数字变量泵控制方案及仿真分析

数字变量泵控制方案及仿真分析

随着工业化水平的提高，对能源效率、控制精度、速度和自动化的要求也越来越高。传统的模型扩展技术不能满足现有控制系统的要求。1数字变量泵总控制器设计数字变量泵由定量泵、高速开关阀、插装阀、蓄能器、单向阀及流量传感器等元件集成一体数字变量泵工作系统原理图如图1所示,工作时,控制器根据流量传感器的反馈信号控制变频电机的输入转速及高速开关阀输入信号的占空比,实现数字变量泵输出流量的恒定。当系统所需流量增加时,控制器接收流量传感器的反馈信号,通过推演和运算处理,增加变频电机的转速,同时高速开关阀通电,插装阀阀芯闭合;当系统所需流量减少时,控制器接收流量传感器的反馈信号,通过推演和运算处理,降低变频电机的转速,同时减少高速开关阀的通电时间,插装阀输出流量增加;当系统所需流量低于定量泵最低稳定转速下的输出流量时,控制器控制变频器的输入信号使变频电机在最小稳定转速下运行,同时,计算机接收流量传感器的反馈信号,通过推演和运算处理,实时控制高速开关阀的通断电时间,调节插装阀阀芯的开口大小,实现快速响应,达到流量恒定控制的目的。2数字变量泵控制系统的流量补偿数字变量泵在实际使用过程中,由于液压系统中的内泄漏不可避免地产生流量损失,因此在数字变量泵的控制系统中,必需考虑数字变量泵的流量补偿。该数字变量泵的输出流量是由计算机输入的PWM信号控制,其中变频电机输入转速可控制数字变量泵的最大输出流量,高速开关阀输入信号占空比用于控制数字变量泵输出流量的稳态精度。2.1交流差值流量控制原则考虑到液压系统中不可避免的流量损失,控制器需对系统实时反馈流量进行运算处理,补偿变频电机的输出转速,实现系统输出流量的控制要求。根据这一原则设计了变频电机控制器的模型,其状态识别器连接差值流量(实时流量与设定流量之差),根据差值流量的正负性判断变频电机的工作状态。当差值流量为正值时,控制器控制变频电机输出设定转速;当差值流量为负值时,其差值的绝对值经增益放大后与设定转速之和作为变频电机的输入转速;当系统所需流量低于定量泵最低稳定转速下供给流量时,变频电机维持在最低稳定转速下工作。2.2高速开关阀控制器设计由于变频电机转速增益对液压系统进行了一定的流量补偿,数字变量泵的输出流量将高于设定流量,且易产生流量脉冲。因此必需通过高速开关阀输入信号占空比的智能调节,实现数字变量泵输出流量的精度控制。当实时流量接近于设定流量时,高速开关阀接受的输入信号占空比增加,插装阀单位时间内的输出流量减小,可实现数字变量泵输出流量的微调;当实时流量与设定流量相差较大时,高速开关阀接受的输入信号占空比趋近与0,插装阀单位时间内的输出流量较大,可实现数字变量泵响应速度的较大提升。3数字变量泵的动态模拟模型3.1高速开关阀的流量模型根据异步电动机两相静止坐标即M-T坐标系下的数学模型,可得到转差频率矢量控制变频电机的基本方程式为式中:ω高速开关阀的流量是一组流量脉冲的集合,因此其流量不仅与阀芯的开口量有关,而且与其开关时间及电磁铁的通电时间长短都有关系。由于高速开关阀的响应速度极快,阀芯开启后可近似为一个阻尼孔,其流量方程可表示为式中:q高速开关阀输入信号占空比的函数方程为式中:s(t)为瞬时的占空比;Q插装阀的基本单元为主阀单元,其形状与单向阀类似。它具有两个工作腔A和B,一个控制腔C。当不计阀芯质量和摩擦阻力时,其流量方程可表示为式中:q3.2高速开关阀的动态选择定量泵的排量为43mL/r,最低稳定转速为600r/min,蓄能器的预压力为0.5MPa,高速开关阀PWM控制信号的频率为50Hz4数字变量泵性能及优化数字变量泵的承载能力、变量范围、工作效率、响应速度、控制精度是衡量其性能优越的主要指标,为了满足数字变量泵的设计要求,分别对其不同转速增益、外加负载、控制流量、节能效果进行了以下分析。