張磊，彭天好，鐘日良，樂南更

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

變頻液壓動力傳動系統(tǒng)是一種新型節(jié)能傳動方式，具有良好的節(jié)能效果，能夠提高系統(tǒng)的整機(jī)功率［1－3］，因而正被廣泛應(yīng)用于液壓電梯［4－6］、注塑機(jī)［7］、制磚廠［8］等液壓動力傳動系統(tǒng)中。變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)是變頻液壓動力傳動系統(tǒng)的一種基本應(yīng)用形式，與傳統(tǒng)的液壓調(diào)速系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。與此同時，它也存在位置跟蹤效果不理想等問題，阻礙了其拓寬應(yīng)用，因此還需要對變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

下面以變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，對變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)存在的位置跟蹤效果不理想問題進(jìn)行了探索，借助于虛擬儀器技術(shù)完成了馬達(dá)角位移控制測控系統(tǒng)的開發(fā)，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，從而驗(yàn)證所提出方法的可行性和正確性，得出了相關(guān)的結(jié)論，為后續(xù)變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)問題的研究提供了一定的參考依據(jù)。

1 馬達(dá)角位移控制方法

在很多實(shí)際應(yīng)用場合中，需要對位置進(jìn)行控制，如全自動垃圾吊、電鍍車間的工作起重機(jī)、核電實(shí)驗(yàn)室的起重機(jī)等對提升貨物的高度控制。作者以變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，對馬達(dá)角位移的控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

在系統(tǒng)運(yùn)行時，變頻器1 通過整流、逆變等環(huán)節(jié)將380V/50 Hz 的工業(yè)用電轉(zhuǎn)變成電壓、頻率可調(diào)的交流電輸送到異步電機(jī)2 的定子繞組中，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)2 的無級調(diào)速。主泵3 在異步電機(jī)2 的帶動下旋轉(zhuǎn)，將油箱中的低壓油轉(zhuǎn)變成高壓油輸入到系統(tǒng)中，液壓油經(jīng)過單向閥4、截止閥5、比例方向閥7到達(dá)液壓馬達(dá)8，使其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，液壓馬達(dá)8 出口的低壓油經(jīng)過比例方向閥7 流回油箱。液壓馬達(dá)8 的輸出軸通過聯(lián)軸器與慣性輪9 及裝有絕對值編碼器10 的同步帶輪相連，慣性輪傳動軸的另一端用聯(lián)軸器和加載泵11 的輸入軸相連，因此當(dāng)液壓馬達(dá)8 轉(zhuǎn)動時便可帶動加載泵11 和絕對值編碼器10 旋轉(zhuǎn)。加載回路高壓側(cè)的壓力可以通過調(diào)節(jié)比例溢流閥16 來改變，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的加載。補(bǔ)油電機(jī)15 帶動液壓泵14 對加載回路進(jìn)行補(bǔ)油，以免加載液壓泵11 吸空引起系統(tǒng)振蕩。單向閥13 的開啟壓力稍大，為補(bǔ)油回路提供一定的背壓，保證加載回路低壓側(cè)有一定的壓力值，以避免空氣滲入系統(tǒng)，同時也可以幫助系統(tǒng)散熱。工控機(jī)18 運(yùn)行采集和控制程序，通過A/D 轉(zhuǎn)換器17 和D/A 轉(zhuǎn)換器19 實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)物理量的數(shù)據(jù)采集和控制。

可以看出，當(dāng)變頻器的輸入信號發(fā)生變化時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速會隨之發(fā)生變化，與此同時馬達(dá)的角位移也改變了，因此通過控制變頻器的輸入信號便能間接地控制馬達(dá)角位移，馬達(dá)角位移控制的框圖可以表示為如圖2所示。

圖2 馬達(dá)角位移控制框圖

在忽略系統(tǒng)各種損失后，馬達(dá)轉(zhuǎn)速nm與主泵轉(zhuǎn)速np之間的關(guān)系可表示為

式中:Dp為泵的排量，mL/r;

