（机械设计及理论专业论文）电液比例阀控马达系统分析与仿真研究.pdf

摘要 本文介绍了电液比例控制系统的发展及研究现状，对电液比例阀控马达速度控制系 统工作原理及各组成部分进行了详细分析，建立了阀控马达系统数学模型。而且，在对 系统特性进行详细分析的基础上，针对系统的稳定性问题，提出了模糊p i d 控制策略， 并设计了相应的模糊控制器。另外，利用m a t l a b 软件，创建了系统仿真模型，在不 同输入信号及不同负载下分别对系统进行了动态特性仿真，得到了马达转速输出的动态 响应，仿真结果证明了模糊自整定p i e ) 调节控制效果良好，它融合了模糊控制和p i d 控 制两者的优点，使电液比例阀控马达系统具有较好的动态特性和静态特性，达到了预期 的研究目的说明在电液比例阀控马达系统中采用模糊p i d 控制策略是一种有效的方 法。 荚键词：电液比例阀控马达动态特性模糊p i d 控制数学模型 仿真 a b s t r a o t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t u d ys i t u a t i o no 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 ls y s t e m ，a n dt h ew o r kp r i n c i p l ea n de v e r yc o m p o n e n to fe l e c t r o h y d r a u l i e p r o p o r t i o n a lv a l v e - c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a tt h es a m et i m et h ep a p e r c r e a t e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a l v e c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m ，o nt h eb a s eo ft h e p a r t i c u l a ra n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m ，f u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sb r o u g h t f o r w a r da st ot h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d u s i n gm a t l a b ，t h ep a p e rh a sm a d eas y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，a n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n ts i g n a li n p u t so rl o a d s a n dg o tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fm o t o rr o t a t es p e e do u t p u t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t f u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sw e l l ，w h i c hi n v o l v e st h em e r i t so ff u z z yc o n t r o l a n dp r oc o n t r o la n db r i n g st h eb e t t e rs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct ot h e s y s t e mt oa t t a i nt h ee x p e c t e do b j e c t i v e ，s oi ti sa ne f f e c t u a lm e t h o dt h a tf u z z yp i dc o n t r o l s t r a t e g yi sa d o p t e d 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 lv a l v e - c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m 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 lv a l v e - c o n t r o l l e dm o t o r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，f u z z y p i d c o n t r o l ， m a t h e m a t i c a lm o d e l s i m u l a t i o n i i 长安大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 电液比例控制系统发展概况 电液比例控制技术是一门新兴的科学技术。