高了液压系统的效率。真正的电液比例控制技术是在这一时期形 成的，它是建立在电液伺服技术的基础上经过简化而发展起来的1 4 j 。 第一章概述 电液比例控制技术是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到五 十年，然而凭借它的优点却形成了流体传动与控制的一个重要分支，并成为现 代控制工程的基本技术之一。广义上说，电液伺服控制也是一种电液比例控制 技术，由于伺服阀的快速响应及高的控制精度，以其明显的技术优势，迅速在 高精度、快速响应的领域中取代了传统的机电控制方式。 国外电液伺服技术的研究始于本世纪四十年代，到七十年代投入了广泛的 工业应用，至今已形成完整的产品品种、规格系列。但人们很快发现，由于电 液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失较大，使伺服技 术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业应用场合，要求有一般的高质 量的控制手段，却不要求太高的控制精度或响应特性，现代工业的迅猛发展， 要求发展一种廉价、节能、维修方便、适应大功率及具有一定控制精度的电液 比例控制技术。电液比例技术是在电液伺服技术的基础上，针对用户需要，降 低控制特性，对液压伺服阀进行简化而发展起来的。尔后，比例电磁铁技术的 发展，又在三类阀基础上发展液压比例阀。由电液伺服比例元件为主而组成的 电液伺服比例控制系统，具有响应快、功率比( 功率与重量比) 大、自动化控 制程度高等显著特点。国际液压界一些著名公司，如美国的派克尼汾公司 ( p a r k e rh a n n i f i n ) 、德国的力士乐( r e x r o t h ) 和博世公司( b o s c h ) 等居世界 领先地位，其产品主要特点体现在体积小、压力高、效率高、调节方便等。 在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制 器和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，己综 合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代 工业发展立玉的重要标志，是液压工工业又一个新的技术热点和增长点。在我 国同样有一大批主机产品的发展，需要应用该项技术，因此，将其列为促进我 国液压工业发展的关键技术之一。 国外近年来，电液伺服比例技术的发展，较集中地反映在其相关的主要基 础元件的改进和发展上，主要包括如下忙j ： ( 1 ) 电液伺服阀向着简化结构、降低制造成本、提高抗污染能力和高可靠 性方向发展，研究开发了大功率永磁直线力马达，形成了新型的直接驱动式伺 服阀产品系列： ( 2 ) 电液比例阀向通用化、模块化、组合化、集成化方向发展，以实现规 模经济生产，降低制造成本： 4 第一章概述 ( 3 ) 电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达 到高可靠性目的。 ( 4 ) 电流伺服比例技术的这些主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，另部 件通用化程度不断提高。 国内有关电液伺服技术的研究始于六十年代，到七十年代中期电液比例技 术开始有所发展，现有几十种品种、规格的产品。总的来看，我国电液伺服比 例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品 型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低， 质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术 进一步地扩大应用，急待尽快提高。 1 4 电液e 匕例控制泵研究的意义 传统的变量泵的控制方式主要为液压加机械控制，常见的有多档恒压控制 等，这种控制方式精度不高、响应速度不够快。