（机械电子工程专业论文）变转速泵控马达调速系统关键技术研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y k e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nv a r i a b l e s p e e d p u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n gs y s t e m c a n d i d a t e y u e n a n g e n g s u p e r v i s o r p e n g t i a n h a op r o f e s s o r m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 s h u n g e n gr o a d h u a i n a n 2 3 2 0 01 p r c h i n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得羔 邀理王态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意 学位论文作者签名 丞盘重日期 z 监年型月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼垄王太堂 有保留 使用学位论文 的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮理王太堂 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位豁文作者签名 乐角更 签字日期 2o l z 印6 月竹日 毒懒 彩旅爷鳓删 舶 摘要 摘要 变转速泵控马达调速技术相对于传统的液压调速技术能够进一步提高系统的 效率 实现节能 因而逐渐地得到了人们的重视并被广泛地应用 与此同时 变 转速泵控马达调速技术也存在一些问题 如速度刚性差 抗负载干扰能力弱 位 置跟踪效果差等 为了进一步完善变转速泵控马达调速技术 拓宽其应用范围 本文对变转速泵控马达调速系统中存在的上述问题进行了研究 并对其解决方法 进行了探索 本文介绍了传统液压调速回路和传统节能型液压回路的基本形式和特点 对 变频液压技术的国内外研究现状进行了阐述 对变转速泵控马达调速系统存在的 问题进行了理论分析 并针对系统转速降落和马达角位移控制分别提出了开环转 速降落补偿方法和闭环p i d 控制方法 在a m e s i m 软件中搭建完成了变转速泵控 马达调速系统的仿真模型 并在验证转速降落补偿方法时分别进行了恒负载 交 负载 变转速工况的仿真分析 在验证马达角位移控制效果时进行了开环控制 闭环p i d 控制的仿真分析 基于虚拟仪器技术完成了转速降落补偿测控系统和位 置控制测控系统的开发 并对系统中使用的数据采集模块 数据分析处理模块 数据输出模块进行了阐述 将开发出的测控系统应用到变转速泵控马达调速系统 上 完成了转速降落补偿情况时的恒负载 变负载 变转速工况试验研究以及马 达角位移控制时的开环控制 闭环p i d 控制试验研究 上述仿真分析和试验验证的结果表明 本文提出的转速降落补偿方法能够在 恒负载 变负载 变转速工况下很好的实现转速降落补偿 系统采用闭环p i d 控 制时的马达角位移跟踪效果明显好于开环时的跟踪效果 图 8 6 表 7 参 5 8 关键词 泵控马达 转速降落补偿 角位移控制 a m e s i m l a b v i e w 分类号 t h l 3 7 a b s 仃a c t v a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n gt e c h n o l o g yc a l lp r o m o t es y s t e m e f f i c i e n c ya n dr e a l i z ee n e r g y s a v i n ga sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e r n i n g t e c h n o l o g y a n dg r a d u a l l yg e tp e o p l e sa t t e n t i o na n di sw i d e l yu s e d a tt h es a m et i m e t h e r ea r ea l s os o m ep r o b l e m si n v a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n g t e c h n o l o g y s u c ha s l o ws p e e ds t i f f n e s s w e a ka n t il o a di n t e r f e r e n c ea b i l i t y w e a k p o s i t i o n t r a c k i n ga b i l i t y e t c t h ea b o v ep r o b l e m sa