它不但是液压技术中的一个分支，而且 也是控制领域中的一个重要组成部分。它是在液压控制技术发展到一定程度，前期的开 关控制不能满足控制系统高质量要求，而伺服控制虽然能满足良好的性能要求，又因为 其高成本高维护费用限制了伺服技术在工业和民用部门的应用，所以这种新型的既能满 足系统性能要求费用又比较低的电液比例控制系统应运而生，并且不断发展完善。电液 比例控制系统是由电信号处理部分与液压功率输出部分组成的控制系统。 电液比例控制系统是在原有的电液伺服控制系统基础上根据需要发展起来的，它们 有密不可分的联系。所以以下从电液伺服系统的发展开始讲述电液比例控制系统的发展 情况。 二次世界大战后期，由于军事的需要，喷气式飞行器技术取得了突破性进展，它对 控制系统的快速性、动态精度和功率重量比都提出了更高的要求，从而推动了电液控制 技术的发展。4 0 年代开始了对滑阀特性和液压伺服理论的研究。1 9 4 0 年底，首先在飞 行器上出现了电液伺服系统，但该系统中的滑阀由伺服电机驱动，作为电液转换器，这 限制了电液伺服系统的响应速度。直到5 0 年代初，出现了高响应的永磁式力矩马达， 形成电液伺服阀的雏形。又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高 了伺服阀的快速性。到6 0 年代随着干式力矩马达的出现，才使电液伺服阀的性能日趋 完善。由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到迅速发展。 7 0 年代后，随着工业生产的发展，丌关控制阎已不能满足高品质控制系统的要求： 而传统的电液伺服阀，由于对液体介质的清洁度要求十分苛刻，造成成本和维护费用比 较高，系统能耗也比较大，限制了伺服技术的应用。电液比例阀，是在对普通的开关阀 进行改进的基础上，采用比例电磁铁作为电一机械转换器，由电磁铁将给定的电信号转 化为与其成比例的电磁力，实现对输出液压信号的比例控制的一种电液控制阀。它的特 性介于电液伺服阀与普通开关阀之间。电液比例控制器件，对油质要求与一般工业阀相 同；价格低廉；阀内压力损失较低，效率高：性能能满足大部分工业控制要求。因此它 在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，这种普通电液比例阀，存在着一定的死区和 滞环，与伺服阀相比它的频响较低。因此，它除了适用于速度闭环控制以外，一般多用 于开环电液控制系统。在控制精度要求较高、响应快的其它闭环控制系统中，它的性能 显得不足。 长安大学硕士学位论文 近年来，出现了一种性能与价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀一高性能电 液比例方向阀( 又称伺服比例阀，比例伺服阀，闭环比例阀，高频响比例阀) ，如a t o s 公司的d p z o 系列电液比例方向阀。它具有传统比例阀的特征，采用比例电磁铁作为电 一机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零遮盖阀口，其阀芯与阀套之间的 配合精度与伺服阀相当。高性能比例方向阀，对油液的清洁度要求低于电液伺服阀，而 它的控制性能已与普通电液伺服阀相当，特别适用于各种工业闭环控制 i f7 形成高性能 电液比例控制系统。 当前，一方面，由于微电子技术的长足进步，高响应高性能微处理器及a o 、d a 的出现，模拟量与数字量之间的联系及转换更易实现；另一方面，现在比例阀放大器的 功率放大级，己普遍采用脉宽调制技术，因此，随着电液伺服控制、电液比例控制技术 的相互渗透，它们之间已没有明显的鸿沟。 由于机电一体化技术的迅速发展和计算机技术的日益普及，电液比例控制系统已在 工程上普遍得到应用，而且它可以和智能控制技术、计算机控制技术等技术结合起来， 这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制 任务。它综合了电气和液压两方面的优点，具有精度高、响应快、信号处理灵活、输出 功率大、结构紧凑和重量轻等优点，因而得到越来越广泛的应用。目前，它已广泛应用 于航空、机床、船舶、冶金、锻压武器系统和煤矿机械等许多方面。 1 2 电液比例控制系统分类及其特点 电液比例控制系统是用电液比例阀作电液转换及控制元件，用液压执行元件作驱动 装置，对位置、速度、和力( 或压力) 等机械量进行控制的系统。电液比例控制系统按 输出参数有无反馈可分为电液比例闭环控制系统和电液比例开环控制系统。 电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，它可以接受电信号 的指令，连续成比例地控制系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例地变化 它将电气部分和液压部分连接起来，实现电液信号的转换和放大，具有快速的动态响应 和良好的静态特性。