Dm為馬達(dá)的排量，mL/r。

則可得馬達(dá)角位移θ 與變頻器控制電壓u 之間的關(guān)系式

式中:u 為變頻器控制電壓，V;

Knu為電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器控制電壓之間的靜態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù);

θ 為馬達(dá)角位移，(°)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 泵控馬達(dá)系統(tǒng)開環(huán)位置控制試驗(yàn)研究

為了研究馬達(dá)在加速、勻速、減速3 種工況下對目標(biāo)角位移的跟蹤效果，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。設(shè)計馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖3所示，系統(tǒng)中安全閥的開啟壓力設(shè)置為15 MPa，給定比例方向閥的控制信號為10 V，比例方向閥完全打開。此時馬達(dá)目標(biāo)角位移如圖4所示，在0 ～40 s，馬達(dá)轉(zhuǎn)速從30 r/min 線性增大到150 r/min，此時馬達(dá)的角位移從零度按拋物線規(guī)律增大到21 600°;40 ～60 s，馬達(dá)以150 r/min 勻速轉(zhuǎn)動，此時馬達(dá)角位移線性增大到39 600°;60 ～100 s，馬達(dá)轉(zhuǎn)速從150 r/min 線性減小到30 r/min，此時馬達(dá)角位移按反拋物線規(guī)律增大到61 200°。

圖3 馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

圖4 馬達(dá)目標(biāo)角位移

但是在LabVIEW 軟件中沒有單獨(dú)的拋物線信號模塊，因此需要通過另外編程來實(shí)現(xiàn)具有上述變化規(guī)律的目標(biāo)角位移。本文使用的程序如圖5所示，使用公式波形.vi、下拉列表控件及其屬性節(jié)點(diǎn)再配合其它相關(guān)的編程操作便可完成此程序。程序運(yùn)行之前，在下拉列表控件中分別編輯目標(biāo)角位移在不同時間段里的解析式;在程序運(yùn)行時，利用其屬性節(jié)點(diǎn)配合條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這些解析式之間的切換，從而完成具有上述變化規(guī)律的馬達(dá)目標(biāo)角位移。

圖5 生成馬達(dá)目標(biāo)角位移的LabVIEW 程序框圖

(1)恒負(fù)載時試驗(yàn)研究

此時，比例溢流閥恒定加載3 MPa 載荷，Lab-VIEW 程序框圖如圖6所示，在上述條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。得到馬達(dá)實(shí)際角位移曲線如圖7所示，系統(tǒng)壓力如圖8所示。

圖6 恒負(fù)載開環(huán)控制LabVIEW 程序圖

圖7 馬達(dá)角位移試驗(yàn)曲線

圖8 系統(tǒng)壓力曲線

由圖7 可知，不論馬達(dá)是在加速、勻速還是減速階段，其實(shí)際角位移都小于目標(biāo)角位移，跟蹤效果不理想，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行偏差越來越大，在試驗(yàn)結(jié)束時達(dá)到最大值約2 860°，即馬達(dá)實(shí)際角位移要比目標(biāo)角位移滯后約2 860°，滯后了約4.7%。這是因?yàn)槟繕?biāo)角位移是理想情況下的馬達(dá)角位移，在實(shí)際情況中由于電機(jī)與主泵之間的機(jī)械傳動損失、泵和馬達(dá)的泄漏等，使得馬達(dá)實(shí)際角位移總是要比目標(biāo)值小;由圖8 可知，系統(tǒng)壓力在開始時出現(xiàn)了超調(diào)，隨后逐漸增大，40 s 左右開始保持不變，60 s 左右開始逐漸減小，這與馬達(dá)目標(biāo)角位移的3 個階段相對應(yīng)。

(2)變負(fù)載時試驗(yàn)研究

圖9 變負(fù)載加載信號

此時，比例溢流閥按正弦信號加載，正弦信號的頻率為0.01 Hz，幅值為2.5 MPa，幅值向上偏移3 MPa，相位偏移270°，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載在0.5 ～5.5 MPa 之間變化，如圖9所示。系統(tǒng)的其他設(shè)置不變，進(jìn)行試驗(yàn)。