r ea n a l y z e da n dt h e r e l a t e d s o l u t i o n sa r er e s e a r c h e di no r d e rt op r o m o t et h et e c h n o l o g ya n d e n l a r g ei t sa p p l i c a t i o n s c o p e b a s i cf o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e r n i n gc i r c u i ta n d t h et r a d i t i o n a le n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cc i r c u i ta r ei n t r o d u c e d a n dt h er e s e a r c hs t a t u sa t h o m ea n da b r o a do f f r e q u e n c yh y d r a u l i ct e c h n o l o g yh a sb e e ne l a b o r a t e d t h et h e o r y a n a l y s i sa b o u tt h ep r o b l e m si nv a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e m i n gs y s t e m h a sb e e nc a r r i e do u t a n dt h eo p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nm e t h o da n dt h e c l o s e d l o o pp i dc o n t r o lm e t h o da r ep r o p o s e df o rs y s t e ms p e e dl o s sa n dm o t o ra n g u l a r d i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1 s i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e di na m e s i m t h e s i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rc o n s t a n tl o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e da r ec a r r i e d o u ti no r d e rt ot e s t i f yt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d a n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i su n d e r o p e n l o o pc o n t r o la n dc l o s e d l o o pp i dc o n t r o la r ec a r r i e do u ti no r d e rt ov a l i d a t et h e c o n t r o le f f e c to fm o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n t t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m so f s p e e dl o s sc o m p e n s a t i o na n dm o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o lb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r ee s t a b l i s h e d a n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e d a t aa n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t ao u t p u tm o d u l ea r ee l a b o r a t e d t h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m sa r ea p p l i e dt ot h ev a r i a b l e s p e e d p u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n g s y s t e m t h e nt h er e l a t e de x p e r i m e n t so fs p e e dl o s