（机械电子工程专业论文）基于二次元件加载的电液比例泵控马达实验系统的研究.pdf

摘要 本文是对长安大学机电一体化实验室现有的“电液比例压力流量控制系统实验台 的二次开发，使实验台在完成液压元件常规性能测试的基础上，为泵控马达系统的控制 性能实验搭建了一个良好的平台。 首先对电液比例控制技术的概况和电液比例控制系统的功能、分类做了简单叙述， 对电液比例加载系统应用现状做了总结。然后，根据本课题研究的目的，结合实际，在 对各液压元件的性能详细分析的基础上，选用合适的元件，组成一个完整的电液比例泵 控马达实验系统。利用电液比例泵控马达实验平台，进行了泵控马达控制性能实验和电 液比例加载实验的理论研究与设计，并在泵控马达控制性能实验设计的过程中，针对具 体的控制策略进行了泵控马达系统的仿真。 针对所搭建的电液比例泵控马达实验系统，设计了泵控马达控制性能实验的实验方 案，得出电液比例泵控马达系统最高工作压力和系统达到该压力时对应的最大允许输入 电信号之间的关系。另外，设计了电液比例加载的实验方案，在马达不同的恒速目标下， 得出了最高允许的加载压力、加载泵的最大排量和加载控制元件对应的输入电信号之间 的关系。 关键词：电液比例，泵控马达，加载系统，理论研究，实验方案 a b s t r a c t t h i st h e s i si st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f ”t h ee 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 e a n df l o wc o n t r o l - s y s t e m l a b o r a t o r y t a b l e ”i nt h ec h a n g a l l u n i v e r s i t ym e c h a t r o n i c s l a b o r a t o r y , b u i l d i n gag o o dp l a t f o r mf o r t h ee x p e r i m e n t so ft h ep u m pc o n t r o l l e d m o t o r s y s t e mw h i c hb a s e so n t h ec o n v e n t i o n a lt e s t i n go fh y d r a u l i cc o m p o n e n t s f i r s tw ed oab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ee 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 lt e c h n o l o g y , t h ef u n c t i o na n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ee 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 ls y s t e ma n dt h e a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h ee 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 ll o a d i n gs y s t e m u n d e rt h ep u r p o s e o ft h i st h e s i sa n dt h ep r a c t i c e ，w ec h o o s et h ea p p r o p r i a t ec o m p o n e n t st of o r mac o m p l e t e 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 u m p - c o n t r o lm o t o re x p e r i m e n t a ls y s t e m i nt h eb a s i so f u n d e r s t a n d i n ga l lk i n d so fh y d r a u l i cc o m p o n e n t s p e r f o r m a n c eo ft h el a b o r a t o r yt a b l e u s i n g t h ep u m p - c o n t r o lm o t o re x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w eh a v ed o n et h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d e x p e r i m e n t a ld e s i g n i n go ft h ee 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 u m p c o n t r o lm o t o rs y s t e m