它虽然没有溢流损失，但是具 有较高的压力损失，这对于要求机动灵活性高的行走机械，在调速非常频繁时， 由于调速阀在进行调速时的节流作用，使得系统由于节流调速的作用具有很高 的压力损失。 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展，是微电子技术与液压技术间 的接口。目前在国外，电液比例控制技术已经比较成熟，但在国内的应用、尤 其在工程机械上的开发应用才刚起步，其应用前景十分可观。如果直接采用国 外的产品，一方面国外产品价格昂贵，势必大大增加了产品的成本，另一方面， 工程机械品种多，批量小，各国的工程机械的工况也大不相同，如果直接引进 国外产品，可能不能很好的满足我国工程机械的要求。为了推进我国工程机械 中电液比例控制技术的发展与应用，对此课题进行了深入研究，这既是新产品 开发的需求，同时也是技术发展的需求。 1 5 本论文研究的内容 本论文参阅大量国内外资料，设计了一种新型的由单片机控制、异步电动 机驱动的电液比例变量轴向柱塞泵系统，所研究的变量控制系统主要由三大部 分组成： 第一章概述 控制器。它主要是由单片机m s p 4 3 0 所构成的硬件电路，用来实现对系 统数据的采集、处理，并经过计算分析给电液比例压力阀发出一定的控制信号； 泵体。油泵选用由异步电动机驱动的轴向柱塞泵，并能通过传感机构 把泵的排量信号传送给控制器，同时泵体本身集成有变量伺服机构。 模拟负载。在泵的主油路中通过可调节流孔来模拟系统的负载情况， 同时设有一个手动换向阀。 本论文主要研究内容如下 1 电液比例泵控制方案的确定： 根据工程机械的工况要求，明确电液比例泵的输出特性要求，在此基础上， 对系统的控制方式进行多方面的比较研究，并从产品的成本、可靠性等角度出 发，最终确定系统的控制方案。 2 新型变量泵的结构分析及设计改造： 对工程机械中变量泵的工作特性要求进行了总体分析，在此基础上较全面 的收集了国内外变量泵有关资料，选用适合于电液比例控制的高性能泵作为本 体，对其进行较详细的结构、功能分析。并根据控制系统的要求，对其进行合 理的改造，进行了控制阀的设计以及电液比例泵的变量传感结构的设计，对液 压系统油路进行设计、安装，以及对整机进行调试。 3 控制器的硬件电路设计，系统软件设计： 选择了合适的传感器、电磁比例阀等，根据这些器件的特性参数，设计相 关的硬件电路，并根据相应的硬件，确定控制算法，编写系统控制软件。 4 对电液比例泵进行试验，分析控制系统的静、动态特性： 首先确定试验目的，并由此提出试验方案。设计并搭建试验台；按照试验 方案进行相关实验；对试验数据进行分析处理。 第二章变量泵控制方式的研究 第二章变量泵控制方式的研究 2 1 常用变量泵控制方式分析 液压传动具有运动平稳、控制精确等特点，精确的调节流量可保证定位精 度又能很好地控制运动速度，液体的不可压缩性使这种定位精度不随负载变化。 正由于液压系统的这种优点，使其在工程机械上的应用日益频繁。 同时在液压系统的应用中也注意到，如果使用定量泵实现位置和速度控制 时，只有部分流量供给负载，其余的流量需要旁通至油箱；如果使用变量泵时， 能量消耗少，所以正确地使用和调节泵的流量，可使其只提供满足负载运动速 度需要的流量。 工程机械车辆行走工况复杂，有时轻载高速行驶，有时重载低速行驶，有 时需要爬坡等，对应各种不同的工况，就要求泵具有相对应的输出特性，所以 随着液压技术在工程领域的渗入，对变量液压泵的研究也越来越受到人们的重 视。 对工程机械来讲，变量泵控制中通常用到的控制方式有：恒压控制，恒流 量控制，恒功率控制，流量限制控制以及多种控制方式的组合等等，实际系统 中还需要泵根据实际工况在各控制方式之间进行切换，从而使系统性能最佳。 根据公式川，掣，在液压装置中，输出功率与压力p 和流量q 的乘积成正 比，一个优良的液压系统要求对泵的输出功率具有良好的使用效率，避免不必 要的压降和压力一流量损失。下面从变量泵的变量控制方式着手，介绍几种常 见类型，并分析它们的功率损失情况【。 2 1 1 恒压控制 该控制方式不管负载实际的需求，泵将保持在最大压力工作。当换向阀换 向具有节流作用时，泵将变量至图中b 点运行；当负载压力低于最大压力时， 泵和负载之间的压差转换为阀的压力降，该压降乘以负载的流量就是图中右下 侧面积所表示的功率损失。