sc o m p e n s a t i o na l ec a r r i e do u tu n d e r c o n s t a n ti o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e d a n dt h er e l a t e de x p e r i m e n t so fm o t o r a n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o la r ec a r r i e do u tu n d e ro p e n l o o pc o n t r o la n dc l o s e d l o o p p i dc o n t r 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es p e e dl o s s c o m p e n s a t i o nm e t h o dc a nw e l lr e a l i z et h es p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nu n d e rc o n s t a n t l o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e d a n dt h ee f f e c to fc l o s e d l o o pp i dc o n t r o lo f 摘要 m o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n ti ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h a to fo p e n l o o pc o n t r 0 1 f i g u r e 8 6 t a b l e 7 7 r e f e r e n c e 5 8 k e y w o r d s p u m p c o n t r o l m o t o r s p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n a n g u l a rd i s p l a e e m e n t c o n t r o l a m e s i m l a b v i e w c h i n e s eb o o k sc a t a l o g t h l3 7 i i i 安徽理工大学硕士学位论文 一i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 引言 1 1 绪论 3 1 1 课题研究背景 3 1 1 1 传统液压调速回路 3 1 1 2 传统节能型液压回路 5 1 1 3 变转速液压技术 6 1 2 课题主要工作与研究意义 9 1 2 1 课题来源与主要工作 9 1 2 2 课题研究意义 9 1 3 本章小结 1 0 2 变转速液压试验系统 11 2 1 变转速液压试验系统工作原理 1 1 2 2 变转速液压试验系统组成 1 2 2 2 1 液压元件部分 1 2 2 2 2 电气装置部分 1 5 2 3 变转速液压测控系统介绍 1 7 2 3 1 变转速液压测控系统相关硬件介绍 1 7 2 3 2 虚拟仪器技术介绍 2 0 2 4 本章小结 2 1 3 系统转速降落开环补偿方法及仿真分析 2 3 3 1 系统转速降落原因和开环补偿方法 2 3 3 1 1 系统转速降落原因 2 3 3 1 2 转速降落开环补偿方法 2 3 3 1 3 转速降落补偿系数的确定 j 2 4 3 2 基于a m e s i m 的系统仿真模型 2 6 3 2 1a m e s i m 简介 2 7 一v 一 安徽理工大学硕士学位论文 3 2 2 系统仿真模型 2 7 3 3 转速降落补偿仿真分析 2 9 3 3 1 恒负载工况补偿仿真分析 2 9 3 3 2 变负载工况补偿仿真分析 31 3 3 3 变转速工况补偿仿真分析 3 4 3 4 本章小结 3 6 4 系统转速降落开环补偿方法试验研究 3 7 4 1 转速降落补偿测控系统介绍 3 7 4 1 1 测控系统概述 3 7 4 1 2 数据采集模块 3 8 4 1 3 数据分析处理模块 4 1 4 1 4 数据输出模块 4 2 4 2 转速降落补偿试验研究 4 3 4 2 1 恒负载情况补偿试验研究 4 4 4 2 2 变负载情况补偿试验研究 4 6 4 2 3 变转速情况补偿试验研究 4 9 4 3 本章小结 51 5 变转速泵控马达系统位置控制仿真分析及试验研究 5 3 5 1 泵控马达系统位置控制仿真分析 5 3 5 1 1 系统开环位置控制仿真分析 5 3 5 1 2 系统闭环位置控制仿真分析 5 7 5 2 泵控马达系统位置控制试验研究 5 9 5 2 1 位置控制测控系统介绍 5 9 5 2 2 泵控马达系统开环位置控制试验研究 6 1 5 2 3 泵控马达系统闭环位置控制试验研究 6 4 5 3 本章小结 6 5 6 总结与展望 6 7 6 1 全文总结 6 7 6 2 展望 6 8 目录 参考文献 