馬達(dá)角位移曲線如圖10所示，系統(tǒng)壓力如圖11所示。由圖10 可以看出，馬達(dá)實(shí)際角位移也小于目標(biāo)角位移，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行偏差逐漸增大，在試驗(yàn)結(jié)束時達(dá)到最大偏差約3 160°，即馬達(dá)實(shí)際角位移要比目標(biāo)角位移滯后約3 160°，滯后了約5.2%，大于恒負(fù)載時的最大偏差。由圖11 可以看出，系統(tǒng)壓力在開始時出現(xiàn)了超調(diào)，之后按近似正弦形狀變化，這與系統(tǒng)的加載情況相對應(yīng)。

圖10 馬達(dá)角位移試驗(yàn)曲線

圖11 系統(tǒng)壓力曲線

2.2 泵控馬達(dá)系統(tǒng)閉環(huán)位置控制試驗(yàn)研究

通過前面的開環(huán)實(shí)驗(yàn)可知，在開環(huán)情況下，馬達(dá)實(shí)際角位移對目標(biāo)角位移的跟蹤效果并不好，為了改善馬達(dá)角位移的跟蹤效果，采用閉環(huán)PID 控制的方法，即將檢測到的馬達(dá)實(shí)際角位移作為反饋信號與目標(biāo)角位移進(jìn)行比較得到偏差信號輸入系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)PID 控制。馬達(dá)目標(biāo)角位移仍按圖4 設(shè)置，PID 控制器各個參數(shù)采用試湊法來確定，分別進(jìn)行恒負(fù)載、變負(fù)載情況的閉環(huán)PID 控制試驗(yàn)，試驗(yàn)時系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與開環(huán)時相同。

通過反復(fù)的試湊和比較，確定出PID 控制的3 個系數(shù)即比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)分別為1、0.01、0。在恒負(fù)載、變負(fù)載情況下，通過試驗(yàn)得到的馬達(dá)角位移曲線分別如圖12、圖13所示，由圖可知，不管是恒負(fù)載還是變負(fù)載，在系統(tǒng)采用閉環(huán)PID 控制后，馬達(dá)實(shí)際角位移和目標(biāo)角位移基本一致，有很好的跟蹤效果。與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，采用閉環(huán)PID 控制時的馬達(dá)角位移跟蹤效果明顯好很多。

圖12 恒負(fù)載時馬達(dá)角位移曲線

圖13 變負(fù)載時馬達(dá)角位移曲線

3 結(jié)論

對變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)位置控制進(jìn)行了研究，運(yùn)用LabVIEW 搭建完成了位置控制測控系統(tǒng)，在開環(huán)控制和閉環(huán)PID 控制情況下，分別進(jìn)行了加速、勻速、減速時馬達(dá)實(shí)際角位移對目標(biāo)角位移的跟蹤情況的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用閉環(huán)PID 控制的系統(tǒng)，馬達(dá)實(shí)際角位移對目標(biāo)角位移有很好的跟蹤效果。

【1】黃方平，林躦，徐兵.變頻閉式液壓動力單元在液壓提升機(jī)械中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2007(4):111－113.

【2】彭天好，楊華勇，徐兵.變頻泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報，2004(1):109－114.

【3】彭天好，樂南更.變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落補(bǔ)償試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012(2):175－181.

【4】徐兵，楊華勇.變頻驅(qū)動液壓電梯控制系統(tǒng)綜述［J］.中國機(jī)械工程，2001(9):1082－1086

【5】徐兵.采用蓄能器的液壓電梯變頻節(jié)能控制系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2001.

【6】ANON.Frequency-controlled Hydraulic Drive［J］.Elevator World，1998，46(2):94－97.

【7】Achim Helbig.Injection Moulding Machine with Electrichydrostatic Drives ［C］//3th International Fluid Power Conference.Aachen，Germany，2002

【8】Peter Dahmann.Closed Loop Speed and Position Control of a Hydraulic Mainpulator in Brick Works with a Frequency Controlled Internal Gear Pump in Motor/Pump Operation［C］//3th International Fluid Power Conference.Aachen，Germany，2002