s c o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ta n dt h ee 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 ll o a d i n gs y s t e m ， a n dc a r r i e do nt h es i m u l a t i o no ft h ep u m pc o n t r o l l e dm o t e rs y s t e ma st h es p e c i f i cc o n t r o l l i n g s t r a t e g i e s a c c o r d i n g t ot h ee 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 u m p - c o n t r o lm o t o re x p e r i m e n t a l s y s t e m ，w e h a v ed e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m eo ft h ep u m p - c o n t r o lm o t o rs y s t e m c o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ，d r a wt h e r e l a t i o nb e t w e e nw o r k i n gp r e s s u r eo ft h e 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 u m p - c o n t r o l m o t o rs y s t e ma n dt h em a x i m u ma l l o w a b l ei n p u t s i g n a l s a tt h es a m et i m e ，w eh a v ed e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m eo f t h ee 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 ll o a d i n ge x p e r i m e n t ，a n dd r a w t h er e l a t i o nb e t w e e nt h el o a d i n gp r e s s u r ea n dt h e i n p u ts i g n a lo ft h el o a d i n g c o n t r o lc o m p o n e n t sw h e nt h es y s t e mi su n d e rt h i sl o a d i n g p r e s s u r e k e yw o r d s ：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 ；p u m pc o n t r o l l e dm o t o r ；l o a d i n gs y s t e m ； t h e o r e t i c a ls t u d y ；e x p e r i m e n t a ls c h e m e n 长安大学硕士学位论文 1 1 电液比例控制技术概述 第一章绪论弟一早殆了匕 为适应一般工程系统对于传动与控制特性的要求，从2 0 世纪6 0 、7 0 年代开始，电 液比例控制技术应运而成，并逐步发展成为流体传动与控制领域中一个具有旺盛生命力 的新分支【1 1 。现今，电液比例控制技术已成为工业机械、工程建设机械及国防尖端产品 不可或缺的重要手段，引起相关工业界、结束界的格外重视。它与传统的以传动为主的 液压传动技术，从元件的结构与原理、系统的构成与功能实现等方面，都有着一定的相 似性，同时也结合了电液伺服技术的主要特点，并且在应用电子技术、计算机技术、信 息技术、自动控制技术、摩擦磨损技术等方面，还表现出更优越的性能，这给电液比例 技术带来了更广阔的应用天地。 1 i 1 电液比例控制技术的含义 严格的说，比例控制是实现元件或者系统的被控制量( 输出) 与控制量( 输入或指 令) 之间线性关系的技术手段【2 1 。电液比例控制技术是介于普通开关控制和伺服控制之 间的一种新的控制方式。它既可以根据输入电信号的大小连续地、成比例地对液压系统 的流量、压力、方向实现远距离控制、计算机控制，又在制造成本、抗污染等方面体现 出较大的优势。 1 1 2 比例控制技术与伺服控制技术的比较 电液比例技术与比较成熟的电液伺服技术之间，有很多相似的地方。由于电液伺服 技术比较成熟，应用比较广泛，所以人们容易忽视两者之间的差异。而两者的区别与联 系具体表现在以下几个方面： 1 控制元件不同 电液比例控制系统( 含开环控制和闭环控制) 采用的控制元件为比例阀和比例泵【3 1 。 根据控制参数的不同比例阀主要包括电液比例压力控制阀、电液比例流量控制阀、电液 比例方向控制阀等；而比例泵主要有比例排量控制泵、比例压力控制泵、比例流量控制 泵及比例复合控制泵。