当负载所需流量增加而压力又降低时，功率损失将 相当大。 第二章变量泵控制方式的研究 该控制方式不管负载实际的需要情况，泵将保持在最大压力工作。当换向 阀换向具有节流作用时，泵将变量泵至图中b 点运行；当负载的压力低于最大 压力时，泵和负载之间的压差转换为阀的压力降，该压降乘以负载的流量就是 图中右下侧面积所表示的功率损失。当负载所需流量增加而压力又降低时，功 率损失将相当大。 q 最大流量 2 12 恒流量控制 压力最大压力p 图2 1 定量泵及恒压泵的压力一流量图 系统在部分流量时，常常希望保持负载有较恒定的运动速度。如果换向阀 被固定在一定的开口位置，且负载不变，运动速度就不会变化。然而，如采负 载变化，而不重新调整换向阀的开口量，则不论定量泵还是恒压泵系统都不能 保持负载速度恒定。在这两种系统中，如果负载压力增加，而阀的开口不变， 负载速度就会降低。在中位常开式换向阀的定量泵系统中，如果提高压力，会 使更多的流量流回油箱，只有较少的流量送给负载；在中位常闭式换向阀的恒 压泵系统中，负载压力增加，通过换向阀的压力将减小，流向负载的流量减少。 2 1 3 负载敏感控制 在上述几种控制方式中，当泵在部分流量下运动时，系统产生很大的功率 损失，这可使用负载敏感变量泵加以避免。采用负载敏感控制的系统，将负载 所需的实际压力反馈给泵的变量机构，而后，泵自动保持比负载压力高5 l o b a r 第二章变量泵控制方式的研究 的压力，这一压差( 可调节) 足以维持负载流量通过阀产生的压力损失。 其压力一流量图如下，变量泵将其流量调节到换向阀所确定的流量，将其 压力调节到比负载压力高出一个预定压差。泵的流量和该压差的乘积即为所示 的功率损失m 。 流量 压力p 图2 2 负载敏感控制压力一流量图 在压力一流量图范围内，负载敏感泵将自动调节泵的压力和流量以满足负 载功率的需要。负载敏感控制器通常与限压控制器配合使用，当系统达到最大 压力后，变量活塞行程控制机构就起主导作用，减小泵的行程。 2 1 4 恒功率控制 恒功率控制具有在恒功率曲线上所有点工作的能力，在这种控制装置中， 泵的排量随压力的增加而减小，以防止泵以及原动机超过所需要的最大功率。 在小负载时，流量增大而使机器快速循环；当要求泵保持推动最大负载的能力 时，就必须有与使用功率相匹配的另一工作速度。在这类泵中，还必须具有限 压控制器。 恒功率特性曲线如图2 3 ，a 点表示需要的最大流量，b 点表示在功率范围 内最大流量下可能达到的最大压力；c 点代表了负载所需要的最高压力，d 点表 示负载在最高压力时所能达到的最大流量。所以对应某一功率下的恒功率控制 可分为三段：流量限制段、压力限制段和功率限制段。 第二章变量泵控制方式的研究 图2 3 恒功率控制压力一流量图 大多数恒功率控制泵系统采用中位常闭式阎，但有时也采用中位常开式阀。 当系统沿最大功率蓝线工作时，两种系统并无本质区别，每种系统都可以达到 最大功率曲线上的同一点，并将最大功率输出给负载，需要扣除的只是阀和管 路的损失。 在部分负载工作时，上述两种系统也不存在实质上的区别。如图2 4 ，中 位常闭系统中，泵在最大压力点a 运转，随着换向阀阀芯的移动，泵的工况点 沿着最大压力和最大功率曲线向上、向左移动，直到达到要求的流量点b 为止。 b 点和负载点的压力差为换向阀至负载的压降，图上表示了其功率损失。在中 位常开系统中，泵初始是在全流量和最低压力点c 工作，随着中位常开换向阀 阀芯的移动，压力升高，泵沿最大流量和最大功率曲线向右、向下移到d 点。 泵的多余流量以负载压力通过部分移位的中位常开阀排回邮箱，功率损失如图。 虽然两个矩形形状不同，但其面积相等，表明二者在系统功率损失上没有差别。 q 最大流量 图2 4 部分负载下的恒功率控制压力一流量图 1 0 第二章变量泵控制方式的研究 但是，当反复出现低速重载时，就会产生完全不同的情况。在中位常闭系 统中，泵工作在其压力补偿极限点e 上，且比最大功率低的多。尽管负载低于 最大值，通过换向阀会有压降，但功率损失不大。反之，在中位常开式系统中， 泵在最大功率曲线f 点工作，损失却是相当大的。 