与电液伺服阀相比，虽然它的动静态性能有些逊色，但结构简单、 成本低，已能满足多数对动静态指标要求不高的场合。大多数比例阀的频宽为( 5 2 5 ) h z 范围，滞环误差多在1 7 之间“1 。 随着电液比例技术的发展，电液比例阀的性能也在不断提高，性能优良的比例阀幅 频宽可达( 3 0 4 0 ) h z ，而静态指标除零位死区外，其它诸如滞环、重复精度等，都已 接近或达到电液伺服阀的水平。电液比例闭环系统具有闭环系统控制精度高的优点，但 频响较低。电液比例闭环系统比伺服系统成本低。 2 长安大学硕士学位论文 综合来看，电液比例控制系统主要有以下优点“”： ( 1 ) 操作方便，容易实现遥控： ( 2 ) 自动化程度高，容易实现编程控制： ( 3 ) 工作平稳，控制精度较高； ( 4 ) 结构较简单，使用元件较少，对污染不敏感； ( 5 ) 系统的节能效果好。 1 3 课题来源及其研究意义 i 3 i 课题来源 课题来源于现有电液比例压力及流量控制系统试验台，此试验台集机械、电控、 液压与仪表为一体，能对泵、马达及阀单独进行性能测试，而且对于由多元件组成的液 压控制单元或系统，试验台预留了动力、控制、测试接口，以便进行科研性试验，具有 教学、科研与实用多重功能。本课题正是在试验台提供的这些条件的基础上，对电液比 例阀控马达速度控制系统进行分析研究。 液压试验台主要由以下两大部分组成： 1 试验台电气系统 本系统主要由动力柜和操作台构成。动力柜主要安装电气系统的动力元件，各台电 机的断路器、接触器、控制变压器、直流电源等。操作台安装有系统的核心控制元件及 人机界面，系统所有试验的进行都是在操作台完成的。 电液比例试验台电气系统主要用于测试液压泵、液压马达主要性能参数，判别液压 阀机能及实现液压泵控制马达和液压阀控制液压马达动态实验的高精度控制。该系统能 够记录并存储实验中的数据，生成并打印实验报表及有关曲线。该系统的下位机p l c ( p r o g r a u n a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程控制器) 和上位机以及一台管理机，是电 气系统的重要组成部分，三台机器通过1 0 0 m 交换机构成局域网。p l c 主要控制常规的数 字输入输出状态，通过调节电位器，可以实现手动试验；工控机主要处理全部模拟输入 输出量及编码器读数，记录所有相关数据，完成全部试验：管理机可以查阅和备份有关 试验数据，并可打印输出。该系统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，八个比例控制器等重要仪表。所有传感器都有对应的 仪表显示数值，同时在计算机上显示。所有比例控制器既可通过计算机调节，也可通过 电位器调节。 2 试验台液压系统 它主要由以下几个部分组成， 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 开式泵一电机组 由电机、进口力士乐恒压泵、联轴器、压力表、控制集成块等组成，安装在公共底 座上，底座由槽钢焊接而成，刚性强，采用内齿形联轴器，材质为尼龙，运行平稳，无 冲击噪声。进行泵、马达、阀性能试验及阀控马达试验时，由该泵提供动力源。 ( 2 ) 闭式泵一电机组 由电机、进口力士乐电液比例泵、联轴器、压力表、控制集成块等组成，安装在公 共底座上，底座由槽钢焊接而成，刚性强，采用内齿形联轴器，材质为尼龙，运行平稳， 无冲击噪声。进行泵控马达闭式回路试验时，由该泵提供动力源。 ( 3 ) 辅助泵一电机组 包括闭式系统补油泵电机组、控制泵电机组、供油泵电机组、冷却循环泵电机组、 控制集成块、压力表、管路及支架，泵一电机组均采用立式安装机械，减小了安装空间， 降低了运行噪声。管路端部安装有蝶形截止阀，泵一电机组运行或检修时均应开启或关 闭相应截止阀。 ( 4 ) 油箱 油箱有效面积约1 8 0 0 l ，冷却器、滤油器、液位控制器等安装在油箱上顶面，打开 油箱清洗盖可方便清理油箱内部，侧面安装有放油球阀，利于油箱排放油液。 ( 5 ) 泵、马达实验台架 由电液比例马达、二次元件、控制集成块、二次元件控制泵站、仪表、台架等组成， 泵、马达安装处留有一定冗余量，对于其它型式、规格的泵、马达元件可调其安装位置， 采用进口快换接头连接被试件，可靠、方便。 ( 6 ) 油源接口和比例加载试验台架 由换向控制集成块、比例加载控制集成块、台架、压力表等组成。 ( 7 ) 阀试验台架 由阀试验模块、液压控制单元安装板、压力表、台架等组成。 l _ 3 2 课题研究意义 本课题主要以电液比例阀控马达速度控制系统为研究对象，通过分析系统结构以及 驱动负载的特点，用计算机仿真优化设计系统校正参数，达到改善系统性能的目的。 通过本课题研究，使得我们在试验台上不仅能对泵、马达及阀单独进行常规性能测 试，而且对于由多元件组成的阀控马达控制单元或系统，能进行模拟试验及进一步理论 研究，达到期望的控制性能要求。为阀控马达系统理论与性能研究奠定基础。 