另外，比例控制系统中一般采用比例电磁铁作为控制元件的驱动 装置，其感性负载大，电阻小，电流大，驱动力大，但响应低【4 1 。 第一章绪论 伺服控制系统采用的控制元件为伺服阀，对应的有流量伺服阀、压力伺服阀和压力 流量复合控制阀，一般选择力马达或是力矩马达作为控制元件的驱动装置，相对于比例 阀而言，其感抗小，驱动力小，但响应快。 2 控制元件的性能参数不同 如表1 1 所示 表1 1 比例阀与伺服阀的性能比较 誊剐 比例阀 筹叭 伺服阀 比例伺服阀无电反馈比例带电反馈比例 滞环( )o - l 0 5o 2 0 - 53 7o 3 l 中位死区 理论上为零理论上为零 5 2 0 频宽1 4 z 1 0 融一5 0 d5 0 1 5 01 0 5 01 0 7 0 过滤精度1 3 ，9 1 5 ，l ll 耐1 3 1 8 ，1 41 6 ，1 3 1 1 4 1 6 ，1 3 1 8 1 4 应用场合 闭环控制系统开环系统及闭环速度控制系统 由表中不难看出，伺服阀的性能最优，但相应偏低：普通比例阀的死区大，滞环大， 动态响应低。由于这一原因，对含有普通比例阀的系统进行分析和仿真时，不能像对伺 服阀那样，采用在零位附近简单的进行线性化处理的原则，而应充分考虑大死区及滞环 等非线性因素的影响吲。 3 中位机能种类不同 伺服阀中位机能只有0 型( r e x r o t h 产品的e 型) ，适应工况单一。比例阀的中位机 能种类较多，适用于更多的设备工况。 4 阀的额定压降不同 为了保持电液伺服阀的响应特性，伺服阀通过额定流量时阀上的压差一般为1 3 供 油压力，它的性能指标也是在这种工况下给出的。普通的比例阀对通过额定流量时阀上 的压差并没有做特别的规定，既能工作于大压差工况，也能在小压差下工作。 1 1 3 电液比例技术的发展 上世纪六十年代末，瑞士的b e r i n g e r 公司生产出k l 比例复合阀，到七十年代初， 日本的油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，是比例技术的诞生阶段。1 9 7 5 年到 1 9 8 0 年，人们研制出带有内部反馈的比例元件应用于电液比例技术中，而且各种比例元 长安大学硕士学位论文 件的驱动装置也日趋成熟，带动了比例控制技术迅速发展。到1 9 8 0 年以后，比例元件 的反馈功能更加成熟，电校正等手段也相继应用于各种工况中，动态性能增强。另外， 在这个阶段，比例技术的应用范围更加广泛，例如与插装阀结合，形成比例插装技术， 可以更好的为生产服务。从二十世纪九十年代至今，伺服比例阀的产生，兼有了比例技 术和伺服技术的优点，解决了普通比例阀的死区大的问题，适应了闭环系统对死区的要 求。而且在这个时期，计算机技术迅猛发展，并且与比例技术结合，使得“数字式”成 为当今比例技术的重要形容词，也成为未来比例技术发展的主要趋势【6 1 。 1 1 4 电液比例控制系统的分类 电液比例控制系统有很多种分类方式，例如按系统控制回路分，可分为开环控制系 统和闭环控制系统；按系统的输入信号的方式分，可分为手调输入系统、程序输入时系 统和模拟输入式系统；按控制类型分，可分为压力控制系统、速度控制系统、加速度控 制系统、力控制系统和位置控制系统。 按控制参数分，可分为单参数控制系统和多参数控制系统。其中，单参数控制系统： 液压系统的基本工作参数是液流的压力、流量等，通过控制一个液压参数，以实现对系 统输出量的比例控制。多参数控制系统：如用电液比例方向流量阀或复合阀、电液比例 变量泵或液压马达等，既控制流量、液流方向，又控制压力等多个参数，以实现对系统 输出量比例控制。 按电液比例控制元件分为阀控制系统和泵、液压驱控制系统。阀控制系统：采用电 液比例压力阀、电液比例插装阀、电液比例方向流量阀、电液比例复合阀等控制系统参 数。泵、液压马达控制系统：采用电液比例变量泵、液压马达等控制系统参数。 按信号的连接特点分，可分为反馈控制、前馈控制和含有反馈、前馈的复合控制系 统；按系统的功用又可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和 时变系统、确定系统和不确定系统等。 1 1 5 电液比例控制系统的功能描述 电液比例控制系统的核心部件是电液比例阀。相继产生的电液比例控制泵可以看成 为电液比例阀与传统液压泵结合而形成的新的比例控制单元，也可以将具有闭环控制功 能的比例控制液压泵看成为比例控制系统。 在工程实际中，电液比例控制系统虽然各自的功能、结构不相同，但仍可以归结为 3 第一章绪论 下面这个典型的方框图： 图1 1 电液比例控制系统框图 首先由外界向系统输入一个电压信号，经比例放大器转换成相应的电流信号，被送 入电一机械转换器。一般地，我们选用比例电磁铁作为电一机械转换元件，因为比例电磁 铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高 压结构。电一机械转换器可以将此电流信号转换成力或者位移，作用在滑阀芯锥阀芯上， 用来克服弹簧的弹力。电流增大，输出的力相应地增加，该力或位移有作为输出量加给 液压阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力。电磁铁断电后，复位弹簧使阀芯返 回中位。