4.1不同转速增益设定系统的控制流量为50L/min,节流阀孔径为3mm,仿真得到转速增益分别为1、2、5、15的模型仿真结果,如图4、图5所示。其中,曲线1至曲线4为转速增益逐渐增加的响应特性曲线。图4表明,转速增益的大小影响了定量泵启动时的峰值流量,转速增益越大,峰值流量越大,但达到一定程度时,峰值流量变化很小。图5表明,转速增益为1时,数字变量泵的输出流量稳态时间要明显长于转速增益分别为2、5和15的稳态时间,但不同转速增益下,数字变量泵达到设定流量的稳态精度均较高,而转速增益为2、5和15时的稳态时间几乎不变,约为0.3s,响应速度较快。上述情况表明:转速增益对数字变量泵输出流量的补偿有一定的作用,且提高了数字变量泵的响应速度,但转速增益的增加,导致其泄漏量有所增加,且转速增益增加到一定值时,响应速度变化很小。因此转速增益的大小应尽量逼近临界值。4.2节流阀孔径对定量泵性能的影响设定系统的控制流量为50L/min,转速增益为2,节流阀阻尼孔大小分别为3mm、5mm、7mm、10mm的模型,仿真结果如图6、图7所示。其中曲线1至曲线4为阻尼孔逐渐增加的响应特性曲线,即负载逐渐减小的响应特性曲线。图6表明,节流阀孔径为3mm时,定量泵的峰值流量最大,到达66L/min,而当节流阀孔径增加至7mm时,定量泵的输出流量较为平缓。图7表明,负载大小对数字变量泵的响应速度有一定的影响,负载越小,响应速度越快。分析这种现象产生的原因在于,当系统负载较大时,液压系统的泄漏量增加,数字变量泵需要补偿的流量增加,致使其响应速度有所下降。4.3定量泵输入流量无小范围设定节流阀阻尼孔为3mm,转速增益为2,仿真得到系统控制流量分别为15L/min、30L/min、45L/min、60L/min的模型曲线图如图8、图9所示。图8表明,当控制流量为60L/min时,定量泵在0.3s处的瞬时输入流量达到75L/min,随后迅速减少至60L/min,并有小范围的波动;当控制流量低于定量泵最低稳定转速下的输入流量时,电机维持在最低稳定转速下运行,定量泵输入流量较为平缓。图9中显示,数字变量泵的变量范围宽,控制流量在60L/min时,输出流量有小幅的振动,但在不同的控制流量下,响应时间变化很小,约为0.35s。当控制流量接近额定流量时,会出现小幅的振动,这是因为当控制流量较大时,系统的泄漏量增加,转速增益补偿的流量不能弥补系统的泄漏量。因此可通过适当增加转速增益,提高数字变量泵的控制精度。4.4高速开关阀控插装阀控制特性设定节流阀孔径为3mm,转速增益为2,调节数字变量泵初始控制流量为50L/min,从2s处开始控制流量降至25L/min,至第4s控制流量又增加到40L/min,仿真得到的结果如图10、图11所示。图10显示,在2s时,高速开关阀输入信号占空比为0,电磁铁断电,插装阀阀芯处于全开状态;在4s时,高速开关阀输入信号占空比变为1,此时电磁铁通电,插装阀阀芯处于闭合状态,定量泵的输入流量全部转化成数字变量泵的输出流量;在整个控制过程中,高速开关阀输入信号占空比都在不断地跟随系统输出流量而变化,起到智能调节的作用。图11中曲线1为定量泵输出流量响应特性曲线,曲线2为数字变量泵输出流量响应特性曲线。曲线1表明,当定量泵的输入流量增加时,在系统到达设定流量之前,有一定的流量补偿;当输入流量减少时,流量变化较为平缓。曲线2表明,数字变量泵的控制流量在阶跃递减及阶跃递增时响应速度并不一致,阶跃递减时响应时间约为0.15s要稍快于阶跃递增时的响应时间0.3s。这是由于控制流量阶跃递减时,变频电机控制定量泵的输出流量减少,同时高速开关阀控插装阀的溢流量增加,而阶跃递增时,仅有变频电机控制。曲线1与曲线2对比表明,高速开关阀在数字变量泵控制系统中具有一定的流量调节作用,且控制精度较高,数字变量泵的输出流量与定量泵的输入流量基本保持一致,产生的溢流损失主要集中在到达设定流量的过程中,但由于响应速度较快,其溢流损失较小,节能效果较为优异。5高速开关阀占空比智能