电液比例伺服控制容积调速系统仿真研究.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 1 3 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S J u 1 2 01 2 Vo 1 4 0 No 1 3 D OI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 3 0 4 9 电液比例伺服控制容积调速系统仿真研究 杨存 智 刘文艺 4 ff J w l 师范大学机电工程 学院 江苏徐 州 2 2 1 1 1 6 摘要 分析电液比例伺服阀的特点及电液比例伺服阀控变量泵容积调速的原理 利用 A M E S i m软件 建立比例伺服阀 控变量泵容积调速系统的仿真模型 利用该模型对系统的性能进行仿真研究 结果表明 该调速系统具有很好的速度跟踪 特性 较小的速度超调量 较高的速度控制精度以及较好的系统工作稳定性 关键词 比例伺服阀 容积调速系统 系统仿真 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 3 1 7 0 2 S imu l a t io n Re s e a r ch o n t he El e ct r o h y dr a ulic Pr o p o r t io na l Se r v o Va l v e Co n t r o l l e d Vo l u me t r ic S p e e d C o n t r o l S y s t e m YANG Cu n z h i LI U W e n y i S ch o o l o f M e ch a t r o n ica l E n g in e e r i n g X u z h o u N o r m a l U n iv e r s it y X u z h o u J ia n g s u 2 2 1 1 1 6 C h i n a Ab s t r a ct T h e ch a r a ct e ri s t ics o f e l e ct r o h y d r a u l ic p r o p o r t i o n a l s e r v o v a l v e a n d v o l u me t r i c s p e e d co n t r o l p r in ci p l e o f e l e ct r o h y d r a u l ic p r o p o r t io n a l s e r v o v a l v e co n t r o l l e d v a r ia b l e d is p l a ce me n t p u mp w e r e d is cu s s e d T h e s imu l a t io n mo d e l o f e l e ct r o h y d r a u l ic p r o p o r t io n a l s e r v o v alv e co n t r o l l e d v a r ia b l e d is p l a ce me n t p u mp v o l u me s p e e d mo d u l a t in g s y s t e m w a s e s t a b l is h e d b y AME S im s o f t wa r e Th e s y s t e m p e r f o r ma n c e w a s s i mu l a t e d b y a d o p t i n g t h e s i mu l a t i o n mo d e 1 T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h is s p e e d co n t r o l s y s t e m h a s g o o d s p e e d t r a ck in g ch a r a ct e ri s t ic s ma l l e r s p e e d o v e r s h o o t h ig h e r s p e e d co n t r o l a ccu r a cy a n d b e t t e r w o r k in g s t ab il it y Ke y wo