在电液比例先导式控制阀中，通过改变比例先导阀上的电信号，可以调节通过 主阀的液体流量、压力或液流方向。通过这样的转换，一个输入电信号的变化，不但能 控制执行器和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度调节。 1 2 电液比例加载系统的概述 对于任意一个液压系统而言，其动态性能的好坏最终取决于其加载系统的性能。以 泵控马达系统为例，泵为动力元件，马达为执行元件，一般来说，给系统加载就相当于 增加了马达输出轴上的扭矩，提高了泵控马达系统的输出功率，给系统带来的最直接的 影响就是系统的输出转速可能会降低。所以，以往的加载方式是采用摩擦片，在加载时 将马达输出轴“抱死，增加输出轴上的摩擦力，使输出转速降低，如水力测功机，就 是采用了这个原理来进行加载。随着比例泵和比例阀应用于加载系统，提高了加载的精 度和可控制度，是加载方式的一个飞跃。通过输入电信号来控制载荷的大小，开始了电 液比例加载的时代，而比例阀和比例泵所组成的加载系统，就成为电液比例加载系统。 但目前所使用的比例泵还无法实现双向旋转，当马达反转时，比例泵无法使用，使得电 4 长安大学硕士学位论文 液比例加载系统无法进行加载。为了弥补这项不足，采用可以正反装的o s l 二次元件作 为比例泵，与比例阀结合组成新的电液比例加载系统，在实验室条件下模拟给电液比例 泵控马达系统进行加载，在第二章和第四章中将会详细分析。 1 3 课题研究的内容及意义 1 3 1 课题研究的内容 本文以电液比例泵控马达系统作为研究对象，以电液比例控制技术和自动控制理论 为基础，主要工作内容为： ( 1 ) 仔细分析、研究泵控马达系统的控制要求，加载方式 ( 2 ) 根据本课题研究的主要目的，结合实际，在对于组成泵控马达系统所需各液 压元件的性能分析的基础上，选用合适的元件，组成一个完整的电液比例泵 控马达实验系统，为后面的泵控马达系统控制性能实验和电液比例加载实验 提供一个良好的平台。 ( 3 ) 电液比例泵控马达系统的实验研究与设计。详细分析电液比例泵控马达系统 的工作原理，进行泵控马达控制性能实验的理论研究与设计，并针对具体的 控制策略进行泵控马达系统的仿真。 ( 4 ) 电液比例加载系统的研究与设计。阐述电液比例节流阀加载和电液比例溢流 阀加载的加载控制元件的结构和特性，详细分析两种加载方式的加载原理， 并进行电液比例加载实验的理论研究与设计。 ( 5 ) 电液比例泵控马达系统实验方案的设计。针对之前所搭建的电液比例泵控马 达实验平台，对泵控马达控制性能实验和电液比例加载实验进行实验方案的 设计。 ( 6 ) 结论与展望。 1 3 2 课题研究的意义 液压行业自上世纪五十年代在我国起步开始，至今已经有六十多年的历史了。经历 了仿制国外产品、自行设计开发和引进消化提高等几个重要的发展阶段，目前已经形成 了一个产品门类较为齐全，科研院所、高等院校和生产制造企业配套较完整的工业体系， 并已初步形成规模和一定的生产能力及技术水平。而且近几年，国内相关科研院所、高 s 第一章绪论 等院校和生产制造企业还自行研制了许多液压试验( 实验) 设备，并在其中采用了计算 机辅助测控( c a i ) 技术，用以提高液压元件及系统的产品检测水平与整体质量。 虽然走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的 改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。而本文以电液比例泵控马达系统 为主要研究对象，突破了现有液压实验台只能实现对于液压泵、液压马达等液压元件基 本性能参数进行测量实验的局限性，大大扩展了实验台的功能和适用范围，对于在实验 条件下进行泵控马达系统的控制性能研究及液压控制技术的发展具有重要的意义。 6 长安大学硕士学位论文 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 2 1 电液比例泵控马达系统实验平台的设计条件及背景 本文是基于长安大学机电一体化实验室现有的“电液比例压力流量控制系统实验 台来进行研究的。目前，实验台仅能进行液压元件的常规性能测试。但是随着科学技 术的发展，液压技术的应用范围也越来越广，因此对液压实验台提出了更高的要求。仅 能进行元件的常规性能测试是不够的，还需要具备教学、科研与实用等多重功能，尤其 是能够完成工程机械中各种控制功能的模拟实验与理论研究。在这样的形势下，本论文 的主要目的就是要构建一个电液比例泵控马达实验平台，实际上是对原有电液比例压力 流量实验台进行二次开发。使实验台在能够进行液压元件的常规性能测试的基础上，通 过对电液比例泵控马达系统的实验方法、控制策略的研究，使电液比例泵控马达实验平 台具有能够进行泵控马达系统的控制性能实验的功能，填补泵控马达系统理论与性能研 究的空白。并且利用此实验平台，可以在实验室条件下模拟实际工况，给电液比例泵控 马达系统加载，并通过具体加载方案的设计，实现对载荷的控制，来研究泵控马达系统 的控制性能，扩展原有实验台的功能。 本实验台主要分为液压部分和电气部分。其中液压部分由开式泵电机组、闭式泵电 机组、闭式系统补油泵电机组、油箱、泵马达实验台架、油源接口、比例加载实验台、 阀实验台架、和连接管路组成。电气部分主要包括下位机p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l e r 可编程控制器) 和上位机以及一台管理机组成。