電子控制變量泵分析

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現(xiàn)代社會信息化的快速發(fā)展，導(dǎo)致液壓傳動系統(tǒng)的信息化程度也越來越高，出現(xiàn)了大量的數(shù)字化液壓元件。作為液壓傳動的動力元件—液壓泵，其數(shù)字化的水平很大程度上決定了系統(tǒng)的信息化水平，特別是在大功率應(yīng)用場合，其影響更為明顯。傳統(tǒng)的變量泵不同的控制功能對應(yīng)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合控制時(shí)，往往是不同功能的結(jié)構(gòu)疊加，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，故障概率大。數(shù)字化的變量泵可以通過嵌入控制器的程序，利用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單獨(dú)功能的變量閥，方便的實(shí)現(xiàn)對流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制，可以與負(fù)載功率相匹配實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)，達(dá)到提高控制性能和節(jié)能的目標(biāo)。因此，電子控制變量泵的研究具有很強(qiáng)的工程理論和應(yīng)用價(jià)值[1]。

1電子控制變量泵的工作原理

電子控制變量柱塞泵由軸向柱塞變量泵、電液比例閥、變量液壓缸、運(yùn)算放大器、流量傳感器、壓力傳感器和位移傳感器組成，如圖1所示。恒壓力控制：當(dāng)負(fù)載壓力升高時(shí)，壓力信號通過傳感器反饋給控制器4，通過運(yùn)算輸出電流信號使電液比例閥2的左位起作用，高壓油進(jìn)入變量液壓缸3的腔，活塞桿左移，推動斜盤使傾角變小，泵的供油量減少，系統(tǒng)壓力降低。當(dāng)壓力降低時(shí)，壓力信號傳送給控制器4，經(jīng)控制器運(yùn)算輸出電流信號使電液比例閥2的右位起作用，高壓油進(jìn)入變量液壓缸3的左腔，活塞桿右移，推動斜盤傾角變大，泵的供油量增大，壓力升高。通過閉環(huán)壓力控制使泵的壓力穩(wěn)定在某一恒定值，實(shí)現(xiàn)電子控制變量泵的恒壓控制，恒壓控制流程如圖2所示。流量控制：當(dāng)流量增大時(shí)，流量信號輸送給控制器4，經(jīng)過控制器運(yùn)算輸出電流信號使電液比例閥2的左位起作用，高壓油進(jìn)入變量油缸的右腔，活塞桿左移，推動斜盤傾角減小，泵的流量減小。當(dāng)流量減小時(shí)，流量信號通過控制器輸出信號使電液比例閥2的右位起作用，高壓油進(jìn)入變量油缸的左腔，活塞桿右移，斜盤的傾角增大，輸出流量增大。通過流量傳感器的反饋?zhàn)饔檬沽髁亢愣ㄔ谀骋缓愣ㄖ怠Ｆ淞髁靠刂屏鞒倘鐖D3所示。功率是壓力和流量相乘，功率控制時(shí)，設(shè)定功率值除以反饋壓力信號得出流量值的大小。壓力增大時(shí)，流量按照功率曲線減小。壓力減小時(shí)，流量按照功率曲線增大。其控制流程如圖4所示。

2數(shù)學(xué)模型的建立

2.1伺服比例閥的特性

對于小質(zhì)量閥芯彈簧環(huán)節(jié)的處理：由于比例控制不是開關(guān)控制，因此閥芯運(yùn)動化為分段一階方程不再適用。閥的運(yùn)動模型可簡化為數(shù)學(xué)方程[2]。簡化模型如圖5所示。

2.2斜盤組件動態(tài)特性

斜盤組件由變量活塞推動，變量活塞受控制滑閥控制。如圖6所示，控制滑閥閥口流量可用以下線性化公式表示。通過閥口的流量流入變量活塞左腔。此流量與從活塞右腔泄露至左腔的油一起產(chǎn)生使活塞向右運(yùn)動的

2.3液壓泵輸出壓力特性

變量活塞位移的向右運(yùn)動的方向使泵的排量減小。泵的流量增量式為Qs=-KQnxp式中Qs———泵的輸出流量；KQ———變量泵的排量梯度；n———泵的轉(zhuǎn)速，通常視為常數(shù)。考慮油液的彈性和泄漏影響后，泵輸出流量的連續(xù)性方程為Qs-QL-（A1-A2）dxpdt-V1Eβdp1dt-CLps=VtEβdpsdt式中Vt———泵輸出負(fù)載的容積；QL———負(fù)載流量；CL———泵的總泄漏系數(shù)。式中VtEβdp1dt項(xiàng)的值相對較小，可不計(jì)。

3最小值控制器的設(shè)計(jì)

電子控制變量泵具有多種控制功能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的流量、壓力和功率控制功能，而且能夠通過改變參數(shù)方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)合控制。從變量泵的工作模式情況看，主要有流量、壓力和功率3種模式以及它們之間的組合。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。在圖中功率信號是設(shè)定值。控制器中依次進(jìn)行壓力、功率和流量的比較，確定變量泵的工作模式，隨后產(chǎn)生對應(yīng)的排量指令值，由控制器校正放大后輸出到伺服比例閥。在進(jìn)行最小值比較時(shí)，需要考慮各種模式下所對應(yīng)的控制誤差，以確保工作的可靠性[4]。

4仿真分析

論文設(shè)計(jì)了最小值控制器，利用Simulink仿真軟件建立了變量泵仿真模型。如圖8所示，泵的參數(shù)如表1所示。從變量泵恒壓力、恒流量調(diào)節(jié)的響應(yīng)情況，加載情況下壓力和流量調(diào)節(jié)速度情況四個(gè)方面查看電子控制變量泵的響應(yīng)情況。加載方式為脈沖加載，如圖9所示。

4.1恒流量控制動態(tài)特性

通過圖10和表2可以看出：電子控制變量泵達(dá)到穩(wěn)定壓力所用的時(shí)間短，超調(diào)量小，動態(tài)特性良好。通過圖10和表3看出：在1s時(shí)刻加載壓力，恒流量的調(diào)節(jié)時(shí)間短，動態(tài)響應(yīng)良好。

4.2恒壓力控制動態(tài)特性

通過圖11和表4可以看出：電子控制變量泵達(dá)到穩(wěn)定壓力所用的時(shí)間短，超調(diào)量小，動態(tài)特性良好。通過圖11和表5可以看出：電子控制變量泵在第1s時(shí)刻加載相同壓力時(shí)，電子控制變量泵達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的時(shí)間短，動態(tài)特性良好。

4.3變壓力時(shí)變量泵的調(diào)整情況

變量泵在變量時(shí)斜盤傾角變量不穩(wěn)，容易產(chǎn)生壓力波動，如圖12所示。通過電子控制變量泵流量隨壓力變化的更快，并且可以有效的改善功率、壓力、流量控制切換產(chǎn)生的壓力流量波動，如圖13所示。壓力、流量、功率控制只需要改變設(shè)定參數(shù)即可，控制更加靈活、方便。

5結(jié)論

通過以上結(jié)果得出，電子控制變量泵的優(yōu)點(diǎn)是：①電子控制變量泵響應(yīng)迅速；②改變設(shè)定參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)不同功能，功能豐富；③控制性能更好，靈活度更大，可以適應(yīng)各種工況。