r d s P r o p o r t io n al s e r v o v alv e Vo l u me t r ic s p e e d co n t r o l s y s t e m S y s t e m s imu l a t io n 变量泵控液压马达容积调速 回路 因具有较高的容 积效率 调速方便等优点 在大功率 大负载液压控 制系统中得到了广泛的应用 但这种调速方式应用于 大惯量 低转速 变负载系统时 其低速控制性能较 差 系统效率 速度控制精度和 自动化程度都较低 例如 煤矿防爆液压提升机的控制依赖于人工手动操 作 采 用变量 泵控 马达容积调速方式 则马达 速度及 加减速度控制难度大 系统效率很低 发热现象严 重 严重影 响系统安全 近年来比例伺服阀在液压控制领域已开始应用和 发展 该阀使用了大电流比例电磁铁 提高了其工作 可靠性 克服目前广泛应用的比例技术很难满足系统 快速响应和高精度的要求 其稳态与动态性能已超过 伺服阀而控制成本却大幅度降低 作者把比例伺服技术应用于变量泵容积调速系 统 以解决液压容积调速在大惯量 低转速 变负载 系统中的应用问题 分析比例伺服阀结构及特点 利 用 A M E S im软件 建立了电液比例伺服控制变量泵容 积调速系统的仿真模型 并对该系统进行了性能仿 真 1 电液比例伺服阀的特点及控制原理 电液比例伺服阀是一种高性能且价格介于伺服阀 和普通比例阀之间的控制阀 该阀采用大电流单个位 置调节型比例电磁铁 提高了前置级的控制精度 采 用具 有伺服 阀特点 的阀芯 阀套结构 且阀套 为钢质 材料 以确保耐磨性和 中位时阀 口精确零遮盖 采 用 差动变压器检测阀芯位置 将位置信号反馈到比例放 大器 与比例电磁铁形成一个闭环位置电控系统 提 高 了比例电磁铁 的动态 和静态特性 电液比例伺服阀控变量泵容积调速原理如图1 所 示 由比例伺服阀控制双向变量泵的变量液压缸位置 变化 从而控制变量泵的斜盘或缸体角度的变化 以 调节变量泵的流量或液体的流动方向 比例伺服阀自 带有位置传感器以提高阀芯的位置精度 由比例伺服 阀的给定信号设定液压泵的输出流量及液体的流动方 向 即控制执行件的运动速度和运动方向 若采用闭 环控制 反馈信号可以是变量液压缸的位置反馈或双 向变量泵控制 的执行元件的速度反馈 采用执行元件 收稿 日期 2 0 1 I O 6 2 1 作者简介 杨存智 1 9 6 6 一 男 硕 士 副教授 研究方 向为液压 与气压传 动及 其控制 E ma i l cu n z h iy a n g 6 6 1 2 6 c o m 第 1 3期 杨存智 等 电液比例伺服控制容积调速系统仿真研究 1 7 1 的速度反馈就是全闭环速度控制 比例 图 1 电液比例阀控制变量泵容积调速原理 2 仿真模型的建立 利用 A ME S i m软件建立的电液比例伺服控制液压 容积调速系统仿真模型如图2所示 该系统主要由电 液比例伺服阀控缸系统 液压容积调速系统和加载系 统三大部分组成 电液比例伺服阀控缸系统由电液比 例伺服阀 液压缸以及信号比较器和控制器等组成 由输入信号 3设定系统的控制信号 该信号与转速传 感器 1 9的反馈信号 比较 经 P I D调节器控制 比例伺 服阀阀芯的位置 第二部分是液压容积调速系统 该 系统 主要包括 由双向变量 泵 8和 定量 马达 l 8组成 的 闭式液压容积 调速 回路 由补油 泵 1 3和单 向 阀 l 0 1 1 组成的补油回路以及由安全阀 1 6和单向阀 1 5 1 7 组成的安全保护回路 变量泵 8由电动机 9驱动 由 比例伺服阀控缸系统控制其排量大小及液体的流动方 向 实现执行元件的速度和方向控制 第三部分是加 载部分 由加载泵 2 1实现对调速系统的加载 负载 大小由比例溢流阀2 6来控制 加载泵吸油由补油泵 2 9提供 图2 电液比例伺服控制液压容积调速系统仿真模型 该仿真模型液压泵 8排量选 5 0 0 m L r 转速为 1 5 0 0 r m i n 液压 马达 1 8 选 用低 速大转矩液压 马达 其排量选 为 5 0 0 m L r 容积效率和机械效 率均 为 0 9 5 加载泵2 1 与液压马达 l 8 参数相同 比例溢流 阀 2 6设定压力为 1 0 MP a 3仿真分析 图 3 是液压马达在阶跃信号作用下的速度仿真曲 线 当转 动惯量 为 2 0 k g m 曲线 1 时 液压 马 达速度上升时间很短 大约 0 4 s 其超调量很小 稳定 时间也很短 在不到 1 s 的时 间 内就 