1 4 本文主要内容 4 长安大学硕上学位论文 针对电液比例阀控马达速度控制系统的特点，为了满足系统性能指标要求，单纯靠 调整增益往往达不到目的，因此需要采用校正措施来改善系统快速响应能力和系统稳态 性能。论文围绕这个目的做了以下工作： 1 对电液l t 侈e 控制系统的技术水平、现状及发展情况进行调研。 2 了解试验台电气系统和液压系统构成，对试验台上电液比例阀控马达系统工作 原理及各个组成部分型号、功能进行深入分析。 3 对该电液比例阀控马达速度控制系统进行系统建模和性能分析。 4 结合当前先进的控制策略，针对电液比例阀控马达速度控制系统，设计了参数 白整定模糊p i d 控制器。 j 建立系统仿真模型并进行计算机仿真，分析仿真结果。 长安大学硕士学位论文 第二章电液比例阀控马达速度控制系统原理及组成 2 1 电液比例阀控马达速度控制系统工作原理 电液b i 例阀控马达速度控制系统结构原理图如图2 一l 所示。 比较器 u 。二旦l 放大嚣一! f 一一1 一 p ! 一电液比例阀一曼， ur 一一 、pl “_ l i转速传感器 i 液压马剜f _ l _ _ 负载 液压马浏1 一“ 一广一可i 一丁= 二二_ 一一i jd s l 一一 ：轴承 支座 幽2 一l电液比例阀控马达速度控制系统结构原理图 图中，输入的速度指令由电压u ，给出。比较器用来测量输入和输出速度间的速度偏 差。输出速度由反馈转速传感器测得，再反馈至主信道。 系统输入电压指令u ，与输出速度u ，之间的速度偏差u 。通过比例放大器放大，经电 液比例方向阀转换并输出液压能，带动液压马达旋转，从而驱动d s i 负载向着消除速度 偏差的方向偏转。当转速传感器的速度信号与输入指令一致时，始终按输入电压指令给 定的规律变化。 电液比例阀控马达速度控制系统职能图如图2 2 所示。 e e 颠倒 电液e 捌阀 指令元件，上一一面丽磊刈百i 丽丽卜。i 萌司一丽i 氦l _ 譬 i 一l 。l 。一 图2 - - 2 电液比例阀控马达速度控制系统职能图 由图可知，组成电液比例阀控马达闭环控制系统的各基本元件及其作用如下 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 指令元件：它是给定速度控制信号的产生与输入的元件。可以是信号发生装 置或程序控制器。它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。 ( 2 ) 比较元件：它的作用是把给定信号和反馈信号进行比较，得出偏差信号作为 比例放大器的输入。进行比较的信号必须是同类型的，比例放大器的输入量为电学量， 因此反馈量也应当转换为同类型的电学量。 ( 3 ) 电液比例阀：比例阀内部又分为两大部分，即电一机械转换器和液压放大元 件，还可能带有阀内的检测反馈元件。电一机械转换器是电液的接口元件。它把经过放 大厉的电信号转换成与其电学量成正比的力或位移。这个输出量改变了液压放大级的控 制液阻，经过液压放大作用，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。电液控制的核心是比例阀。 ( 4 ) 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 8 0 0 m a ) ， 而偏差控制信号电流较小，不足以推动电磁铁工作：且偏差信号的类型或形状都不一定 能满足高性能控制的要求，所以要用比例放大器对控制信号进行功率放大和对输入的信 号进行加工、整形，使其达到电一机械转换装置的控制要求。 ( 5 ) 液压马达：它是系统的执行元件，用于驱动负载。 ( 6 ) 传感器：它检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号，又是信 号转换器( 例如机一电、机一液转换) ，用于满足比较的要求。从职能图中可见，检测 元件有内环、外环之分。内环位移传感器检测通常用于改善阀的动、静特性。外环转速 传感器直接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制精度。 2 2 电液比例阀控马达系统组成 试验台上电液比例阎控马达系统由阀控马达液压系统及相关的电气系统组成。其中 液压系统主要由电液比例方向阀、电液比例马达及液压油源( 开式泵p 1 ) 、二次单元负 载和加载模块等辅助件组成；电气系统包括与液压系统相对应的比例放大器等控制元 件。 2 2 1 液压油源 开式泵p l 选用德国力士乐原装进口的轴向柱塞恒压变量泵，特别适用开式回路， 具有良好的自吸特性，连续工作压力可达3 5 m p a ，噪声低、使用寿命长、功率重量比高， 排量为1 2 5 m l r 。阀控马达试验中，由该泵提供动力源。油源液压系统原理图如图2 3 所示。 长安文学疆攀键论文 图中，c 1 7 为插装式压力阀，电磁铁y a 6 控制该阀开启状态。当y a 6 断电时，c 1 7 ) 。一 “佃p 。甚 一一一1 一：d _ j ) 一 一： 霞孵瑚 j 4 0 s 口lo s d r ol 一7 7 、j 图2 3 油源液压系统原理图 开启，p 1 空载启动经该阀泄荷；当y a 6 通电时，p l 泵安全压力由c 1 7 限定。 