图2 5 部分负载下的恒功率控制压力一流量图 2 2 电液比例系统的基本原理 通过上述对各种变量泵的工作原理的分析可知，当前工程机械液压系统围 绕着如何更好地实现节能效果、提高系统的效率进行了广泛而深入的研究，至 今它仍然是行业内的一大难题。 二十世纪末期，随着电子技术的不断发展和计算机技术的逐渐成熟，人们 将单片机和数字控制技术引入变量泵的控制，实现了变量泵的数字化控制，从 而改善变量泵的输出特性，提高变量泵的性能，其中比较常见的有普通的流量 数字电子控制、与电流成比例的流量数字电子控制以及数字电子综合量控制。 电液比例控制通过一定的变量控制方式，实现与负载相适应的按需输出， 能够完全消除流量过剩，因而具有很好的节能效果。 2 2 1 电液比例系统的组成 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但都可归纳为由功 能相同的基本单元组成的系统。如图2 6 所示，组成电液比例控制系统的基本 元件有【8 】【9 l ： 1 1 第二章变量泵控制方式的研究 ( 1 ) 指令元件 它是给定控制信号的产生与输入的元件，也可称为输入电路。在有反馈信 号存在的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。指令信号 可以手动设定或程序设定，最常见的是手动预置设定，运行时用程序选通。 ( 2 ) 比较元件 它的作用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的 输入。进行比较的信号必须是同类型的，比例控制器的输入量为电学量，因此 反馈量也应该转换成同类型的电学量。如遇到不同类型的量作比较，在比较前 要进行信号类型转换。 ( 3 ) 电控器 电控器通常被称作比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电 流较大( o 1 0 0 0 m a ) 而偏差控制电流较小，不足以推动电磁铁工作，所以要对 控制信号进行功率放大。电控器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大， 使达到电一机械转换装置的控制要求。 i 、一一一- 1 l 一一一一_ 蛔一一j |i 。i 一一葛：二二二二一j 图2 6 电液比例系统组成 量 ( 4 ) 比例阀 比例阀把经过放大后的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移。这个 输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的电气 控制信号放大到足以驱动系统负载，这是整个系统的功率放大部分。 ( 5 ) 液压执行器 通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。 ( 6 ) 检测反馈元件 对于闭环控制系统需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实 际值，得出系统的反馈信号。从图中可以看出，检测元件有内环和外环之分。 内环检测元件通常包含在比例阀内，用于改善比例阀的动、静态特性。外环检 第二章变量泵控制方式的研究 测元件直接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制精度。 2 2 2 电液比例控制的特点及应用 电液比例控制系统的性能及其较高的自动化程度，使它在很多的工业项目 中广泛应用。它的最主要优点体现在以下几个方面【4 j ： ( 1 )明显简化液压系统，实现复杂程序的控制； ( 2 ) 操作简单方便，降低费用，提高可靠性。 ( 3 ) 利用电信号便于实现远距离控制或遥控。 ( 4 ) 工作平稳，控制精度较高。 ( 5 ) 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力 的连续控制，并易实现无级调速。 ( 6 ) 节约能量的效果较佳。 2 3 论文电液比例控制泵控制方式的研究 实验利用变量泵及电液比例压力阀构成一个电液比例控制系统，对变量泵 的输出特性进行电液比例控制，以符合实际工况的工作要求。