达到稳定速 度 约2 8 3 r m in 当转动惯量增加时 加速度减 小 上 升时间延迟 当转动惯 量为 8 0 k g m 曲线 3 时 上升时间为 1 7 s 左右 该系统转动惯量变 化时只对上升时间有影响 对其他性能几乎没有影 响 说明该系统响应速度较快 稳定性好 对低速大 惯 量系统适应性较强 图4是速度跟踪仿真曲线 总仿真时间为 8 0 S 前 4 0 S 液压马达正转 后 4 0 s 液压马达反转 给定 l 一液压油特性 设定元件 卜 调速液压缸 卜 速度设定信号 4 比较器 卜 P I D 调节器 6 一电液比例伺服阀 7 一液压源 8 一主泵 9 1 2 2 8 电动机 l 0 1 l l 5 l 7 2 2 2 3 2 4 2 7 单向阀 l 3 一闭式系统补油泵 1 4 3 O 低压溢流 阀 l 6 高压安全 阀 1 8 液压马达 1 9 一速度传感器 2 O 一转动惯量 2 1 一 加载泵 2 5 一溢流阔调定压力 设定信号 2 6 一 比例溢流 阀 2 9 一加载补油泵 信号是按液压马达正反转时由停止状态匀加速一匀 速一匀减速一匀速一停止的五段速图给定 正反转时 只是方 向相反而 已 可看 出 液压马达 的速度紧跟给 定速度 波动很小 只有很小的时间延迟 说明液压 马达的速度能跟随系统的设定速度变化而变化 没有 图 3 阶跃信号作用下液压 马达速度响应曲线 图 4 液压马达速 度仿真曲线 下转第 1 3 1页 第 1 3期 潘慧 等 直线电机驱动的开式静压导轨的设计 1 3 1 图 5 静压导轨的压力分析图 静 压 导 轨浮 动导 轨 的横 向 0 4 0 m m 应 l o 0 詈 袭 主 募 奏 4 0 0 根 据 该 曲 线 对 导 轨 进 行 分 析 尽早发现设计 中的缺 2 0 0 陷 并验证导轨功 能和性 O横 0 向 尺2 0 寸 0 m 3 m 0 冀 性 翼 图 6 应 变 曲 线 图 改 和 优 化 从而减少制造 一 一 中发现 的问题 提高设计的可行性和缩 短周期 3结束语 通过引入直线电机驱动装置 解决了开式静压导 轨易 漂 移 的现象 克 服 了之 前开 式静 压导 轨 只 能单纯依靠导轨 自重和外加载荷来保持不与运动件分 离的局限性 提高了油膜刚度 进而改善了开式静压 导轨 的运行精度 适用范围更加广阔 参考文献 I 1 丁振乾 我国机床液体静压技术的发展历史及现况 J 精密制造与 自动化 2 0 0 3 3 1 9 2 1 I 2 叶云岳 直线电机原理与应用 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 0 3 丁振乾 流体静压支承设计 M 上海 上海科学技术出 版社 1 9 9 1 4 罗恕燕 王时龙 周杰 等 油垫数量对工作台恒流静压 导轨副性能的影响 J 机床与液压 2 0 1 0 3 8 1 7 1 4 5 刘泉 张建民 王先逵 直线电机在机床工业中的最新应 用及技术分析 J 机床与液压 2 0 0 4 6 1 3 6 乔建军 王保平 胡仁喜 P r o E n g i n e e r W il d f i r e 5 0动力 学与有限元分析入门到精通 M 北京 机械工业出版 社 2 0 1 0 7 范景峰 关海欧 张心明 静压导轨概况 J 光学精密 机械学院 1 9 9 7 3 4 9 8 陈友侃 严明康 大型平面磨床上的静压导轨技术 J 磨床与磨削 1 9 9 3 4 5 6 5 8 9 刘成祥 液体静压导轨恒流量控制的设计与分析 J 机床与液压 2 0 0 8 3 6 7 1 2 5 1 2 8 1 0 P A R K C h u n H o n g O H Y o o n J i n H WA N G J o o H o e t a1 De v e l o p me n t o f a n Ul t r a P r e cis io n Hy d r o s t a t ic G u i d e wa y D riv e n b y a C o r e l e s s L in e a r Mo t o r J I n t e r n a t io n a l J o u r h al o f P r e cis io n E n g i n e e ri n g a n d Ma n u f a ct u ri n g 2 0 0 5 6 2 5 5 6 0 上接 第 1 7 1页 图5是速度跟踪时主回路两侧压力变化曲线 图 6是速度跟踪时液压