6 9 致谢 7 3 作者简介及读研期间主要科研成果 7 5 一v i i 安徽理工大学硕士学位论文 c o n t e n t s i n t r o d u c t i o n 1 1e x o r d i u m 1 1 b a c k g r o u n d 1 1 1t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e m i n gc i r c u i t 3 1 1 2t r a d i t i o n a le n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cc i r c u i t 5 1 1 3v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y 6 1 2m a i nc o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c e 9 1 2 1s o u r c ea n dm a i nc o n t e n t 9 1 2 2 s i g n i f i c a n c e 9 1 3 b r i e f s u m m a r y 1 0 2v a r i a b l es p e e d h y d r a u l i ce x p e r i m e n ts y s t e m 11 2 1 o p e r a t i o np r i n c i p l e 1 1 2 2 c o m p o s i t i o n 1 2 2 2 1 h y d r a u l i cc o m p o n e n t s 1 2 2 2 2e l e c t r i c a ld e v i c e s 1 5 2 3i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 17 2 3 1i n t r o d u c t i o no f r e l a t e dh a r d w a r e 17 2 3 2i n t r o d u c t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 2 0 2 4 b r i e f s u m m a r y 2 1 3 o p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n m e t h o da n ds i m u l a t i o na n a l y s i s 2 3 3 1 s p e e dl o s sr e a s o n sa n do p e n l o o pc o m p e n s a t i o nm e t h o d 2 3 3 1 1 s p e e dl o s sr e a s o n s 2 3 3 1 2 o p e n l o o pc o m p e n s a t i o nm e t h o d 2 3 3 1 3d e t e r m i n a t i o no fc o m p e n s a t i o nc o e f f i c i e n t s 2 4 3 2s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do na m e s i m 2 6 3 2 1i n t r o d u c t i o no f a m e s i m 2 7 v i i i 目录 3 2 2 s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l 2 7 3 3s i m u l a t i o na n a l y s i so fs p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n 2 9 3 3 1 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e r c o n s t a n tl o a d 2 9 3 3 2 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rv a r i a b l el o a d 3 1 3 3 3 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rv a r i a b l es p e e d 3 4 3 4 b r i e f s u m m a r y 3 6 4 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f o p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nm e t h o d 3 7 4 1i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 3 7 4 1 1m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo v e r v i e w 3 7 4 1 2d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 3 8 4 1 3d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm o d u l e 4 1 4 1 4d a t ao u t p u tm o d u l e 4 2 4 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs p e e d l o s sc o m p e n s a t i o n 4 3 4 2 1 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rc o n s t a n tl o a d 4 4 4 2 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e r v a r i a b l el o a d 4 6 4 2 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rv a r i a b l es p e e d 4 9 4 3 b r i e f s u m m a r y 5 1 5s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f p o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1s i m u l a t i o na n a l y s i so f p o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1 1 s i m u l a t i o na n a l y s i so f o p e n l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1 2s i m u l a t i o na n a l y s i so f c l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 5 7 5 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f p o s i t i o nc o n t r o l 5 9 5 2 1i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 5 9 5 2 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f o p e n l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 6 1 5 2 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 6 4 5 3b r i e fs u m m a r y 6 5 6s u m m a r ya n dp r o s p e c t 6 7 6 1f u l l t e x ts u m m a r y 6 7 6 2 p r o s p e c t 6 8 i x 安徽理工大学硕士学位论文 c o m p l i m e n t 7 3 r e s u m eo f a u t h o ra n dt h em a j o rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 7 5 一x 一 引言 引言 变频液压动力传动系统是一种新型节能传动方式 能够取得良好的节能效果 提高系统整机效率 这在一定程度上满足了人们对传动系统的要求 因而正在被 广泛的应用于各个领域 变转速泵控马达调速系统是变频液压动力传动系统的一 种基本应用形式 其相对于传统的液压调速系统具有一定的优势 但是在系统运 行过程中 由于系统泄漏 电机机械特性等因素的影响 使其仍存在速度刚性差 抗负载干扰能力弱 位置跟踪效果不理想等问题 这在一定程度上也阻碍了其推 广使用 因此还需要继续对变转速泵控马达调速系统的相关问题进行进一步的研 究 本文对变转速泵控马达调速系统速度刚性差 位置跟踪效果不理想的问题进 行了探索 提出了相应的解决方法 之后利用计算机仿真技术建立了系统的仿真 模型 进行了仿真分析 同时借助于虚拟仪器技术完成了试验平台的测控系统 进行了相关的试验 从而验证所提出方法的可行性和正确性 得出了相关的结论 为后续变转速泵控马达调速系统相关问题的研究提供了一定的参考依据 安徽理工大学硕士学位论文 2 一 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 传统液压调速回路 1绪论 现代液压系统通常都是多功能的复合系统 不管它是多么的复杂 其基本组 成始终都是若干个具有不同基本功能的液压回路 液压回路内容极为丰富 据不 完全统计 有上千种之多 l 液压调速回路由于其自身的优点 如较大的调速范 围 较大的输出力或者转矩 