变速异步电动机比例恒压泵电液动力源特性研究

电液动力源是为液压系统提供动力的单元,其能量效率决定整个系统的能效。针对现有变排量电液比例压力流量复合控制动力源,非工作周期电动机仍以额定转速运转,产生较大能耗;变转速异步电动机驱动定量泵动力源,难以直接控制压力的问题,提出采用变转速交流异步电动机驱动比例恒压泵构造新的电液压力流量复合控制动力源,通过改变斜盘摆角实现无节流损失压力连续控制,改变泵转速实现泵输出流量连续控制。进一步针对异步电动机变转速驱动动态响应慢的问题,提出在主回路增设液压蓄能器,并将其高压油液分别引入液压泵吸油口和出油口,辅助驱动液压泵加速起动和制动的解决方案。研究中,构建了基于上述原理的电液动力源试验测试系统,对其压力控制特性、流量控制特性、压力流量复合控制特性及功率控制特性进行研究,结果表明,随负载压力变化流量控制精度误差不超0.5%,采用蓄能器辅助驱动、辅助制动可使变频电动机起、停时间分别由1 s和1.2 s减小到0.2 s和0.5 s;在保压工况、非工作周期压力卸荷工况、恒压工况,通过降低电动机转速,较恒定电动机转速驱动,降低能耗20%以上。     

基于转矩控制的变转速定量泵压力控制方法

变转速电液泵可以大幅提升液压动力源能效,但采用变转速电机驱动定量泵作为动力源时,通过控制转速实现压力控制,难以适应流量快速大范围变化的工况。为解决这一问题,采用电机转矩控制液压泵输出压力,实现动力源与流量无关的压力控制。与变转速控制相比,电机转矩属于控制内环,响应速度快;由于泵输出压力与其排量的乘积基本等于电机的输出转矩,控制更为直接。考虑到泵输出压力与电机输出转矩的非线性关系,在前馈控制的基础上,引入压力偏差反馈,实现压力的高精度控制。建立电机转矩控制模型及液压系统模型,对提出的控制方法进行验证。结果表明:采用电机的转矩控制压力,压力响应时间降低到40 ms,静态特性曲线回程误差小于2%。     

基于可调速电动机的高动态节能型电液动力源

对应用液压泵与转速可调电动机组成的电液动力源进行了分析和比较，研究了泵和电机的多种组合，给出了可满足不同功能要求的回路原理，对这一系统控制流量，压力的动静态性能进行了试验研究，揭示了该系统特有的内在运行规律，结果表明，新的原理方案较现有的变排量控制原理具有更高的效率，可作为高效，高动态的液压动力源。     

变转速液压动力源恒流量模糊控制方法研究

针对变转速泵控液压系统在负载快速多变工况下,由于负载变化时流量和压力的强耦合特性,控制流量具有不确定、时变和高度非线性问题,导致其低速稳定性差、响应速度慢、调速精度低等技术难题的出现,采用简单PID线性控制器往往不能得到满意的控制效果。本文提出采用模糊控制实现典型工况下变转速液压动力源输出流量的伺服控制策略,MATLAB仿真及相应实验结果均表明:本文提出的模糊控制策略具有良好的实际控制效果,控制精度高,并且具有优于传统PID控制的鲁棒性。     

变转速变排量双控轴向柱塞泵脉动特性及噪声研究

基于对斜盘式轴向柱塞泵的理论分析,利用AMESim软件建立变排量柱塞泵模型。在同负载条件下,通过变转速和变排量调节对泵的压力脉动特性进行仿真测试及试验验证,得到仿真和试验曲线基本吻合,验证模型的准确性。并在此基础上根据试验及仿真数据,在相同负载和不同负载下,对采用转速、排量调节相组合情况下泵的压力脉动特性进行比较分析,结果表明随泵转速或排量变大,泵的压力脉动幅值均增大,在独立控制、同流量输出情况下,排量调节比转速调节脉动幅值大;在双控方式下,采用高转速、低排量方式压力脉动幅值最小,功率最大。进一步地,从噪声角度对泵特性进行分析,结果表明在转速、排量独立调节情况下,系统噪声的变化趋势与压力脉动一致;在同负载同流量、变转速和变排量相组合的液压系统中,系统噪声变化与压力脉动变化趋势恰好相反。在同负载同流量下对试验和仿真数据进行对比分析,仿真模型中高转速与低排量组合的压力脉动小,试验曲线中低转速与大排量组合电动机输入功率小,系统噪声低。通过以上分析研究,为变转速和变排量双控理论研究和工程应用提供了技术支撑。     