开式泵p l 是a 4 v s o l 2 5 d r g 型单向变 量泵，且为恒压泵，它把泵的输出压力 作为变量的控制信号，反馈到泵的变量 调节机构中去，经检测并和指令信号( 弹 簧力) 比较后，以其偏差作为控制泵变 量的输入信号对泵进行调节，则可得到 预期的压力。在系统压力未达到恒压泵 的调定压力之前，恒压泵是定量泵，向 系统提供泵的最大流量；当系统压力达 到调定值时，不论负载所需要的流量( 在 最大流量值以下) 发生如何变化，恒压泵能保持与输入信号相对应的系统压力值不变。 恒压泵实现这种功能的机制是：在某一调定压力下，假如负载所需的流量，从较大 的a 点变为较小的b 点( 如图2 4 ) ，此时，如果变量泵不改变输出流量，则系统中流 量供过于求，根据基本压力公式，必促使泵出口压力升高。这种压力升高，使变量机构 产生相应的控制力，从而使泵的排量减小， 直至泵的实际输出流量与所需的b 点流量 q v 值相对应，以适应负载所需流量的减少，而 又维持调定的系统压力不变。 这里，恒压泵为系统动力源，系统安全 阀的调定压力为3 1 5 m p a ，则泵的恒压调定 值必须低于这个值。否则，恒压泵无法进入 恒压阶段，始终处于定量泵阶段，向系统提 。 u 供最大流量，多余流量以安全阀的调定高压 力溢流，将导致系统很快发热。 rb p 图2 4 恒压泵负载流量与压力关系“ p 1 变量泵的变量机构由二位三通滑阀( 亦称先导阀、变量伺服阀) 、变量液压缸所 构成，变量液压缸与先导阀之间为液压力联系，属于先导液压控制。进入液压缸的控制 油液( 2 级控制油) 来自控制泵，且经由先导阀口的控制。变量液压缸的位移，取决于 长安大学硕士学位论文 来自先导阀的两路控制油( 1 级控制油) 的压差( 0 6 l f8 m p a ) ，改变压差的大小，就 可以无级地调节泵的排量。 2 2 2 电液比例方向阀 泵p l 经此电液比例方向阀控制电液比例马达p m l 的流量和方向。 这里采用的是意大利a t o s 公司生产的1 6 通径的d p z o l 型三位四通先导式高性能 电液比例方向阀，它主要由电一机械转换元件、先导式比例方向阀两部分组成，可根据 输入电信号提供方向控制和无补偿的流量控制。这种高性能电液比例方向阀，是普通型 电液比例阀进一步发展的结果，它的动态和稳态性能指标已达到了传统伺服阀的指标， 其中一些指标甚至超过伺服阀。 d p z o l 型高性能电液比例方向阀具有两个位置传感器。一个在先导阀上，用来检测 先导阀的阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而形成先导级位移电反馈的作用，从而提 高阀的运行可靠性以及优化整阀的动态特性；而另个在主阀阀芯上，用来检测主阀的 阀芯位移，并反馈至比例放大器，从而构成从比例放大器给定信号至主阀芯位移的闭环 位移控制，把比例放大器、电磁铁及先导阀都包含在闭环中了，提高了主阀芯的抗干扰 ( 摩擦力、液动力的变化) 能力，快速、正确地跟踪输入电信号的变化。所以d p z o l 型电液比例阀输入信号以双闭环形式精确地确定了阀芯调节，并且由于具有双传感器， 动态性能高，响应快。 1 电一机械转换元件 高性能电液比例方向阀的电一机转换器采用比例电磁铁。比例控制系统中，比例电 磁铁是个比较重要元件，其作用是将电信号转变为 机械位移或力输出，再通过机械联接控制比例阀。 推力大，结构简单，对油质要求不高，维护方便， 成本低廉，衔铁腔为耐高压结构的比例电磁铁，是 电液比例控制技术中应用最为广泛的电一机械转 换器件。图2 5 所示为典型的耐高压比例电磁 结构。 图2 5 耐高压比例电磁铁结构简图 d p z o l 型电液比例方向阀采用位置调节型比例电磁铁，它只是在上述常用的比例电 磁铁的衔铁的一端接上了位移传感器( 位移传感器的动杆与衔铁固接) ，此传感器即先 导阀上的那个位移传感器，它的衔铁的位置，即e h 其推动的阀心位置，通过先导级位移 一电反馈闭环调节回路进行调节，只要电磁铁运行在允许的工作区域内，其衔铁就保持 与输入电信号相对应的位置不变，而与所受反力无关，即它的负载刚度很大。由于有位 长安大学硬士学位论文 移一电反馈环节，比例电磁铁的滞环和重复误差均较小，作用在衔铁和比例阀阀芯上的 各种干扰力( 如液动力等) 也受到抑制，使比例阀的控制特性得到大幅度提高。另外， 已无需用颤振信号来减小电磁铁的滞环，从而简化了相应比例放大器的结构。 2 先导式比例方向阀 先导式比例方向阎主要用于大流量( 5 0 l m j l 3 以上) 的场合。较常用的是二级阀， 也有三缴阀，三级式的阀主要用于特大流量的场合。本文采用二级比例方向阀为研究对 象。 此处的先导式比例方向阀由一个小型的直动式四位四通比例方向阀和一个液动式比 例方向阀叠加而成，它的阀芯、阀套采用伺服阀加工精度，阀口为零遮盖形式。其中先 导阀为6 通径的d l h z 0 - t 型四位四通直动式高性能电液比例方向阀调节通过主阀阀芯 上的流量和作用力，且带位置反馈。液动式比例方向流量阀作为主阀，为三位四通滑阀结 构，弹簧对中，带位置反馈。