这三台机器通过1 0 0 m 交换机 构成局域网。该部分另外还包括十一个压力传感器、八个油温传感器、五个流量传感器、 一个扭矩转速传感器、八个比例控制器。所有的传感器都有对应的仪表显示数值，同时 在计算机上显示；所有的比例控制器即可通过计算机调节，也可通过电位器调节。 本课题以电液比例压力一流量控制试验台为研究对象，目的正是对于现有试验台的 二次开发，使其在能够完成液压元件常规性能测试的基础上，通过对电液比例泵控马达 系统的试验方法、控制策略及加载方案的设计，实现电液比例泵控马达系统的控制性能 实验，扩展原试验台的功能。 图2 1 为电液比例压力流量实验台控制系统液压原理图。 7 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 图2 1电液比例压力流量控制系统液压原理图 莹 长安大学硕士学位论文 2 2 电液比例泵控马达系统实验平台的组成 基于上述要求，我们在原有实验台上选择合适的元件，搭建一个电液比例泵控马达 硬件系统。由于本论文的目的是基于原有实验台的二次开发，使实验台不仅能完成液压 元件的常规性能测试，还能进行电液比例泵控马达系统控制性能的实验。实验的主要目 的是实现在实验室的条件下模拟给电液比例泵控马达系统加载，并且可以很好对载荷进 行控制，同时电液比例泵控马达系统会随着载荷的变化，及时的调节其内部的压力和流 量，实现对马达输出参数的控制。所以我们所要搭建的电液比例泵控马达硬件系统，实 际上是为泵控马达控制性能实验的进行提供了一个实验平台。因此，硬件系统主要由电 液比例泵控马达闭式系统和电液比例加载系统两部分组成。 2 2 1 电液比例泵控马达闭式系统的组成 电液比例泵控马达闭式系统主要由电液比例变量泵、电液比例马达、检测仪器及一 些辅助元件组成，下面对这些元件进行详细的介绍。 1 电液比例变量泵 我们所选用的变量泵p 2 属于电液比例轴向柱塞泵，由德国力士乐原装进口件，其 型号为a 4 v s g l2 5 e 0 2 ，连续工作压力可达3 5 m p a ，额定排量为1 2 5 m l r ，并且可以连续 改变排量。这种泵适用于闭式回路，噪音低、寿命长、控制时间短。 对于不同的变量泵来讲，泵出口的检测参数决定了变量泵的功能，如对泵出口压力 的检测和反馈构成了比例压力控制泵；对泵出口流量的检测和反馈构成了比例流量控制 泵；对泵出口压力和流量的综合检测可构成功率控制泵；对变量活塞位移的检测和反馈 构成了比例排量控制泵n 刚。本文正是以这种比例排量控制泵作为研究对象的，其构成如 图2 2 所示。 9 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 图2 2 变量泵p 2 构成简图 对于同种形式的变量泵，其反馈方式也往往存在着较大的差别。比如说，比例排量 控制泵的反馈方式有位移直接反馈( 随动控制) 、位移一力反馈和位移一电反馈三种方式。 不同的反馈方式影响比例泵的结构及复杂程度，其中，电反馈的变量方式可利用电调手 段对变量泵控制系统实施较复杂的补偿和校正，优化变量泵的控制特性，简化变量泵的 内部结构，因此，我们在实验中选用了位移一电反馈式的比例排量控制泵。 其实每个变量泵都是一个控制系统，它利用电一机转换元件和控制阀来操纵变量机 构，利用电信号来实现功率调节和自适应控制，再通过变量机构最终控制基泵的输出排 量。对于电液比例变量泵p 2 ，它的变量机构采用了位移一电反馈式阀控缸位置控制系统， 由比例放大器、四边滑阀式比例方向阀和单出杆双作用液压缸组成，系统以比例放大器 的输入电信号为控制信号，液压缸活塞杆运动位移为系统的被控输出量，来控制变量泵 p 2 的斜盘倾角0 。 因此，在变量泵p 2 中的变量液压缸为变量泵控制系统的执行元件，泵的斜盘是这 个系统的控制对象，变量泵输出的压力、流量、功率是这个系统的受控参数，变量机构 上的控制阀一比例方向阀，它是这个系统的控制元件。另外，这是个闭环控制结构的变 量泵，还包括受控参数的检测装置、反馈环节和比较环节。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 电液比例马达 我们所选用的电液比例马达p m l 为轴向柱塞式变量马达，其型号为a 6 v m l 0 7 e p 2 ， 德国力士乐原装进口件，最高工作压力4 0 m p a ，最大排量在1 0 7 m l r ，且排量变化范围大， 噪声低，工作寿命长。 就像变量泵一样，变量马达内部也可以看成一个简单的控制系统，由变量机构来控 制马达的排量。如图2 3 所示，在我们所选用的电液比例变量马达p m l 中，变量机构为 直动式两位三通比例换向阀和控制单作用液压缸，通过调节输入信号来调节马达的排 量。而且，通过弹簧弹力使变量活塞定位，起到反馈的作用。 图2 3 变量马达p m l 构成简图 在本论文中，主要研究马达为定量的情况，因此在论文过程中，不涉及马达的变量 问题。 3 安全阀 我们一般选用溢流阀作为安全阀，如图2 4 中的y f l 。电液比例泵控马达系统为容积 调速闭式系统，溢流阀y f l 起着安全保护的作用。当负载超过规定的极限( 系统压力超 过调定压力) 时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加( 通常使溢流阀的调定 压力比系统最高工作压力高1 0 2 0 ) 。 