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        變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)位置控制試驗(yàn)研究

        2014-03-17 01:16:44張磊彭天好鐘日良樂南更
        機(jī)床與液壓 2014年3期
        關(guān)鍵詞:角位移開環(huán)馬達(dá)

        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

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