结构简单 使用维护方便等而成为液压回路中的重 要组成部分 且在众多领域中得到了广泛的应用 在传统的液压调速回路中 根 据调节执行元件速度方式的不同 可以将液压调速回路分为节流调速回路 容积 调速回路和容积节流调速回路三类 1 节流调速回路 节流调速回路主要是由执行元件 溢流阀 流量控制阀和定量泵等组成 通 过调节流量控制阀的开度来调节执行元件的输入输出流量 从而达到调节执行元 件速度的目的 该种调速方式运行可靠 结构简单 成本较低 维护使用方便 响应快 精度高 调速范围大 但是当系统在低速或减速情况下运行时 由于定 量泵的输出流量不变 多余的流量只能通过溢流阀溢流 再加上液压油流过控制 阀组时产生节流损失 使得系统的发热大 效率较低 能量损失大 此外其负载 特性较差 因此节流调速系统一般多用于功率不大 负载变化不大的液压系统 2 3 1 如机床液压系统 根据回路中流量控制阀布置的位置不同 可以将节流调速回路分为进油节流 调速回路 回油节流调速回路 旁路节流调速回路 复合节流调速回路 如图l 一4 分别为上述几种回路的原理图 通过以下几个方面对比它们各自的回路特点 1 负载特性 进油 回油节流调速在低速情况下速度刚性较好 在负载变化 的情况下 负载小时比负载大时速度刚性好 旁路节流调速在节流阀通流面积越 小时 其速度刚性越好 在负载变化的情况下 负载越大速度刚性越好 2 调节特性 进油 回油节流调速执行元件的速度正比于节流阀通流面积 速度调节特性在负载小时好于负载大时 旁路节流调速执行元件的速度随节流阀 通流面积的增加而迅速减小 速度调节特性在负载小时好于负载大时 3 功率特性 进油 回油节流调速的回路效率随着节流阀通流面积的增大 负载的增大而增大 在低速 轻载时效率低 旁路节流调速的回路效率随着节流 3 一 安徽理工大学硕士学位论文 阀通流面积的减小 负载的减小而增大 在负载和速度相同的条件下 其回路效 率要高于进油 回油节流调速的回路效率 4 承载能力 进油 回油节流调速在溢流阀压力调定时其最大承载能力为定 值 旁路节流调速的最大承载能力随着节流阀通流面积的增大而减小 只有当执 行元件高速运行时 其最大承载能力才能达到溢流阀设定的极限值 5 1 速度平稳性 进油 旁路节流调速在没有背压阀时 运动平稳性差 回油 节流调速有背压阀 可以有效的防止空气从回油路吸入系统 运动平稳性好 6 启动特性 进油节流调速在启动时调小节流阀可以避免启动冲击 回油 旁路节流调速由于在启动时背压不能立即建立 而存在启动冲击 v f 图1 进油节流调速回路 f i g 1 m e t e r i nt h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t 图3 旁路节流调速回路 f i g 3b y p a s st h r o t t l eg o v e m i n gc i r c u i t 图2 回油节流调速回路 f i g 2 m e t e r o u tt h r o t t l eg o v e m i n gc i r c u i t 图4 复合节流调速回路 f i g 4m u l t i t h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t 通过以上回路特点的分析可知 节流调速回路都存在执行元件的速度随负载 变化而变化的问题 因此在对速度稳定性要求较高的系统中 需要用调速阀代替 普通节流阀以提高执行元件的速度稳定性 此外 回油节流调速回路一般不单独 i 绪论 使用 通常都是和进油节流调速回路联合使用 从而构成复合节流调速回路 该 种调速回路可以综合两者的优点 而避免两者的不足 2 容积调速回路 在液压系统中通过改变液压泵或者液压马达的排量来改变执行元件速度的回 路称为容积调速回路 在这种调速回路中液压泵和液压马达两者之间至少要有一 个为变量元件 从而可以构成三种回路形式 即变量泵定量马达调速回路 定量 泵变量马达调速回路 变量泵变量马达调速回路 容积调速回路通过不断的调节 液压泵 马达的排量使系统供应流量与执行元件负载流量相适应 这样便避免了溢 流损失 提高了系统的效率 且不易发热 适用于高速 大功率调速系统 4 此 外 容积调速回路还具有良好的动静态特性 适应性强等特点 该类型调速回路的缺点在于需要一套比较复杂的变排量控制机构和高品质的 传动介质 电机的转速固定 系统处于小流量时仍在高速运转 加剧磨损 电机 的效率随着负载而变化 轻载时的效率很低 且变量泵的噪声比定量泵大 5 j 3 容积节流调速回路 在液压系统中利用流量控制阀和特定的变量泵共同作用来实现执行元件速度 控制的回路称作容积节流调速回路 该种调速回路的执行元件多为液压缸 广泛 应用于机床液压系统 其形式主要有两种 限压变量泵一调速阀调速回路和差压 变量泵一节流阀调速回路 l 在容积节流调速回路中 变量泵的输出流量和系统 中执行元件所需的负载流量相适应 没有溢流损失 故效率高 此外该种回路速 度调节方便 低速稳定性好 但是执行元件的速度受负载影响大 1 1 2 传统节能型液压回路 在液压系统的动力传递过程中 由于机械能和液压能的损失 系统效率较低 因此在液压系统的设计过程中人们总是想方设法的提高系统的效率实现节能 在 传统节能型液压回路的设计过程中主要是从两个方面来考虑 减小液压元件的功 