电液比例控制能 实现各种各样的控制方式，本文从实际工况的常见要求出发，并考虑到控制系 统的典型性，主要对变量泵的恒功率输出特性进行试验与分析。具体表现为泵 能够按照设定的功率值进行输出，能在不同的工况之间以及不同的恒功率曲线 上迅速地切换。 由于系统功率跟流量与压力的乘积有关，因此控制液压系统的功率，通常 有两种形式：压力反馈调整流量的恒功率控制方式和流量反馈调整压力的恒功 率控制方式，现介绍如下【1 0 】i n 】： 第二章变量泵控制方式的研究 2 3 1 压力反馈调整流量的恒功率控制方式 图2 7 压力反馈调整流量的恒功率控制图 在这种控制方式中，由压力传感器检测到变量泵的输出压力，并把此信号 转换成电信号送给控制器处理，然后控制器根据所要求的功率并通过一定的控 制算法，计算出当前的理论流量，改变执行机构状态，使系统实际输出流量尽 量符合理论要求的流量值，其中流量反馈构成一个控制小闭环，而压力反馈可 看作控制大闭环。 2 3 2 流量反馈调整压力的，匡功率控制方式 图2 8 流量反馈调整压力的恒功率控制图 此控制方式中，由角位移传感器检测变量泵的斜盘倾角，并把此转换成电 信号送给控制器处理，得出此时泵的输出流量，然后根据功率要求，计算出泵 口的理论输出压力p 0 ，并由此改变执行元件的运动，使泵的实际压力尽量与理 论压力相符合，其中压力反馈构成一个控n 4 “ 闭环，而流量反馈则为系统大闭 环。 两种控制方式原理基本相同，其中第二种控制方式更为常用些，且综合考 1 4 第二章变量泵控制方式的研究 虑到试验中选用的变量泵本体，采用流量反馈调整压力的控制方式油路更为简 单，因此搭建试验系统还需要选择合适的电液比例压力阀，因为当比例压力阀 线圈电流一定时，比例阀前的设定压力与电流有一一对应的关系，但是泵的输 出流量并不是与它具有一一对应的关系，即比例压力阀的设定电流对泵的输出 流量不具有直接的调节作用。因此试验系统中通过检测泵的输出流量来获得系 统的理论输出压力，根据理论压力值来调节比例压力阀的线圈电流，压力控制 方式思路清晰，有利于对系统的理解，同时也有利于控制软件的编写。 233 论文电液比例控制系统总体构思 图2 8 电液比例控制系统图 本系统以变量泵的出口压力作为受控对象，根据定的功率要求由系统自 动调节变量泵的排量，以使泵口的压力达到设定值。因为变量泵的排量与斜盘 的摆角有一一对应的关系，因此在控制过程中，系统实际上是根据斜盘的角位 移量来获得当前的流量信息，并据此来调节比例阀的线圈电流，来直接控制变 量泵的出口压力。 电液比例控制系统总体构思见图2 8 ：一方面采用人机界面模拟司机根据 具体工况送给控制器的控制信号( 实验系统中用四个按钮来模拟，使泵获得不 同的功率限制指令) ，另一方面系统通过角位移传感器检测斜盘的摆角信号，并 反馈给控制器，在控制器中对这两个信号进行处理后，发出一定的p w m 指令用 来控制比例电磁阀，进而操纵变量机构动作，使泵的输出特性作出相应改变。 根据前述电液比例系统的基本知识，要构建一个电液比例系统，除了选择 合适的电液比例压力阀外，还必须搭配有相应的其它设备。 第二章变量泵控制方式的研究 构建电液比例控制系统的任务之一是如何构建一个液压控制系统，使变量 系统能按照上述控制构思正常工作。构建液压系统首先要解决电液比例阀与变 量泵的连接问题；其次，试验中要能对泵的流量进行检测反馈，就必须对泵体 进行适当的改造，使泵的排量信息能够及时、准确地传递给控制器：最后，要 构成实验系统当然还包括模拟负载的设计、压力传感器的选型及管路的连接等。 这些内容将在下一节说明。 构建电液比例控制系统的另一大任务是设计电子控制器，它涉及硬件设计 及软件设计两个方面，这部分内容将在单片机控制系统及控制软件章节介绍。 2 4 本章小结 ( i ) 介绍了常用变量泵的控制方式，并从功率损耗的角度进行了简单的分析； ( 2 ) 介绍了电液比例控制系统的组成、特点及其应用； ( 3 ) 比较并分折了本论文所采用的控制方式，提出了本论文电液比例控制系 统的总体构思； 第三章电液比例控制液压系统 第三章电液比例控制液压系统 3 ，1 总体设计方案 电液比例系统中几个重要的组成元件包括：变量泵、电液比例阀、伺服阀 及模拟负载等，本章首先分析本论文采用的液压系统总体方案。 