溢流阀一般有两种结构：直动型溢流阀和先导型溢流阀。我们在这里应用的y f l 溢流阀是d b d 型直动式溢流阀。在电机m 2 、闭式泵p 2 组成的闭式系统中，溢流阀y f l 与单向阀c i - c 4 、插装式压力阀c 5 共同组成安全回路，限制变量泵p 2 压力超载。而在 电液比例加载系统中，先导型电液比例溢流阀将被用作加载控制元件，通过输入电信号 的大小，调节阀的进口压力。 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 4 检测仪器 在电液比例泵控马达硬件系统中，检测装置是必不可少的，它可以把测试过程中的 参数从测试系统中提取出来，并转换成所需要的信号形式，传递到分析、记录装置中去， 对于后面系统辨识计算、控制策略的研究有着重大的意义。因此，我们在选择检测仪器 的时候，要掌握好以下的原n - ( 1 ) 根据被测试参数( 位移、压力、流量、温度、电流、电压、扭矩、转速等) 选 择对应的传感器，且传感器的量程要与测试参数的最大变化范围相匹配。必要时，可采 用不同量程的传感器组合使用，以提高分辨率和测试精度。 ( 2 ) 传感器在系统中的布置应保证能测取到真实的信号，而不是伪信号。 ( 3 ) 传感器输出的信号应便于识别、传送、转换、处理，且在此过程中不受负载效 应和系统固有频率的影响而失真。 ( 4 ) 传感器的测量精度要与测试要求相适应。 在本次电液比例泵控马达实验中，我们所选择的检测仪器主要是j w - 2 a 型微机扭 矩仪和j c z 0 型转速转矩传感器。微机扭矩仪是采用微电脑技术设计的一种具有一定智 能的测定各种动力机械和传输机械的扭矩、转速和功率的高精度电子仪器。它能与各种 量程的磁电式相位差性扭矩传感器( 如j c 型扭矩传感器) 配套使用，测量各种发动机、 电机、液压泵等机械的扭矩、转速和功率。而j c z 0 型转速转矩传感器作用是检测马达 输出转速和转矩，并且在泵控马达闭环系统中，将马达输出轴上的转速、转矩转换为电 压信号，反馈到系统的输入口，系统将此电压信号与输入电压相比较后，来判断给整个 电液比例泵控马达系统施加控制的程度。 另外，压力和流量传感器也是重要的检测仪器。本实验台中，压力传感器的标号为 b p l b p l l ，主要检测阀、马达、d s l 二次元件的压力。而基于电液比例泵控马达系统控 制性能实验的要求，我们只选用标号为b p l b p 5 的压力传感器，它们的型号都为 e a t r - 5 4 0 0 i 。其中，b p l 压力传感器主要检测电液比例马达p m l 泄露油压力；b p 2 、 b p 3 压力传感器主要检测p m l 工作油口压力；b p 4 、b p 5 压力传感器检测二次元件d s l 工作油口压力。 流量传感器选用标号为b q l - b q 5 ，其中，b q l 流量传感器的型号为l c f - 4 0 ，检测 加载回路回油流量：b q 2 流量传感器型号为l c f 1 5 ，检测电液比例马达p m l 泄露流量； b q 3 流量传感器型号为v c 5 f 1 p s ，检测电液比例马达p m l 工作油v i 流量；b q 4 流量传 1 2 长安大学硕士学位论文 感器型号为v c 5 f 1 p s ，也是检测电液比例马达p m l 工作油口流量；b q 5 流量传感器型 号为l c f 1 5 ，检测二次元件d s l 泄露油口流量。 5 补油泵p 3 补油泵p 3 属于国产高性能叶片泵，噪声低，定子和叶片使用寿命长，流量损失小， 压力和流量脉动小，采用插装式结构内部零件做成组件形式，互换性好，维修方便。如 图2 4 所示，补油泵p 3 的作用是通过压力阀c 7 、c 8 向电液比例泵控马达系统的低压管 道补油，以补充系统的泄漏量，并在低压管道中建立一定的低压，改善泵的吸入性能， 防止气蚀、噪声和振动的危害，还可以使系统的温度下降。 图2 4 电液比例泵控马达系统液压原理图 6 单向阀c 1 c 4 单向阀c 1 c 4 组合成桥式回路，在电机m 2 、闭式泵p 2 组成的闭式系统中，与插 装式压力阀c 5 共同组成安全回路，限制p 2 泵压力超载，其中，c l 、c 3 、c 5 组合成连 通回路，c 2 、c 4 、c 5 组合成另一方向的连通回路。 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 2 2 2 电液比例加载系统的总体设计 1 电液比例加载系统的性能要求 一般来说，对加载系统的要求可以归纳为以下几点： ( 1 ) 良好的动态性能，即具有稳定性、快速性和足够的控制精度、分辨率，加载 过程的可控性好；否则，就无法保证模拟负载工况的准确性，影响测试精度。 ( 2 ) 良好的控制特性。加载系统应能方便的与测试系统、控制系统相结合，按照 要求的加载模式为液压系统提供各种模式的动态负载。 ( 3 ) 加载功率大，效率高，这是大功率传动试验台的特征，与一般的伺服元件加 载试验台相比有显著的不同。 ( 4 ) 对于工程车辆而言，加载系统还要满足车辆闭式驱动系统试验的要求。车辆 闭式驱动系统由于前进、倒退、牵引、制动等工况的需要，工作于转矩一转速平面的四 个象限中，所以要求加载装置同样应在转矩一转速平面的四个象限中提供加载载荷。 ( 5 ) 加载系统应能尽快的实现阶跃加载、正弦波加载，以及实际工况中采集来的 平稳及非平稳随机过程加载等特征工况。 ( 6 ) 加载系统应具有功率回馈能力，因为加载装置通常是一种耗能元件，应尽可 能采取节能措施，将加载工作时吸收的功率回馈于动力电网。 ( 7 ) 加载系统中还应考虑有安全保护措施，因为加载过程往往伴随着危险因素。 2 加载方式的选择 随着科技的发展，液压系统的加载方式也在不断变化中。以往采用的加载方式，其 原理是将马达输出轴“抱死 ，增加其摩擦力，降低其转速，以达到吸收泵控马达系统 功率的目的，如水力测功机。这种加载方式结构简单，造价低廉，高速吸收功率大，运 转平稳，但缺点也是相当明显的，在抱住马达输出轴的过程中，因摩擦加速了元件的磨 损，产生大量的热；控制不便，测量精度差，难于实现远距操纵及自动调节。 比例泵应用于加载模块中，是加载方式的一个飞跃性的发展，而泵出口的流量、压 力由输入比例流量阀或比例压力阀的电信号来控制。这样一来，大大提高了加载精度， 也提高了对载荷大小的控制能力。但目前所使用的比例泵，只能进行单向旋转，无法实 现双向转动，当用于给泵控马达系统加载时，如果马达反向转动，则连接在马达输出轴 上的比例泵就无法适应，也就不能实现给泵控马达系统加载。而且在加载模块中，比例 1 4 长安大学硕士学位论文 泵是作为加载泵来使用的，以比例变量泵为例，当给泵输入一个交变信号时，如正选信 号，当信号反向时，比例变量泵无法实现反转，也就无法给系统加载。 因此，为了弥补传统比例泵只能单向旋转的不足，我们采用d s l 二次元件作为比例 加载泵，与比例节流阀或者比例溢流阀组成加载模块。其中，d s l 二次元件具有极高的 频响特性，可正反两个方向旋转，兼有泵、马达的双重功能，在这里，我们把它当作变 量泵来使用。当应用比例节流阀作为加载控制元件，通过给节流阀输入电信号，调节阀 口面积大小，进而控制d s l 二次元件的出口压力，实现加载的目的；应用比例溢流阀作 为加载控制元件，是通过输入电信号直接控制阀的进出口压差，进而控制d s l 二次元件 的出口压力，在保证了加载精确度的同时，提高了载荷的可控性。 3 电液比例加载系统的组成 本论文是对电液比例压力一流量控制试验台的二次开发，使其在能够完成液压元件 常规性能测试的基础上，实现电液比例泵控马达系统的控制性能实验。具体来说就是要 解决在实验室条件下如何给马达加载，并且能很好的对载荷进行控制的问题，因此，我 们需要建立一个电液比例加载系统，主要由d s l 二次元件、比例流量阀b y a 8 、比例压 力阀b y a 7 及辅助元件组成。此电液比例加载系统连接在马达的输出轴上，其中，比例 流量阀b y a 8 或比例压力阀b y a 7 将作为系统的加载控制元件，通过给加载控制元件输 入电信号，最终控制比例流量阀b y a 8 或比例压力阀b y a 7 进出口压差，进而控制d s l 二次元件的出口压力，使d s l 二次元件的输入功率变化，带动泵控马达系统的输出功率 产生变化，实现给泵控马达系统加载。电液比例加载系统选用的主要元件为： 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 图2 5 二次元件加载模块结构图 ( 1 ) d s l 二次元件 d s i 二次控制元件实际上是一个轴向柱塞液压泵，型号为a 4 v s g l 2 5 d s l ，德国力 士乐原装进口件。其特点是具有极高的频响特性，可正反两个方向旋转，兼有泵、马达 的双重功能。在进行电液比例泵控马达系统实验的时候，我们将d s l 二次元件安装在马 达输出轴上，将它作为给泵控马达系统加载的比例加载泵来应用。之所以选择它作为比 例加载泵，正是利用了其正反转的功能，弥补了先前加载方式中加载泵只能单向旋转的 不足。 既然可以把d s i 二次元件看做一个比例泵，则它内部的变量机构为三位四通的比例 方向阀控液压缸系统。 ( 2 ) 比例流量阀b y a 8 电液比例加载系统设计了两种加载方式：电液比例节流阀加载方式和电液比例溢流 阀加载方式。对于电液比例节流阀加载方式，我们选取标号为b y a 8 的比例流量阀作为 其加载控制元件，即比例节流阀来使用。b y a 8 是德国力士乐原装进口件，型号为 f e s 2 5 c a 3 0 3 1 5 ，属于先导控制式二通比例节流阀( 插装阀) 。 ( 3 ) 比例压力阀b y a 7 1 6 长安大学硕士学位论文 电液比例溢流阀加载方式的控制元件为比例溢流阀，我们选用标号为b y a 7 的比例 压力阀来做比例溢流阀使用。它是德国力士乐原装进口件，型号为d b e m 2 0 _ _ 5 奶1 5 ， 属于先导控制比例溢流阀。这一类阀，主要由先导阀、比例电磁铁和主阀芯组成，可根 据输入的电信号来调节系统压力。 ( 4 ) 辅助元件 信号发生器 属于指令元件，给系统输入控制信号。一般来说，信号发生器分为手动设定和程序 设定。实验过程中，采用工控机的信号输出卡输出指定信号。 比较元件 比较元件是将反馈信号和给定信号进行比较，把偏差信号输入比例放大器中。进行 比较的信号必须是同类型的，如果给定信号是电压信号，则反馈信号必须也是电压信号。 