田晴晴　谷立臣

西安建筑科技大學(xué)，西安，710055

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變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

田晴晴谷立臣

西安建筑科技大學(xué)，西安，710055

以泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合容積調(diào)速液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，完成了其監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)。在介紹系統(tǒng)工作原理及監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，結(jié)合LabVIEW技術(shù)，完成了監(jiān)控平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)。運(yùn)行結(jié)果表明：該平臺(tái)對(duì)模擬量數(shù)據(jù)及串口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集、保存及處理，并通過(guò)變轉(zhuǎn)速、變排量方式實(shí)現(xiàn)泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)的無(wú)級(jí)調(diào)速，以及通過(guò)調(diào)節(jié)比例溢流閥實(shí)現(xiàn)電液負(fù)載模擬加載。監(jiān)控平臺(tái)人機(jī)界面友好，運(yùn)行可靠，具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，能更好地滿足液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制的需要。

變轉(zhuǎn)速；變排量；容積調(diào)速液壓系統(tǒng)；監(jiān)控平臺(tái)

0　引言

近年來(lái)，在固定式液壓設(shè)備中，采用變轉(zhuǎn)速和變排量組合泵驅(qū)動(dòng)成為一種趨勢(shì)。該驅(qū)動(dòng)單元通常由變頻器及電動(dòng)機(jī)、變排量泵組成，是繼變排量泵驅(qū)動(dòng)單元、變轉(zhuǎn)速泵驅(qū)動(dòng)單元之后的又一節(jié)能型液壓動(dòng)力源，在相關(guān)的能量效率研究中也顯現(xiàn)出較前兩種高的功率效率優(yōu)勢(shì)[1-4]。但在變轉(zhuǎn)速變排量泵性能及其復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)性能方面,目前還鮮見(jiàn)研究報(bào)道。

系統(tǒng)的性能研究及安全運(yùn)行通常通過(guò)相關(guān)特征參數(shù)來(lái)表征和調(diào)整控制完成，如在變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)中，流量、壓力、溫度、電動(dòng)機(jī)及變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)反映了系統(tǒng)的工況及運(yùn)行狀態(tài)，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、泵排量等參數(shù)影響著系統(tǒng)的性能，所以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是十分必要的[5-6]。筆者以泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，完成了其監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。

1　泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)

1.1液壓系統(tǒng)組成

泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)是由變頻器、電動(dòng)機(jī)、變量泵和變量馬達(dá)構(gòu)成的一種液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，圖1是其液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)主要由動(dòng)力源、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)三部分組成。其中：

(1)系統(tǒng)動(dòng)力源為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由異步電動(dòng)機(jī)1及變頻器組成，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。交流調(diào)速系統(tǒng)采用矢量控制，通過(guò)控制信號(hào)完成系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)速。

(2)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為典型的閉式系統(tǒng)，主要包括主泵4、補(bǔ)油泵5、沖洗閥組10和變量馬達(dá)11四個(gè)部分。主泵4的進(jìn)油口、出油口分別與馬達(dá)11的出油口、進(jìn)油口通過(guò)液壓管道直接相連，液壓油在主泵4、馬達(dá)11和管路組成的封閉腔中進(jìn)行循環(huán)。油泵4輸出的高壓油直接進(jìn)入馬達(dá)11的進(jìn)油腔，推動(dòng)馬達(dá)11旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。其中，沖洗閥組10對(duì)系統(tǒng)工作油液進(jìn)行冷卻和過(guò)濾。對(duì)于變量泵-變量馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)，一般先將馬達(dá)排量調(diào)節(jié)到最大，然后通過(guò)調(diào)節(jié)泵的排量來(lái)調(diào)速，當(dāng)泵的排量調(diào)節(jié)到最大時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)排量來(lái)進(jìn)一步完成調(diào)速。