率消耗和降低液压回路的功率损失 通过减小液压元件的功率消耗来提高其功率 效率 这一方法前人已经进行过大量的研究工作 要想再提高元件的功率效率是 很困难的网 此外提高液压元件的功率效率对整个液压系统的效率而言作用并不 大 另一方法是设计合理的液压回路以尽量减小回路中的压力损失和流量损失 从而提高整个系统的效率 如功率适应回路 压力适应回路 流量适应回路以及 各种形式的容积控制回路 另外还可以通过回收系统中的制动能来实现节能 但是上述的节能型液压回路多数都需要比较复杂的变量机构 系统的组成元 安徽理工大学硕士学位论文 件多 对元件和传动介质的要求高 故障率高 维护不便 此外在液压回路设计 过程中 是以工作环境中最大的负载情况来选择电机 但是系统在实际运行时 通常都是欠负载运行 电机效率不高 因此 为了提高液压系统的整机功率效率 在系统的设计过程中 应当把电机和整个系统的动力传动链都考虑在内 实现系 统提供的功率与负载需要的功率相适应 从而达到节能的目的 也就是液压动力 传动系统的全局负载敏感和全局功率匹配 5 j 1 1 3 变转速液压技术 1 变频调速技术 电机变频调速技术是电力电子技术在电力拖动领域中的应用 在早些时期 针对交流电机虽然已经确定了多种调速方案 但是由于控制方法和电力变换技术 的限制 而得不到大范围的推广应用 直到电机矢量控制方法的成功实现 电机 变频调速技术才得到快速的发展 此外 伴随着微电子技术和电力电子技术的快 速发展 变频调速装置的性能得到了进一步的完善 其调速性能差的问题也得到 了有效的解决 变频调速装置通常是由整流器 逆变器 中间直流环节 控制电路四部分组 成 其主要功能是通过交流一直流一交流的变换方式将5 0 h z 的工业用电转变为 频率可调的电源 驱动异步电机 在交流传动中 三相鼠笼式异步电机因运行可 靠 结构简单 成本低等优点而得到了广泛应用 电机转速如下式 7 1 2 6 0 石 1 一s m p 1 1 式中 n 广异步电机实际转速 r m i n f 1 电源频率 h z s 一电机转差率 m 电机极对数 由 1 1 式可知 对于成品的异步电机 其转差率基本不变 电机极对数为确 定值 则异步电机的实际转速与输入电源频率成正比 因此利用变频调速装置变 换后的频率可调的电源驱动异步电机便能达到调速的目的 但是与此同时 需要 调节异步电机定子的供电电压以维持电机磁通量的恒定 从而保证电机的最大转 矩在调速时不变 这也就是交流变频技术控制方式中的恒压频比控制 交流变频 技术的另外三种控制方式为直接转矩控制 转差频率控制和矢量控制 8 9 1 0 2 变转速液压技术 1 绪论 变频液压动力传动系统是一种新型节能传动方式 能够取得良好的节能效果 提高系统整机效率 1 1 1 2 其中利用交流变频调速电机驱动定量泵构成的液压回路 与传统的液压调速回路相比具有很多优势 如用定量泵取代变量泵而构成变频器 普通电机 定量泵的形式 这样既可以省去变量泵复杂的变排量机构而简化系 统 又可以大大降低系统的噪声 此外还可以拓宽系统的调速范围和达到更好的 节能效果等 l 引 正因为变频液压动力传动系统的这些优点 从2 0 世纪8 0 年代开始 国内外 学者便开始对这项技术进行了研究 并取得了一定的成果 1 9 8 8 年至1 9 9 1 年 k a z u on a k a n o 和y u t a k at a n a k a 提出了带蓄能器的变频驱动液压系统的恒压控制 方案 对该系统的特性进行了分析 并做了相关的性能测试 1 4 1 5 16 之后 在1 9 9 5 年 y u t a k at a n a k a 等人对不同类型的电机和液压泵相互组合构成的几种液压回路 普通电机驱动定量泵 普通电机驱动变量泵 变频电机驱动定量泵 变频电机驱 动变量泵 进行了节能效果及动态特性的对比试验研裂1 7 1 同一年 w hh w 等 学者对泵控马达和变频驱动泵控马达进行了基于模型的极点配置自调整自适应控 制仿真和试验研究1 1 8 1 其试验装置如图5 所示 另外 在1 9 9 6 年到2 0 0 1 年这几 年间 h e l d u s e r s 等人和n e u b e r t t h 等人都分别对普通电机驱动变量泵系统和变 频电机驱动定量泵系统的效率情况进行了对比研究 1 9 捌 其研究结果表明 在无 负载或中等负载时变频电机驱动定量泵系统比普通电机驱动变量泵系统的效率要 高 其中在无负载的情况下体现的更为明显 但是在满负载情况下 两种液压系 统的效率很接近 图5w uh 一w 的试验装置 f i g 5 w uh w se x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 对变频驱动液压技术的研究 其最终的目的在于将其应用到工程实际中 该 一7 安徽理工大学硕士学位论文 项技术首先被应用到液压电梯领域 日本三菱公司开创了将变频驱动技术应用于 液压电梯的先例 1 9 8 6 年 三菱公司在美国申请了变频驱动液压电梯的专利l 2 l j 在其专利文献中 提出了将检测到的电机实际转速和给定转速进行对比 并将其 差值信号作为变频器的输入信号 实现对电机和液压泵转速的调节 从而完成对 液压系统流量的调节 之后 该公司在9 0 年代初成形变频液压电梯产品并推向市 场 紧跟其后的是德国的l