d l h z o 型先导阀采用单电磁驱动，按输入电信号的正负实 现流动方向控制。它还有一个普通伺服阀不易实现的附加特性：当阀的电源失效，电磁 铁失电时，由于弹簧的作用，能使阀芯处于一个确定的位置，从而使其四个通口处于固 定的通断形式( 常见的是y 型及0 型功能) ，有效防止了电路故障，保证断电安全性， 这里采用y 型功能。另外，这里主阀中位机能为h 型，四口全串通，活塞处于浮动状态， 在外力作用下可移动。d l h z o - t 型直动式四位四通高性能电液比例方向阀、d p z o - l 型三 位四通先导式高性能电液比例方向阀液压符号如图2 6 a 、图2 - 6 b 所示。 i 一j i 一 1 n t ij 。一 酬二，l j 二；芏毒毫 日j ，一一 i 羔! 墨 酗2 - - 6 a 直动式电液比例方向阀液压符号 图2 6 b 先导式电液比例方向阀液压符号 工作过程中，当先导阀电磁铁输入一正电流信号后，该电磁铁产生与电流大小成比 例的推力，推动先导阀阀芯向右移动，并且通过位移一电反馈通道，使电磁力与弹簧力 最终平衡，使阀心定位在与电信号成正比的位置上。此时，先导阀芯处于平衡状态允 许油液从p 孔流向b 孔、a 孔流向t 孔，且油液进入主阀芯的右侧，推动主阀芯向左移 动，直到同左端弹簧力相平衡为止，这样，主阀芯的左侧便有一对应的开口量，沟通p 与a 的通路，并具有一定的输出流量。如果连续比例地改变输入该电磁铁电流的大小， 主阀将对应连续和比例地输出不同的流量。如果输入电流为负方向，则可以改变主阀芯 的位移方向而控制液流的方向。 1 0 一一 长安夫学硕士学挝谂文 z 2 3 比例放大器 比例放大器根据输入信号调熬供给比例电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为 乍用 于淆阀阏芯上懿力，黻克服弹簧的撵力。窀流漕丈，输出的力槽应增大，络莱压缩复佼 弹簧使阀芯移动。 选嬲与比例阀相酝蠲的e - m e - l - 0 1 型比 铡放夫嚣，它的工彳售电源为2 4 v 。，额定输出 电流为3 a ，输入信号为o i o v 。它与电 液比例闽接线圈如图2 - 7 赝示。 圈中，w 表示篦恻褥跑翻电磁镞插 头，可将比例电磁铁线圈与比例放大器 连接起来：两个s 分别表示比例阉先导 阀插头、主阂插头，遴过它们，离性能 电液比例方向阀的先婷级、主级分别与 比捌放大器搬连，进行位置电反馈，提 高了阙驰动态特性。 2 2 4 电液比例马达 ；￥蕊醚麓诺一j 图2 7 比倒放大嚣与电液托倒阀接线圈 交餐马达采用的楚德国力聚公司的蝎硼1 0 7 e p 2 型弯霉痰结构轴向棱骧式电渡比例 马达，摊量变化范谶大、工作愿力赢可至4 0 m p a ，最大甜 餐为1 0 7 m l r ，转速霹这 4 0 0 0 r m i n ，噪声低，使用寿命长。 为了保证系统孤反薅个方自傲溜，它的变摊繁规构采用的跫一个直动式掰位三通比 俩换向阀控单作用融结构，可戳校据控制信号大小对马达摇激进行调节，焚中院铡方窿 阀是以电一机械转换元件直接驱动功率级阀芯运动的一种结构，调节该阀可实现电液比 例马达期l 排量笼级变化。男辨，马达接量调节枫构中，变量活塞秘 先导阀之间的反馈方式采用位移一力反馈式，剩雳变量活塞的位移，通过弹簧反馈使交 量活察定位。排量调节原理如图2 堪所示。 长安大学硕士学位论文 。i _ 一：一_ 7 + i 可一 + l 一_ _ 】 v f 一_ 1 。 r 户 o _ 一2 j l l ：= 土- 一一一 | _ + 一 图2 - 8 马达的位移一力反馈式 电液比例控制排量调节原理图 2 2 5 其它辅助件 1 二次控制元件d s l 选用德固力士乐原装进口件，a 4 v s g l 2 5 d s l 型轴向柱塞设计二次控制元件，具有极 高的频响特性，可j 下反两方向旋转，具有泵及马达双重功能。试验台上进行阀控马达性 能测试时，二次控制元件作为马达的承载元件。其液压系统原理图如图2 - 9 所示。 b y a l ( ) + v i f ? ：i ij 。l 1 一一一一一一j _ _ _ 一i 一二一一一 j _ _ 图2 - 9 二次单元液压系统原理图 从图中可以看出，二次元件变量机构是一个三位四通比例方向阀( b y a l 0 ) 控双作用 缸结构，调节比例方向阀可实现二次单元排量无级变化。 一_ t 长安大学硕士学位论文 2 加载模块 试验台上加载模块液压原理图 如图2 一l o 所示。图中，比例压力阀 b y a 7 作为压力加载方式调定加载压 力，比例流量阀b y a 8 作为节流加载方 式加载为阀控马达系统调节加载压 力。另外，由单向阀c 9 、c i o 、c i l 、 c 1 2 组成桥式回路，c 1 0 、b y a 8 、c 1 2 组合成连通回路，c 1 1 、b y a 8 、c 9 组合 成换向连通回路。 b y a 8 簋一 一l 一 ，1 ji i 。i ，、 、l、- i ：i c i o 【c l l l 一。一 b y e ? 耵 图2 一1 0 加载模块液压系统图 3 传感器 选用j c z c 型智能转矩转速传感器，它是在原j c 型转矩转速传感器基础上利用美国 l o n w o r k s 技术研制开发的新一代智能型转矩转速传感器，用以测量阀控马达系统液压马 达转动力矩和转速。 