(3)加載系統(tǒng)由慣性輪、制動(dòng)器和加載液壓系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)多種負(fù)載形式的組合。其中慣性負(fù)載可通過(guò)增減慣性輪的數(shù)量(調(diào)節(jié)重量)實(shí)現(xiàn)；制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和打滑工況的模擬；加載液壓系統(tǒng)通過(guò)電液比例技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬加載，可完成典型負(fù)載工況的模擬加載[7]。其中，電磁溢流閥13在加載液壓系統(tǒng)中起安全閥作用，防止模擬負(fù)載突變引起的系統(tǒng)高壓沖擊。

1.電動(dòng)機(jī)　2.柴油機(jī)　3.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器　4.主泵　5.補(bǔ)油泵　6.補(bǔ)油溢流閥　7.補(bǔ)油單向閥　8.先導(dǎo)比例溢流閥　9.組合傳感器10.沖洗閥組　11.變量馬達(dá)　12.齒輪泵　13.電磁溢流閥　14.截止閥　15.過(guò)濾器　16.冷卻器　17.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)油箱　18.加載系統(tǒng)油箱圖1　泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)原理圖

1.2液壓系統(tǒng)調(diào)速原理

液壓泵4的轉(zhuǎn)速是通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的控制電壓從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

變量泵4的參數(shù)穿過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)后，其輸出流量為

qVp=Dpnp-qVlp=Dpnp-Cip(p-pb)-Cepp

(1)

式中，qVp和qVlp分別為泵的輸出流量、泵的泄漏流量，m3/min；Dp為泵的排量，m3/r；np為泵轉(zhuǎn)速，亦即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(忽略機(jī)械效率)，r/min；Cip、Cep分別為變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù)和外泄漏系數(shù)，m3/(min·MPa)；p、pb分別為液壓系統(tǒng)壓力和低壓油路的補(bǔ)油壓力，MPa。

根據(jù)流量平衡方程，變量馬達(dá)11的輸出流量為

Dmnm=qVp-qVlm-qVld=

(2)

式中,qVlm、qVld分別為變量馬達(dá)的泄漏流量、泵和馬達(dá)間的管路與液壓閥的容積損失，m3/min；Dm為馬達(dá)的排量，m3/r；nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min。Cim、Cem分別為變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù)和外泄漏系數(shù)，m3/(min·MPa)；V為變量泵、變量馬達(dá)、高壓油路等組成的腔體容積，m3；βe為油液彈性模量，MPa；t為時(shí)間，min。

不計(jì)變量馬達(dá)的機(jī)械效率，由式(1)和式(2)得馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速為

(3)

式(3)中分子的第2項(xiàng)至第4項(xiàng)為泵和馬達(dá)的流量損失，液壓系統(tǒng)采用林德HPV-02變量柱塞泵和HMV-02變量柱塞馬達(dá)，容積效率較高，在忽略流量損失的情況下，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速)可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓泵排量或液壓馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)復(fù)合調(diào)速。

2　監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)包括：傳感器、執(zhí)行元件、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)多功能卡(或裝置)、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和工控機(jī)等[8-9]。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖見(jiàn)圖3。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)傳感器是一種將被測(cè)量信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或其他所需輸出形式信號(hào)的檢測(cè)裝置，所以，在選擇傳感器時(shí)，必須要對(duì)被測(cè)量信息和測(cè)量需求作詳細(xì)分析，應(yīng)從測(cè)量范圍、精度、頻響范圍等方面并結(jié)合實(shí)際需求加以選擇。泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)信號(hào)包括：變量泵輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；變量泵出入口的流量、壓力、溫度；變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。本系統(tǒng)所涉及的傳感器，除2個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分析儀的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過(guò)RS-232串口通信外，其他7個(gè)傳感器均輸出4～20mA的抗干擾能力強(qiáng)的電流信號(hào)。

(2)本系統(tǒng)的執(zhí)行元件為：變頻器、變量泵、變量馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比例溢流閥和加載系統(tǒng)比例溢流閥，其控制信號(hào)為0～10 V的電壓信號(hào)。