e i s t r i t za g 公司和瑞士的b e r i n g e r 公司 他们在9 0 年 代末也将自己的变频驱动液压电梯产品推向了市场 其中 l e i s t r i t z a g 公司是将 变频驱动技术和活塞缸带配重系统结合使用来实现变频液压电梯的控制 2 2 而 b e r i n g e r 公司则是将变频和阀控技术结合起来实现变频液压电梯的控制四j 另外 变频驱动液压技术还可应用在飞机 注塑机 汽车的液压转向系统等 方面 文献 2 4 指出在飞机中使用变频驱动液压泵可以取得明显的节能效果 文 献 2 5 分析了新一代注塑机的两种变频驱动方案 并指出今后变频驱动注塑机的 一个主要研究方向是提高系统的响应速度 文献 2 6 分析了汽车液压转向系统的 节能途径 并指出变频驱动的液压转向系统是一种有前景的节能型转向系统 在国内 对变频驱动液压技术的研究主要是在液压电梯和注塑机两个领域 文献f 2 7 1 研究的变频驱动液压电梯 在上下行程中均采用变频容积调速 并且在 下行时能够向电网回馈电能 同阀控液压电梯相比 节能率可以达到4 0 左右 文献 2 8 研究了带蓄能器的变频驱动液压电梯 其主要原理是将电梯轿厢下行时 自重产生的机械能转换成压力能存储在蓄能器中 当电梯上行时储存在蓄能器中 的压力能便可以为电梯提供辅助动力 该种控制系统可以很大程度的降低系统的 装机功率 达到节能的目的 文献 2 9 对采用闭式油路的变频液压电梯进行了能 耗特性分析 分析结果表明 在电梯轿厢处于某一特定工况下时 该系统相对于 典型液压电梯系统节能效果显著 总效率可以提高到7 0 宁波华液机械制造有 限公司对变频与比例复合调速系统进行了试验研究 并获得了发明专利 3 0 此项 发明技术既降低了能耗 又使系统具有良好的控制性能 之后该公司和浙江大学 机械电子控制工程研究所合作将该项发明技术应用于注塑机的控制系统中 研制 出注塑机变频控制装置 该装置将电液比例控制技术和变频技术有效的集成在一 起 取得了实用性成果 通过专家鉴定 该装置的综合性能指标达到了国际先进 水平阻j 文献 3 2 介绍了变频液压技术在注塑机中的应用和发展 总结出该项技 术在注塑机中应用的优点 高效节能 调速范围增大 注塑机工艺过程运行模式 容易实现 提高了系统的寿命和可靠性 实现软起动等 此外 文献 3 3 3 4 论述了在传统的电液变转速控制系统中加入一种能量调节 1 绪论 装置 并以液压缸位置控制系统为对象 进行了系统响应速度和能耗特性仿真分 析 结果表明 加入能量调节装置后的控制系统具有很好的频率特性 且能够保 持原来控制系统的良好节能特点 文献 3 5 介绍了将变频调速和阀控节流调速结 合使用的复合调速方法 分析和试验表明 在相同工况下 变转速节流复合调速 系统相对阀控调速系统更加节能 以上文献讨论的变频驱动液压控制系统包括了变频器 电机和液压系统多个 环节 因此系统存在比较大的惯性 死区及非线性 增加了系统的控制难度 对 此 许多研究者将智能控制算法应用到变频驱动液压控制系统中 文献 3 6 3 7 3 8 论述了液压电梯和变频驱动液压电梯控制系统的智能控制方法与策略 文献 3 9 4 0 对模糊控制技术在变转速节流复合调速系统中的应用进行了仿真分析和试 验研究 结果表明 基于复合控制策略和模糊p i d 控制算法的变转速节流复合调 速控制系统具有优于其他系统的速度控制特性 1 2 课题主要工作与研究意义 1 2 1 课题来源与主要工作 本课题来源于导师申请的国家自然科学基金资助项目 项目编号 5 0 8 7 5 0 0 1 项目名称 变转速泵控马达调速系统应用基础研究 本文对变转速泵控马达调速系统的几个关键问题进行了分析和研究 并分别 通过仿真和试验对相关的分析结果进行了验证 主要工作内容包括 1 变转速泵控马达调速系统性能分析 2 变转速泵控马达调速系统转速降落原因分析及转速降落补偿方法的研究 3 在a m e s i m 仿真环境下搭建系统的仿真模型并实现变转速泵控马达调速系 统转速降落补偿的仿真分析 4 在基于l a b v i e w 的测控系统平台下完成控制程序的编写并通过试验验证转 速降落补偿方法的可行性和正确性 5 分别在a m e s i m 的仿真环境和基于l a b v i e w 的测控系统平台下完成变转速 泵控马达系统位置控制的仿真分析和试验研究 6 通过对比仿真和试验的结果 改进和优化转速降落补偿方法及位置控制方法 1 2 2 课题研究意义 变转速泵控马达调速技术可以实现全程功率匹配 提高系统功率效率 降低 安徽理工大学硕士学位论文 能耗 与传统的节流调速技术和容积调速技术相比都体现出很大的优势 但是变 转速泵控马达调速系统存在速度刚性差 抗负载干扰能力弱 位置跟踪效果差等 缺点 这也在一定程度上限制了这一新型节能传动系统的推广应用 采用转速降 落开环补偿方法能够提高变转速泵控马达调速系统的开环控制精度 而采用闭环 p i d 控制能够提高马达角位移的跟踪精度 因此对变转速泵控马达调速系统的速 度控制及位置控制方法的研究 能够提高变转速泵控马达调速系统的动静态特性 及节能效果 并拓宽该类系统的应用范围 本文对变转速调速系统相关技术的研究提高了系统的控制特性 不但有较重 要的学术意义 而且对扩展该系统的工程应用范围也有很大的帮助 另外 通过 借助虚拟仪器技