转速排量复合控制电驱液压挖掘机能耗特性研究

为克服内燃机驱动液压挖掘机动力源能效低、排放差、噪声大的问题,提出一种纯电驱负载敏感系统,采用变频异步电机作为动力源,为克服电动机高速轻载、液压泵小排量工况效率低的不足,设计了基于"排量预值"的转速-排量复合控制方案,尽可能使液压泵处于大排量状态,在流量高动态变化时,采用变排量控制,克服电动机动态响应的不足。构建了3种驱动方案下液压挖掘机机电液联合仿真模型,以动臂单动作及工作装置复合动作进行研究,对比分析不同驱动方案下液压挖掘机能耗特性,并分析"排量预值"对设计方案能效的影响。相比柴油机驱动和定速电机驱动,转速排量复合控制方法可以分别节约成本约63%和38%,随着"排量预值"的增大,纯电驱液压挖掘机的运行成本逐渐降低。     

注塑机电液控制系统能量效率对比研究

在同一注塑机上,对采用异步电动机驱动定量泵、变转速异步电动机驱动定量泵、异步电动机驱动变量泵、变转速异步电动机驱动变量泵、交流伺服电动机驱动定量泵,5种电液控制方案加工同一制品的能量效率进行理论分析和试验对比。建立不同控制回路电动机和液压泵功率传输数学模型,绘制出能量特性曲线,分析对比注塑机工作在保压和冷却工况下,液压系统和电动机驱动系统功率消耗。研究结果证实,在部分负载和空载工况,异步电动机驱动定量泵系统存在大的溢流、节流损失,效率低;在此基础上引入变转速控制,包络系统所需的流量,可减少电动机功率消耗,提高系统效率,能量效率与异步电动机驱动变量泵相当;异步电动机驱动变量泵系统,可完全消除液压系统的溢流损耗,但电动机仍存在较大的空转损耗,在此基础上引入变转速控制,使电动机输出功率与液压负载相匹配,可进一步提高能量利用率26.5%;研究也表明,采用交流伺服电动机驱动的定量泵系统能量效率最高,较异步电动机驱动的定量泵系统节能88%,并且结构简单、动态性能好。     

变频调速控制多腔液压缸液压系统节能研究

由于能量密度高、结构紧凑和噪声低,电液控制系统被广泛应用于工业生产中。定转速电机驱动变量泵系统为了匹配控制系统执行器速度以及多执行器功率,电机和泵都按系统最大功率匹配,电机在部分负载工况下效率较低,甚至达到15%,并且变量泵也常工作在小排量区,导致电液动力源在部分负载工况下效率更低。为此提出变转速电动机驱动定量泵方案,并采用多腔液压缸,在低负载功率需求下,采用小面积油腔连接方式,在高负载功率下,采用大面积油腔连接方式,从而提高电动机能量效率,进而提高系统能效。     

液压系统压力闭环调速及开环加载实验

液压实验台通常是用电比例溢流阀背压模拟负载以实现对系统压力控制,通过改变电机转速或改变变量泵的排量来实现对系统流量控制。为了拓展实验台的控制方式,提出了动力源压力闭环调速、开环加载的实验控制方案。本方案通过调整永磁伺服电机转速,以闭环方式控制液压系统压力;调整比例溢流阀开口面积大小,以开环方式控制液压系统流量。实验结果表明,压力响应较快,抗扰动能力强,流量调整范围大,调整到稳定所需要的时间较长,实验方案可行。     

非对称轴向柱塞泵变排量控制特性分析

非对称轴向柱塞泵直接闭式控制单出杆液压缸系统具有结构紧凑、能效高和噪声低的优势,其排量控制特性直接影响泵控系统运行特性。基于此,提出基于斜盘摆角位移反馈的排量控制方案,根据电液比例排量调节工作原理,考虑弹性负载刚度及外负载力干扰的影响,建立了非对称轴向柱塞泵的变排量控制系统模型。通过MATLAB/Simulink仿真分析了不同活塞直径、负载刚度、斜盘摆角、负载压力对泵的出口流量动态特性的影响。仿真结果表明,减小液压缸活塞直径、增大负载刚度可以加快响应速度;增大负载压力可以提高响应稳定性。通过实验验证了仿真结果正确性,实验表明非对称泵的变排量工作性能稳定可靠。     