比例放大器 比例放大器可以控制和驱动电液比例阀，根据比例阀和比例泵的控制需要对控制电 信号进行处理、运算和功率放大，在电液比例控制系统中占据着重要的地位。电液比例 控制系统既有液压元件传递功率大、响应快的优势，又有电气元件处理和运算信号方便、 易于实现信号远距离传输( 遥控) 的优势，而发挥两者的技术优势在很大程度上依赖于 比例放大器。 本论文中所建立的电液比例加载系统中，当应用比例流量阀b y a 8 作为加载控制元 件时，所选用的比例放大器型号为v t - v r p a l 5 0 ，由力士乐样本文件可知，这种型号的 比例放大器设定值输入信号为0 - 9 v ，适用于控制型号为f e s 2 5 和f e l 6 的先导式比例流 量阀，而b y a 8 的型号为f e s 2 5 c a 3 0 3 1 5 ，属于f e s 2 5 型比例流量阀，所以这种比例 放大器是适用的。 我们所选用的比例压力阀b y a 7 的型号为d b e m 2 0 _ 5 x 3l5 ，由力士乐样本文件可 知，与之相适用的比例放大器的型号为v t - v s p a l 1 ，设定值输入信号为0 - 9 v ，一般控 制无电位置反馈的直动式和先导式比例压力阀，而比例压力阀b y a 7 属于无电反馈先导 式比例压力阀。 图2 6 为电液比例泵控马达系统实验平台的总图。 1 7 第二章电液比例泵控马达系统实验平台的总体设计 图2 6 电液比例泵控马达系统实验平台总图 1 8 长安大学硕士学位论文 第三章电液比例泵控马达系统的实验研究与设计 液压控制与一般的控制方式相比，有着明显的优势：它可以实现无级变速，调速范 围大。运动部件的惯性小，能够频繁迅速换向，且传动平稳，系统容易实现缓冲溪镇， 并能自动防止过载：元件基本上已实现自动化、通用化和标准化。由于我国的液压行业， 尤其是液压控制行业起步比较晚，与国外先进水平有着很大的差距，所以还有着很大的 发展空间，而且随着技术进步，电液比例技术作为计算机与泵控马达系统连接的接口， 被广泛应用在工业领域。我国目前现有的电液比例压力流量控制系统实验台只能进行液 压元件的常规性能测试，但是却无法实现电液比例泵控马达系统的控制性能实验，因此， 要分析电液比例泵控马达系统的控制性能，掌握其动态特性，就要从控制理论角度研究 系统的结构和控制策略入手，这就为液实验台控制系统的设计提出了更高的要求。 液压系统是液压设备的一个重要组成部分，与主机联系密切，设计时必须首先明确 控制对象。以泵控马达系统为例，一般控制对象有以下三种：变量泵控定量马达、定量 泵控变量马达、变量泵控定量马达。控制对象是液压系统的核心，所有的理论技术、策 略、仿真的进行必须以控制对象为基础来进行。其次要确定控制目标，这个目标有很多 种，例如压力、流量、速度、方向、功率等，对照不同的实验目的，确定不同的控制量。 有了控制对象和控制目标，我们需要选择相应的控制策略，是指对系统中的某个状态变 量实施控制、进行决策时，从全局和长期来看所遵循的规律，如p i d 控制、智能控制、 鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制等，这里的状态变量实际上是指控制目标【1 3 1 。 3 1 电液比例泵控马达系统的原理 图2 6 为我们所搭建的电液比例泵控马达系统实验平台，在研究时可以简化为变量 泵p 2 控制变量马达p m i 的闭环系统，又因为本文主要研究变量马达p m l 为定量的情 况，所以该闭环系统实际上就变成变量泵p 2 控制定量马达p m l ，具体的控制过程可以 简单表述为由变量泵内部的变量机构控制泵的输出参数，最终控制马达的输出。 首先由比例放大器接收信号发生器输出的电压信号，经功率放大后，作用于比例方 向阀内部的电一磁转换元件一比例电磁铁，改变比例电磁铁内部磁通量的大小，产生 磁力推动衔铁移动，使阀芯产生位移，改变比例方向阀的阀口大小，使流向液压缸的流 量也改变，致使液压缸活塞杆两侧压力不等，推动活塞运动，最终改变了变量泵的斜盘 1 9 第三章电液比例泵控马达系统的实验研究与设计 倾角，控制泵的输出，进而改变着定量马达p m l 的输出。同时，在变量泵内部，传感 器可以采集到泵出口的压力、流量，以及液压缸活塞杆的位移，并反馈到比例放大器中， 与设定值进行比较之后，再次输入到电机转换元件中，提高了变量泵的性能和精度。 马达p m l 的输出速度和转矩可以通过马达输出轴上的扭矩转速仪检测，并反馈到 控制器中，通过控制器的处理后再次输入被控对象电液比例泵控马达系统。通过反 馈，最终使系统达到稳定状态，达到我们预期的目的。 另外，在电液比例泵控马达系统中，补油泵也是必不可少的，它通过两个单向阀给 系统的低压管道补油，补油压力为o 6 0 8 m p a ，及时补充系统的泄漏量，避免了气蚀、 噪声和振动等危害，改善了泵的吸入性能，而且通过补油，在低压管道内形成一定的油 压，降低了系统工作时的温度，延长了液压元件的使用寿命。 为了保证系统的安全性，还需要在高压管道和低压管道之间安装溢流阀y f l ，与插 装式方向阀c 1 c 4 、插装式压力阀c 5 共同组成安全回路，连接在变量泵p 2 出口处，限 制p 2 泵压力超载。其中，c 1 c 4 组成桥式回路，c 1 、c 3 、c 5 组合成连通回路，c 2 、 c 4 、c 5 组合成另一个方向的连通回路。 3 2 电液比例泵控马达系统控制性能实验 我们在电液比例压力一流量实验台上