j c z c 型智能转矩转速传感器的测量精度等级为0 2 ，额定转矩为1 0 0 0 n i i l ，工作转 速范围为o 4 0 0 0 r m i n 。在超载不大于1 2 0 额定转矩时，仍能保证转矩测量精度；在 短时冲击负载不大于3 0 0 额定转矩时，负载消失后，转矩零点读数变化不大于o 1 。当转速低于6 0 0r m i n 时，为保证测量精度，必须启动传感器顶部的小电动机，并 使电机的旋转方向与弹性轴的转向相反”。 长安大学硕士学位论文 第三章电液比例阀控马达速度控制系统数学模型 电液比例控制系统数学模型的建立是系统进行动态分析的基础，系统数学模型是系 统中各组件的数学模型的组合。电液比例阀控马达速度控制系统由比例放大器、高性能 电液比例方向阀、液压马达、速度传感器及负载构成。首先分析系统各环节动态数学模 型。 3 1 系统数学模型的建立 3 1 1 比例放大器传递函数 高性能电液比例换向阀是电流控制型元件，其比例电磁铁及线圈具有比较大的感 抗，比例阀的驱动电路一比例放大器通常为高输出阻抗的电压一电流转换器，其频带比 液压固有频率宽的多，在研究频率范围内，通常可视为放大环节，即 足：盟 ( 3 1 ) ” 【，0 ) 式中 i ( s ) 一 比例放大器输出电流( a ) ； u ( s ) 一误差电压( v ) ； k 一 比例放大器增益( a v ) 。 3 1 2 高性能电液比例方向阀传递函数 这里采用的先导式比例方向阀的作用原理，即先导滑阀控制液动式主滑阀的作用情 况，极类似于三位四通阀控制对称液压缸的作用原理。只是它比一般的阀控液压缸更为 复杂，是一个复杂的闭环系统，它的实际动态响应既不是典型的惯性环节，也不是典型 的振荡环节，其传递函数的简化要视具体情况而定。若将它简化为二阶振荡环节，则可 知比例阀传递函数为： g ：盟： ，( j ) + 堑+ 1 国：m ， 式中q ( s ) 一电液比例阀在稳态工作点附近流量( d s ) ； k 。一电液比例阁在稳态工作点附近流量增益( m 3 s a ) 国。一电液比例阀的等效无阻尼自振频率( r a d s ) ； f 。一电液比例阀的等效阻尼系数，无量纲； s 一拉普拉斯算子。 1 4 ( 3 2 ) 一 堡窒查兰堡主兰垡丝墨 3 1 3 阀控液压马达动力机构传递函数 由电液比例方向阀、液压马达和负载组成的液压动力机构对系统的品质好坏有很大 影响，因此确定阀控马达动力机构的数学模型是分析整个系统的前提。 首先假设： ( 1 ) 比例阀和液压马达之间的连接管道很短，可以忽略管道中的压力损失和管道动 态的影响： ( 2 ) 液压马达的内外泄漏流动状态为层流，马达的壳体压力为大气压，忽略低压腔 的壳体的外泄漏，每个腔室的压力是均匀相等的，液流的密度和温度均为常数： ( 3 ) 比例阀为理想零开口四通滑阀，节流窗口匹配且对称，且滑阀具有理想的动态 特性： ( 4 ) 油源供油压力恒定，回油压力为零； ( 5 ) 工作油液的体积弹性模量为恒值。 在上述假设条件下可列出三个动态方程： 1 电液比例阀的线性化流量方程 q = k 。x ，一k 。p ( 3 - - 3 ) 式中 q 。一 电液比例阀的负载流量( m 3 s ) ： x 。 一 比例阀阀芯位移( m ) ： k ，一比例阀流量一压力系数( m 5 n s ) ； p 。一负载压力( p a ) 。 对式( 3 - 3 ) 进行拉氏变换 q ( s ) = 。，( s ) 一k ，( s ) ( 3 - - 4 ) 2 液压马达的流量连续性方程 铲。鲁峨 菩( 3 - - 5 ) 式中d ，一液压马达的弧度排量( m 3 r a d ) ： 0 ，一液压马达角位移( r a d ) ： 一液压马达的总泄漏系数( m 狐s ) ，q = + 去e ； ( 其中c 。，e 。分别为马达的内、外泄漏系数) r 一液压马达、比例阀腔及连接管道总容积( m 3 ) ； 篓窒查兰堡主兰堡堡苎 尻一工作油液的有效体积弹性模量( p a ) 。 对式( 3 - - 5 ) 作拉氏变换 q 。) _ 厶蹦。+ 以j e o h 叱。) ( 3 - - 6 ) 3 马达轴上的力矩平衡方程 忽略静摩擦、库仑摩擦等非线性和油液的质量，根据牛顿第一- - 正, 1 手z u j 侍z 习蛤, 十 瓤 的力矩平衡方程为： 即。吐等也等棚。+ 瓦( 3 - - 7 ) 式中j ，一液压马达和负载( 折算到马达轴上) 的总转动惯量( k g m 2 ) ； b 。一粘性阻尼系数( n 。m s ) ： g 负载扭转弹簧刚度( n m r a d ) ： r 一作用在马达轴上的外负载力矩( n m ) 。 对式( 3 - - 7 ) 作拉氏变换 d 。只( s ) = ( ，s2 + b 。s + g ) o 。( s ) + r a s ) ( 3 8 ) 4 ，阀控马达动力机构传递函数 联立式( 3 - - 4 ) 、( 3 6 ) 、( 3 - - 8 ) 可得阀芯位移和外负载干扰同时作用于马达的总 输出角位移 巳( s ) 式中 k 。一总流量一压力系数，k 。= k ，+ c 。