电驱动挖掘机流量匹配系统动臂特性研究

以6 t液压挖掘机动臂为研究对象,提出伺服电机驱动定量泵的流量匹配控制系统。在SimulationX中搭建伺服电机仿真模型,通过与伺服电机响应特性试验结果对比,验证伺服电机模型的准确性;建立液压挖掘机动臂机械结构多体动力学与电液系统的联合仿真模型,仿真分析了不同控制方式下,动臂的运行特性和能耗特性。结果表明,与负载独立流量分配(LUDV)系统相比,采用伺服电机驱动定量泵流量匹配控制的动臂能耗降低约13.6%。     

电控直线电机变排量负载敏感系统仿真分析

传统负载敏感系统是通过机-液反馈控制,具有鲁棒性差、易振荡、难以实现精确的排量调节等缺点.据此,提出了电控直线电机变排量负载敏感系统,利用直线电机代替变量缸来调节轴向柱塞泵排量,并利用流量前馈结合压差反馈的方式对直线电机进行控制,实现液压系统的负载敏感功能.利用AMESim-MATLAB联合仿真对电控直线电机变排量负载...     

The high response and high efficiency velocity control of a hydraulic injection molding machine using a variable rotational speed electro-hydraulic pump-controlled system

High response and high efficiency velocity control of a hydraulic injection molding machine (HIMM) is requested especially for the process of high-tech industries, such as CD and DVD disks, plastic optical lens, light guide plates, etc. Instead of the hydraulic valve-controlled systems that have the problem of low energy efficiency but have been used widely in today’s HIMMs, the paper develops a high response and high energy efficiency electro-hydraulic pump-controlled system driven by a variable rotational speed AC servo motor for achieving high response and high efficiency velocity control in HIMMs. A constant displacement axial piston pump combined with the AC servo motor is developed in this research as the high response electro-hydraulic pump-controlled system for the HIMMs. For that, the control strategy, signed-distance fuzzy sliding mode control (SD-FSMC) is developed to simplify the fuzzy rule base through the sliding surface for practical applications. The developed high response variable rotational speed electro-hydraulic pump-controlled system controlled by SD-FSMC is implemented and verified experimentally for velocity control with various velocity targets and external loading conditions. Furthermore, the energy efficiencies of different experiments are analyzed and compared precisely by the power quality recorder used to measure the electrical power consumed by the AC servo motor.     

容积伺服一体化系统泵控单元传递效率特性

电液伺服泵控单元是容积伺服一体化电液系统的重要组成部分,由伺服电机与双向闭式泵集成于一体。电液伺服泵控单元作为整个系统的动力输入与控制单元,其自身的传递效率直接影响了系统的输出效率,所以电液伺服泵控单元的能量传递效率已经成为了衡量该系统性能的一个重要指标。通过建立容积伺服一体化电液系统数学模型,重点分析影响伺服电机与双向闭式泵传递效率的各种能量损耗,得到电液伺服泵控单元效率模型,并对电液伺服泵控单元在不同负载工况下进行了效率特性测试,将为容积伺服一体化电液系统的工程推广应用奠定基础。     

有源先导级控制的电液比例流量阀特性研究

针对现有技术采用压差补偿器或插装式流量传感器控制流量,会降低阀的通流能力,增加系统的功率损失和发热;大流量场合只能通过阀开口面积间接控制流量,受负载变化影响控制精度低;低工作压力范围可控性差、动态响应慢;大通径采用三级结构,构造复杂等问题,提出用小功率伺服电动机驱动小排量液压泵/马达(有源)、结合液压晶体管(Valvistor),构造新的低能耗、高可控的电液比例流量阀。该方法可扩大阀的流量控制范围,提高阀在低压时的动态响应。建立阀的静态数学模型,分析获得影响阀负载流量特性最主要的因素是反馈节流槽预开口量大小;进一步建立阀的动态数学模型,获得主阀芯稳定条件。根据阀的结构组成,建立阀的仿真模型,仿真分析主阀各参数对主阀性能的影响。结果表明,反馈节流槽预开口量越小,主阀负载流量特性越好;主阀口压降越大,主阀芯响应越快;但由动态数学模型可知主阀口压降太大且先导流量较小时,阀的稳定性也会降低。研究也表明,在保证主阀良好的动态特性前提下,可通过使先导泵/马达转速随负载压力变化,实现对阀的流量补偿,从而改善阀的负载流量特性。