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两类泵控式电液伺服系统的原理

两类泵控式电液伺服系统的原理

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-07-30 11:06    浏览量:

伺服直驱泵控式液压传动方式,对开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压伺服系统和交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的闭式液压系统进行了仿真及试验研究。

1.两类泵控式电液伺服系统的原理

直驱泵控式电液伺服系统就是利用调速电动机调速范围宽、可以频繁换向的优点来取代液压伺服阀的功能。这种电液伺服系统可以分为两种:一种是利用调速电动机通过改变定量泵的转速来改变泵的输出流量,达到调节执行元件速度的目的,这种泵称为直驱定量泵控式液压伺服系统,其原理如图1所示;另外一种是通过变量机构来改变变量泵的输出流量,来实现执行元件速度改变的目的,这种系统称为伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的电液伺服系统,其原理如图2a所示。变量泵的变量机构有很多种,但常见的是通过液压系统来改变液压泵的斜盘倾角,该方案具有控制精度低,液压泵的响应速度慢的缺点,为了提高变量泵的响应速度、控制精度以及便于实现伺服控制,西安交通大学教授课题组设计了通过交流伺服电动机驱动滚珠丝杠机构来调节液压泵的斜盘倾角,其原理如图2b所示。

直驱定量泵控式液压伺服系统

交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的闭式液压系统

a)伺服直驱变量泵的变量斜盘液压系统原理   b)伺服变量泵变量原理2.试验研究

 

2.试验

直驱定量泵控式液压系统性能试验:

1)实验台组成。图3所示为直驱定量泵控式液压伺服控制系统试验台。试验装置主要包括:SR电动机、双向定量泵、流量传感器、压力传感器、位移传感器、采集卡等,具体元件的安装及位置如图4所示。

直驱定量泵控式液压伺服控制系统试验装置

试验用部分元件

2)硬件配置信息。数字采集卡、数字示波器、滑阻式位移传感器、液压缸和流量传感器等。

数字采集卡插在计算机主板PCI槽上,通过PCI通信实现对滑块位移及压力流量信号的采集。下图为所选SR电动机参数,SR电动机控制器(见下图),其主要作用是通过单片机、外存储扩展芯片和可编程器件PLD来实现控制和数据存储功能,内部组成结构如图5所示。通过RS232通信协议与上位计算机进行通信,实现人机交互远程控制,并且也可以通过控制器操作面板和模拟量进行控制。

试验用SR电动机参数
试验用SR电动机参数

SR驱动器及其控制器内部结构

数字示波器主要采集试验过程中实时性较高和变化较快的数据或者不方便从控制器存储单元中读出的数据,同时可以检验数据采集卡采集的数据是否正确,从而一定程度上可以减少硬件电路开发的时间。

位移传感器安装在液压机的机身上,与液压机的滑块相连,主要功能为读取液压机滑块的输出位置。使用之前需进行位置标定。

为了加载方便和进行后续试验,本液压系统试验用的液压缸利用Y41-63液压机的液压缸进行试验。液压缸的最大行程为500mm、直径为180mm,活塞杆的直径为140mm。

流量计的量程为180L/min,输出电压为0~5V,在使用时需进行标定。

开关磁阻电动机直驱定量泵式液压系统试验结果
a)系统对正弦信号的跟踪响应曲线  b)单向阀的背压对系统动态响应曲线
 

3)试验结果及分析。试验时,首先通过改变单向阀的弹簧刚度实现单向阀背压改变,进行了补油单向阀的背压对系统动态响应的试验,确定出合适的单向阀弹簧的刚度,接着对系统进行正弦信号输入的跟踪试验。图6a所示为系统的单向阀背压为2N时,系统对正弦信号的跟踪响应曲线。图6b所示为在无载荷状况下,为补油单向阀的不同背压对系统动态响应的影响。

从图6中可以看出,系统存在较大的延迟时间,通过试验得知产生这种现象的原因有三点:一是液压油的可压缩性导致系统响应时间的延迟;二是补油单向阀的背压阻力对液压泵的吸油产生一定阻力,导致液压泵的供油滞后,从而使整个系统产生时间的延迟;三是由SR电动机性能测试试验可知SR电动机存在一个速度死区,进而影响系统的动态响应性。

由图6b可知,补油单向阀对系统的动态响应影响较大,当单向阀的背压小于5N,对系统影响较小,在5~25N之间时,系统的响应时间会随单向阀的背压值增大而增大;而当单向阀的背压值大于35N时,系统将不能运动。产生这种现象的主要原因就是补油单向阀的背压影响了液压泵的供油,进而影响了系统的动态响应性。但补油单向阀的背压增大时,液压泵的吸油阻力增大,这样影响了系统的供油,进而影响液压缸的动作。当单向阀的背压值大于35N时,液压泵的吸力不足以打开单向阀,液压泵不能吸油,所以液压缸没有运动。

 

伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统试验:

1)试验台组成。试验原理如图2所示,试验装置如图7、图8所示,该试验是在Y32-20型液压机上进行的。试验装置主要包括:异步交流电动机、双向变量泵、单向阀、液控单向阀、溢流阀、计算机、数据采集卡、交流伺服电动机等。其硬件设备见图9,试验用液压机的技术参数见图10。

伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统试验装置试验用部分元件

伺服电动机直驱变量泵变量斜盘的液压系统试验硬件配置清单液压机技术参数

2)控制算法。采用传统的PID控制方法。

3)试验结果。本试验的目的是针对开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压系统进行对比试验,因此系统输入信号同开关磁阻电动机直驱式泵控式液压系统同样是阶跃信号,同时对伺服泵不同转角下系统的输出流量试验。图11所示为伺服变量泵在不同转角下系统的输出流量曲线,图12所示为系统对阶跃输入的响应曲线。

试验结果分析:由图11和图12比较可知,交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统相对于开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压系统具有较好的动态响应性,但可控性较差。伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统进行跟踪控制很难实现,因为要实现位置跟踪控制必须实现两个闭环控制:一是位置的闭环控制;二是电动机正、反转时转角总和为零的控制。

在伺服电动机不同转角下液压系统的流量曲线交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统阶跃响应曲线

 

3.总结

1)通过伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统试验可知,影响伺服变量泵的控制精度因素很多,不仅是伺服电动机的控制精度影响该液压系统的控制精度,而且变量泵斜盘的制造精度也同样影响该液压系统的控制精度。

2)分别进行了开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压系统及交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统试验,试验结果表明,开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压系统具有较好的可控性,但补油单向阀对系统的响应性影响很大;交流伺服电动机直驱变量泵的变量斜盘的液压系统具有较好的动态响应性,但其可控性相对于开关磁阻电动机直驱定量泵控式液压系统较差。

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