( m 5 n s ) 。 ( 3 9 ) 又通常情况下警“1 ，则式( 3 - - 9 ) 可简化为“2 】 啪，：瓮璧娑伊 国：万 1 6 匿珑 一 季 。一铒 趣嘧 一炉 专匿珑 竺耻 生手硒 一加 工仰 长安大学硕士学位论文 通常负载粘性阻尼系数b ，很小，则式中 旷栅糨= 脬，c r 铲一砒一每庠一纲。 又系统稳态工作点附近流量q = k 。x ，则由式( 3 - - l o ) 可得马达输出角位移对流 量、外负载的传递函数分别为： 0 ，( s ) q ( s ) 怒：慧s 2 沪 臼，o ) 一d ：、 4 殷k ! r 1 一”、 瓦( s ) s f 一+ 堑s + 1 1 盟：堡 ( 3 1 3 ) q ( s ) + 堑。+ 1 躲：孥d4 謦i l k 沪占。( “一 。“ r 1 一 凡( 川 一s2 + 堑j + 1 令式( 3 - - 1 4 ) 中可k ( 1 + 去萨巧 k ，：盟 ( 3 1 5 ) k ，一速度传感器的增益( v 。s r a d ) a 击甭 长安大学硕士学位论文 达电液速度控制系统传递函数方框图，如图3 1 所示 图3 一l电液比例阀控马达速度控制系统传递函数方框图 3 2 负载的等效处理 阀控马达系统中弹性负载可忽略不计，这里主要考虑惯性负载和外负载力矩。 1 惯性负载 包括液压马达转动惯量，和外负载二次元件转动惯量以，又马达和负载直接相连， 所以马达和负载折算到马达轴上的总惯量：j ，= j 。+ ，。 2 外负载力矩 由加载模块调定加载压力，使承载元件二次元件产生一定量转动力矩，即外负载力 矩t 。 3 3 系统传递函数参数确定 1 比例放大器增益k 。 这罩采用与电液比例方向阀配套使用的e - m e l 一0 1 型比例放大器 额定输入值为u 。= l o ( v ) ，额定输出电流为。= 3 a ，所以有 弘彘= 云一o ，矿， 2 电液比例阀稳态工作点流量增益茁。 其误差电压 ( 3 1 6 ) 从所用d p z o l 2 7 0 型电液比例阀流量特性曲线图3 - - 2 可以得出：阀压降 p 为1 叻口，时，阀额定流量q 。为2 0 0 l m i n 。 长安大学硕士学位论文 发空载时阀额定流量为q 。，又供油压力为3 15 m p a ，则可得 ，3 1 5 ：型，二尝= 1 8 7 。1 02 m3 s ( 3 - - 1 7 ) 掣 6 01 0 1 0 1 一 7 义知阀额定电流为，= 1 0 m a ，则有电液比例阀空载稳定工作点附近流量增益为 k 。：盟：! ：! ! ! ! ! ：l8 7 m ，s 爿 ( 3 一1 8 ) “ 1 1 0 x 1 0 邗| 、 遵二。 一 ；刚 二 删 堰 4 i i 杉 嘣 0 f _ _ | 一e ；一t p 一三。，。岛 一t ， 7 t - 。i。l 。joj=l1 u 行程【最大值的】 r r t r r 一1 1 r i1 j4“矗1 1 输八信号【| 一】 图3 2电液比例阀流量特性曲线。 3 电液比例阀压力一流量系数k ， 从所用d p z o l 2 7 0 型电液比例阀压力一流黾特性曲线图3 3 可以得出 ：f 0 5 0 0 = ? j u 蔓 n n 。二 刚 摧1lj 5 0 _ _ _ ， ， ， i i j b 土 ，j 。【，弧7 n1l ! r _ n3 l 阀压降【b 。r 】 图3 3 电液比例阀压力一流量特性曲线 1 9 长安大学硕士学位论文 弘一署2 器一s m ”心 4 其它参数 由液压试验台资料及液压手册可查得下列参数。 阀固有频率 ，= 6 0 h z = 3 7 7 r a d s 阀阻尼比 f 。= o 7 0 液压马达参数 ( 3 1 9 ) 旷= 3 9 x 1 0 。4 m 疋= 6 9 1 0 8 p a c 。= l a x l 0 2 m5 n s c 。= 1 3 x1 0 一”5 n s 卟m 删芝# m 3 ，m d = 1 7 0 3 1 0 - 5 m3 m d j 。= o 0 1 6 7 k g m 2 一。= 4 。o o r m i n = 兰旦竺：；三竺阳d i s = 4 1 8 9 m d s 负载转动惯量 j 。= 0 0 2 堙m 2 速度传感器增益k ，= 0 2 1 v s r a d 5 计算 由以上已知参数可计算出 k c e = k ? + c 。= kc + c 。+ c 。 ：8 3 1 0 1 2 + 1 4 1 0 一1 2 + i x l 3 1 0 1 2 2 = 1 0 ，3 5 1 0 1 2 m5 n s 弘每”去s ， = 器7 0 31 0 叶丽469蒜10103 51 0 s ， f 1 一3 1 2 8 一1 2 7 = 0 0 3 6 ( 1 + o 0 13 7 s 1 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 驴j 簪= 器虬粥枷瑙6 s 长安大学硕士学位论文 弘每j 等= 篙等6 9 x l o sx 竽- o “2 瓦1 t2 而丽刮1 5 5 j ，= j 。+ ，= 0 0 1 6 7 + 0 0 2 = 0 0 3 6 7 姆m 2 于是，