从大量资料来看，在采用电液伺服阀控制的排量控制方案中，变量机构控 制供油方式有两种：主泵供油的内供油方式与辅助油泵供油的外供油方式。 a ) 外供酒方式b 良鼹溜方式 图3 1 变量机构控制供油方式 外供油方式有以下优点：可采用小流量、低压的辅助油泵为变量伺服阀供 油，系统油路变得简单；有稳定的外部油源，使得系统流量信号线性、可重复 行等有大幅改善，抵抗负载干扰的能力增强。它的缺点是需要外加的辅助油源， 使得体积增大。 内供油方式优点是：没有外加油源，系统结构非常紧凑，这同时增加了系 统油路的复杂性：因为利用系统本身的压力对斜盘角度进行控制，所以对泵可 实现较复杂的控制方式，但在输出压力低的情况下，电液伺服阀不能正常工作， 操作斜盘的力就不足，容易造成控制失灵。 由于工程机械工况变化复杂，对变量泵的输出特性也提出了较复杂的要求， 1 7 第三章电液比例控制液压系统 在大量查阅国p q # i - 有关文献基础上，并结合以往的实验经验，最终论文选用了 内供油控制方式。 3 2 泵的选型及改造 本论文通过选用一定型号的变量泵，并在对泵体进行合理改造的基础上， 构成试验所需求的控制系统。因此控制系统的许多特性，如稳定性、响应时间 等，都与变量泵本体有着密切的联系，同时液压油路的设计也随着变量泵本身 的特性而相应改变。所以选用合适的变量泵是整个试验的第一步。在对国内外 产品进行了分析对比，对其中的结构进行归类总结，最后论文选用的是 s a u e r d a n f 的4 5 系列开式回路泵，现介绍如下【1 2 1 。 3 11s a u e r d a n f o s s4 5 系列轴向柱塞泵的特点 萨澳一丹佛斯4 5 系列开式回路泵结构紧凑，功率密度高，采用了轴向柱塞 泵与可倾斜斜盘设计来改变泵的排量，其液控柱塞可以控制排量调节柱塞，当 达到设定压力对压力补偿阀可以将斜盘角度从最大位置改变到最小位置，也可 以实现远程压力补偿控制和负荷传感控制。同时该泵具有排量限制器，可用来 调节最大流量，满足系统要求。4 5 系列泵的控制具有低滞回、快响应的特点。 表3 14 5 系列泵特性指标 f r a m es l z e d i m e n t ；l o r t 0 5 70 7 4 d i s p l a c e m e n tc i t j 3 9 n 刁5 7 3 4 8 j7 4 f 45 2 m i n i m u m m i n 。( r 。m )5 0 05 0 0 i n p u ts p e e d r a t e d r a i n ( r p m ) 2 6 0 02 4 0 0 m a x i m u m n l i n - 1 ( r p m 3 2 0 0 2 8 0 0 “ m a x i m u m p e a k lw o r k i n gp r e s s u r e b a rf p s = 】 3 5 0 【5 0 7 5 13 5 0 【5 0 7 5 l c o n t i n u o u sw o r k i n gp r e s s u r eb a r p s i j2 8 0 f 4 0 6 0 l2 8 0 【4 0 6 0 l l t m i n1 4 8 21 了7 6 f l o wa tr a t e ds p e e d 【u sg a l m i n 】 3 95 l【4 74 】 t h e o r e t i c a li n p u t t o r q u en m y b a ro ，9 0 7 11 7 b a tm a x i m u md # s p i a c e m s n t i b fi n | f 0 0 0 目f 5 s 4 ip 2 0 l m a o sm o m e n to ff n e r t i ao ft h ei n t e r r l a i k g m 20 0 0 4 30 0 0 6 3 r o t a t i n gp a r t sf i b f 州【0 1 0 1 4 1 【0 1 5 0 0 】 a x ! mp o r t e du n i t s k g 】2 4 f s 3 2 9 6 3 】 w e i g h t r a d i a ip o r t e du n i t s k gd b l2 7 6 0 13 6 8 0 】 第三章电液比例控制液压系统 4 5 系列开式回路泵可以在系统中与其他产品一起应用，传递和控制液压动 力，它可以提供从零到最大范围内的连续调节流量。 