(3)信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，旨在將它們轉(zhuǎn)化成符合采集設(shè)備讀取要求的信號(hào)及執(zhí)行元件所需的控制信號(hào)。本系統(tǒng)中的變頻器屬于強(qiáng)電磁干擾源，因此對(duì)于傳感器信號(hào)選擇加光電隔離模塊，在切斷干擾的傳播途徑的同時(shí)，也完成對(duì)信號(hào)的調(diào)理?？刂撇糠?如變量泵、變量馬達(dá)、比例溢流閥等的控制)與相應(yīng)的放大板配合使用，完成電液比例控制。

圖3　監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

(4)對(duì)于數(shù)據(jù)多功能卡(或裝置)，主要關(guān)心的是模擬量的輸入/輸出。在模擬量輸入板卡選擇時(shí)，工程中通常會(huì)對(duì)如下一些參數(shù)比較關(guān)注：輸入模式(單端輸入或者差分輸入)、輸入范圍、分辨率、采樣速率、精度和噪聲等。在模擬量輸出板卡選擇時(shí)，通常關(guān)注：輸出范圍、分辨率等。①差分輸入方式下，每個(gè)信號(hào)源的兩個(gè)端子可以有不同的接地參考點(diǎn)(更強(qiáng)調(diào)兩個(gè)端子間的相對(duì)值)，消除了共模噪聲產(chǎn)生的誤差，故精度較高。由于測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源與采集端之間的距離較遠(yuǎn)(約為4～5 m)，并且很難保證信號(hào)源有公共接地端，所以選擇了差分輸入的接線方式。然后，由采集信號(hào)數(shù)量和輸入方式?jīng)Q定采集卡的通道數(shù)量。②輸入范圍或量程是指數(shù)據(jù)采集卡能夠量化處理的最大、最小輸入電信號(hào)值。③分辨率表明采集板卡對(duì)模擬信號(hào)的最小可辨識(shí)度。通常，輸入范圍和A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定了分辨率。④采樣率，也稱(chēng)采樣頻率或采樣速度，決定了A/D轉(zhuǎn)換的速率。為了避免混疊現(xiàn)象，根據(jù)奈奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號(hào)最高頻率的2倍以上。而在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)板卡設(shè)置的采樣率一般為信號(hào)最高頻率的4倍以上。一般在產(chǎn)品樣本中給出的是最大采樣率值。根據(jù)以上I/O卡的選擇原則，本系統(tǒng)選擇研華公司的PCI-1715U模擬輸入卡和PCI-1727U模擬輸出卡。

(5)軟件部分包括驅(qū)動(dòng)程序引擎、編程接口、應(yīng)用程序及用戶(hù)的測(cè)控應(yīng)用程序，是用戶(hù)和實(shí)際系統(tǒng)之間的翻譯器。監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，可以按照工作要求靈活地搭建不同性能的虛擬儀器，使得工作效率大大提高。

(6)工控機(jī)提供了可視化操作平臺(tái)，它將上述各個(gè)部分按照要求搭建成具有監(jiān)控功能的平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)模擬采集卡完成數(shù)據(jù)測(cè)量，并根據(jù)需要完成控制目標(biāo)，最終以圖表及數(shù)據(jù)等方式進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。

3　監(jiān)控平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

基于前文所述關(guān)于監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)的監(jiān)控需要，選擇合適的傳感器、工控機(jī)系統(tǒng)等并合理布置測(cè)點(diǎn)，完成了監(jiān)控平臺(tái)硬件配置，其后，主要完成監(jiān)控平臺(tái)軟件程序設(shè)計(jì)[10]。本監(jiān)控平臺(tái)軟件程序按其功能大致分為數(shù)據(jù)I/O、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)計(jì)算顯示等功能模塊。程序采用LabVIEW2013圖形化編程語(yǔ)言，并在Windows 7操作系統(tǒng)下執(zhí)行。

3.1數(shù)據(jù)I/O

數(shù)據(jù)I/O是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈魂，其功能的實(shí)現(xiàn)如圖4監(jiān)控系統(tǒng)程序框圖所示，模擬量數(shù)據(jù)輸入通過(guò)DAQNavi函數(shù)庫(kù)中的CreateChannel、Timing、Read、ClearTask等Vi及多態(tài)Vi的設(shè)置，在While循環(huán)中實(shí)現(xiàn)7路信號(hào)的連續(xù)采集，并由“隊(duì)列”功能模塊保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)丟失傳輸，如圖4a所示；模擬量數(shù)據(jù)輸出通過(guò)CreateChannel、Write、ClearTask等Vi實(shí)現(xiàn)，如圖4b所示。其中，RS-232串口數(shù)據(jù)通過(guò)VISA函數(shù)庫(kù)的端口認(rèn)證、寫(xiě)入、讀取、關(guān)閉等Vi并在平鋪式順序結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取，具體程序?qū)崿F(xiàn)見(jiàn)圖4c。

(a)模擬量數(shù)據(jù)輸入(b)模擬量數(shù)據(jù)輸出

(c)RS-232串口數(shù)據(jù)采集圖4　監(jiān)控系統(tǒng)程序框圖

3.2參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包括了I/O通道的選擇、接線方式、范圍、標(biāo)定轉(zhuǎn)換等，詳見(jiàn)圖5的前面板參數(shù)設(shè)置區(qū)。

3.3數(shù)據(jù)計(jì)算顯示

數(shù)據(jù)計(jì)算顯示主要包括流量、壓力、溫度的原始信號(hào)波形控件顯示，及標(biāo)尺轉(zhuǎn)換后傳至儀表中的顯示，如圖5中原始波形顯示區(qū)及傳感器顯示區(qū)所示。另外，RS-232串口數(shù)據(jù)如圖5中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器顯示區(qū)所示。

監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果表明：該平臺(tái)對(duì)模擬量數(shù)據(jù)及串口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集、處理及保存，并通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、泵和馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)了泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)的無(wú)級(jí)調(diào)速，同時(shí)，完成了基于電液比例溢流閥的工況模擬加載。

圖5　監(jiān)控平臺(tái)前面板

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合容積調(diào)速液壓系統(tǒng)，根據(jù)泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)的工作原理，從數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度提出了其監(jiān)控平臺(tái)的解決方案。

該監(jiān)控平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速變排量復(fù)合調(diào)速液壓系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，符合系統(tǒng)實(shí)際要求，可靠性和可擴(kuò)展性良好。在以后的實(shí)際應(yīng)用中，只需根據(jù)所測(cè)傳感器參數(shù)的要求略加修改，增減模擬通道，即可應(yīng)用于其地工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上。

怎樣選擇液壓系統(tǒng)的調(diào)速控制策略，使系統(tǒng)在滿足工程要求的情況下，響應(yīng)快、節(jié)能且高效的課題尚有待深入研究。

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(編輯盧湘帆)

DesignofSupervisoryControlPlatformforCompositeHydraulicSpeedControlSystemwithVariableFrequencyandDisplacement

TianQingqingGuLichen

Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,710055

Thesupervisorycontrolsystemforapump-control-motorcompositehydraulicvolumetricspeedcontrolsystemwithvariablefrequencyanddisplacementwasresearched.Basedonthefullintroductiontotheworkingprinciplesabouttheexperimentalsystemandthesupervisorycontrolsystem’sstructure,thesupervisorycontrolplatformwasimplementedwithLabVIEWtechnology.Theresultsindicatethatthesupervisorycontrolsystemrealizestheacquisition,preservationandprocessingofthedata,includinganalogdata,serialdataandsoon.Atthesametime,thecontrolforthespeedofhydraulicsystemwasrealizedbyadjustingfrequencyorvariabledisplacement，andtheelectro-hydraulicloadsimulationwasachievedbyadjustingtheproportionalreliefvalve.Thesupervisorycontrolplatformwithfriendlyman-machineinterfacehasagoodopennessandextensibility，andperformsreliably,whichisabletomeettheneedsofdynamicparametermonitoringandautomaticcontrolforthehydraulicsystembetter.

variablespeed;variabledisplacement;hydraulicvolumetricspeedcontrolsystem;supervisorycontrolplatform

2015-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275375);陜西省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(15JK1412)

TH137；TP391.8

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.017

田晴晴，女，1989年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化設(shè)計(jì)。發(fā)表論文2篇。谷立臣，男，1956年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。