商性能：泵的速度可达到3 6 0 0 r p m ，持续压力达到3 1 m p a ，适合于工程机 械高压要求，整体效率高，响应快速，恢复时间短，且噪音很低。 可靠性：此系列柱塞泵按照严格标准设计，使用寿命长，部件更少，输入 轴承可以承受更大的主轴外负载。 31 2 变量柱塞泵工作原理 泵的本体是一种压力补偿控制泵，该系列变量柱塞泵工作原理如下【l 3 】： 整个系统通过作用于液压缸左右腔的油液压力来推动斜盘的转角发生变 化，从而改变泵的输出流量。其中液压缸的小腔( 横截面图中偏置活塞端面) 始终连接着泵的出口压力，而液压缸的大腔经过伺服阀连接到泵的出口压力。 当变量机构节流孔中无油液流过时，变量机构两端压差为零，变量机构在弹簧 力作用下工作于右位，液压缸大腔接通油箱，液压缸在弹簧推力作用下，运动 到最右端，变量泵的排量达到最大值；当变量机构中有油液流过时，伺服机构 两端产生一定压差，其对阀芯的作用力与弹簧力相比要大得多，伺服机构工作 于左位，液压缸大腔接通泵出口压力，液压缸在两端高压情况下向左运动，泵 的排量减小，泵输出流量降低，泵口压力也随着下降，当泵口压力降低到一定 程度时，不足以推动伺服机构运动，可能伺服机构又处于右位工作，泵的排量 又要增大，如此反复，最后泵的排量处于一定的动态稳定状态，或者是当泵排 量稳定时，伺服机构处于工作死区。 由上述分析可知，变量泵变量与否取决于泵口压力与比例阀的设定压力值， 当此压力差超过一定值时，泵的排量发生改变。因此，调节电液比例压力阀线 圈电流，即通过调节比例阀的设定压力，可以对泵的输出特性达到一定的控制 目的。 电机启动时，外负载为零，变量机构在调节弹簧的作用下工作子右位，变 量机构大腔通油箱，且在液压缸弹簧作用下，此时泵的排量最大：当外负载逐 渐增大到一定值时，如果此时泵的所有流量仍都从负载流走，则泵口的压力会 超过安全阀的调定压力，此时有部分流量从溢流阀流过，在变量机构节流孔的 两端引起的压差克服其弹簧的预压力，此时换向阀阀芯向右移动，液压缸大腔 第三章电液比例控制液压系统 逐渐接通泵口高压油，推动液压活塞运动，减小斜盘的倾角，从而使泵的输出 流量减少。对此过程可概括如下：当泵排油口处的系统压力低于比例阀的设定 值时，控制器会将泵的排量增至最大，一旦系统压力达到比例阀的设定值，控 制器会自动调节泵的排量，最后泵的流量将系统压力限制在比例阀的设定值附 近。 关于4 5 系列泵的其它几点说明： ( 1 ) 变量机构的大腔上端装有最大排量限制器，并装有一个排量调节螺杆，用 来对最大排量限位，试验中可通过调节排量柱塞螺母，来调节泵允许输出的最 大流量。 ( 2 ) 在排量限制活塞上有个相互交叉的油孔，主要用来限制泵的最小输出流量。 当外负载很大时，斜盘的倾角变小，一旦小孔油道与泵的内腔连通时，变量机 构的大腔即相当于通油箱，根据上述分析，此时泵的排量会有增大的趋势，这 就限制了泵的最小排量，以维持系统所需的泄漏油等，保证泵不被蒙死。 ( 3 ) 泵体上还有两个重要的调节螺栓，一个是用来调节溢流阀的溢流压力： 另一个是用来调节变量机构的弹簧预压缩，在后面试验部分有较详细的调节说 明。 图3 2 变量泵控制部件的横截面图 2 0 第三章电液比例控制液压系统 m 2 l 1 图3 3 变量泵p c 控制原理图 a d i u s t m e n ts c r e w 图3 4 最大排量调节螺栓 变量泵工作特性曲线如下： t y p i c a lo p e r a t i n g ( u l v e o 暑 重 $ op r e 站u r e - +p 1 0 l9 卯e 图3 5 变量泵本体特性曲线 2 1 第三章电液比例控制液压系统 3 1 3 泵的结构改造 在第二章中，详细介绍了论文采用的电液比例控制系统的控制方式和总体 构思，但是试验中所选用的变量泵不能完全符合试验的需要，其中一个重要的 工作是要对变量泵的流量进行实时检测，因此还必须对泵体进行