蔡少釤

（珠海凱邦電機(jī)制造有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

伺服系統(tǒng)具備的優(yōu)勢令其在航天和軍事領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的運(yùn)用，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和液壓技術(shù)等基礎(chǔ)上，液壓控制技術(shù)在一定領(lǐng)域內(nèi)得到了很好發(fā)展。傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)能夠根據(jù)控制元件的不同，將其分成閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)。在微電子技術(shù)和大功率電子器件的發(fā)展下，變壓變頻技術(shù)已經(jīng)引起了人們的關(guān)注，從控制理論入手，解決了伺服系統(tǒng)中控制與節(jié)能的問題，讓交流伺服系統(tǒng)逐漸取代直流伺服系統(tǒng)成為新的調(diào)速方式。

1 研究背景

某公司現(xiàn)有280 t 壓鑄機(jī)9 臺，經(jīng)統(tǒng)計(jì)年度電能消耗量約為7.7 萬kW·h，按照單月平均1 度電0.8 元計(jì)算，每臺壓鑄機(jī)每年耗費(fèi)電費(fèi)6.2 萬元。工藝設(shè)備部門對所需電量和費(fèi)用計(jì)算之后，積極響應(yīng)國家節(jié)能和環(huán)保理念，對壓鑄機(jī)進(jìn)行改造試行，改造之后的系統(tǒng)顯示節(jié)電量為25%。改造之后的系統(tǒng)降低了能源消耗，對于現(xiàn)代科學(xué)的節(jié)能發(fā)展起到了很好作用。伺服泵控工作原理中，標(biāo)準(zhǔn)壓鑄機(jī)液壓系統(tǒng)選擇定量泵系統(tǒng)，壓鑄機(jī)工作的過程中電機(jī)始終處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率52 Hz，油泵流量同樣處于恒定狀態(tài)。在生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)循環(huán)中的鎖模、儲能等環(huán)節(jié)需要的流量和壓力大相徑庭，壓鑄機(jī)運(yùn)行過程處于負(fù)載狀態(tài)。除高壓鎖模之外，儲能和增壓時(shí)需要采取較大的速度與壓力，其余工序?qū)λ俣群蛪毫Φ男枨蠖急容^小。

目前的高壓溢流液壓系統(tǒng)主要依靠比例閥調(diào)節(jié)流量與壓力，并將多余的液壓油通過溢流閥回流到油箱內(nèi)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這個(gè)過程的能量損耗達(dá)到了20%～50%。為降低高壓溢流消耗的大量能耗，達(dá)到節(jié)能的目的，在節(jié)能改造中采用異步伺服技術(shù)。在改造過程中，異步伺服主電路串接在電機(jī)回路中，在空氣開關(guān)和接觸器之間，控制線路取PLC 的比例流量閥等信號，在高壓泵油路上安裝壓力傳感器，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求的流量和壓力提供液壓油，減少高壓溢流存在的浪費(fèi)情況。

2 伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)的研究

泵控系統(tǒng)的伺服變量泵一般以電機(jī)作為轉(zhuǎn)速動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并在液壓系統(tǒng)的運(yùn)行中利用變量泵運(yùn)行方式的改變來控制變量泵排量大小，以及流量和壓力的大小。泵控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)相比較，其損失率更小、更加節(jié)能，常使用于對功率有較大需求的場合。與此同時(shí)，由于系統(tǒng)具有固有頻率低、響應(yīng)速度慢和調(diào)速范圍小等特點(diǎn)，讓其存在動(dòng)態(tài)特性不高的特征。所以在傳統(tǒng)系統(tǒng)容積調(diào)速中，其控制方式受外負(fù)載變化和油污等干擾有顯著影響，因?yàn)槠錂C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高、運(yùn)行效率低下，給傳統(tǒng)生產(chǎn)帶來很多不利因素。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大功率電子器件的推廣讓變頻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，伺服系統(tǒng)的控制方式得到了改進(jìn)，交流伺服系統(tǒng)逐漸成為伺服技術(shù)中的主流技術(shù)。伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)屬于新技術(shù)，目前國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品還沒有形成商品化的伺服直驅(qū)泵控液壓機(jī)以及壓鑄機(jī)產(chǎn)品，在系統(tǒng)上存在需要解決的難題。

（1）伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。由于其屬于容積調(diào)速系統(tǒng)的特性，動(dòng)態(tài)性能與一般的閥控系統(tǒng)相比要差一些，在改造過程中應(yīng)該考慮如何提升其動(dòng)態(tài)性能擴(kuò)展。

（2）傳統(tǒng)控制策略的控制效果不理想?？刂齐姍C(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制中根據(jù)需要改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和方向。然而由于系統(tǒng)本身具有強(qiáng)烈的非線性特質(zhì)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制策略無法獲得良好的控制效果，所以選擇控制策略也在某種程度上決定了最終的控制效果。需要通過合理的控制策略來保證對伺服電機(jī)的精確控制，保障在活塞運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)對液壓機(jī)的良好控制，如運(yùn)轉(zhuǎn)方向、速度、壓力等。

（3）耗能大。由于是以降低能耗為目的改造傳統(tǒng)液壓機(jī)而采用伺服直驅(qū)泵控液壓技術(shù)，所以在具體的研究和分析上也需要針對節(jié)能機(jī)理和效率等進(jìn)行詳細(xì)研究，力求找到很好的節(jié)能途徑。

3 泵控液壓系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)理研究

建立伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以對其進(jìn)行研究，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為研究系統(tǒng)性能的好壞，方便采取對應(yīng)的措施來提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。在建立能耗仿真模型的基礎(chǔ)上研究，為系統(tǒng)技術(shù)的運(yùn)用提供理論上的指導(dǎo)。

3.1 參數(shù)變化和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能之間的影響

建立Simulink 仿真模型，仿真時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)器的控制電壓信號0～10 V，輸出參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)速積分就是位移參數(shù)。在參數(shù)分析的過程中通過改動(dòng)其中的某一參數(shù)值，就可以對比仿真模型曲線加以分析。通過對比可知：超調(diào)減少，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化對運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及運(yùn)轉(zhuǎn)壓力都不會產(chǎn)生影響。進(jìn)而分析得到：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大會導(dǎo)致活塞速度響應(yīng)和壓力響應(yīng)變慢，要進(jìn)一步提高活塞速度響應(yīng)的高效性，可以通過采取減少荷載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式，但也要注意減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，對運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性相應(yīng)降低。

3.2 系統(tǒng)的泄漏

系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏的原因主要是泵和液壓缸出現(xiàn)泄漏，而泵內(nèi)泄漏遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓缸的泄漏，會增大對系統(tǒng)性能的影響?；钊俣群拖到y(tǒng)壓力上升斜率相對降低是因?yàn)樾孤┫禂?shù)有所增加，雖然上升到頂點(diǎn)的時(shí)間沒有變化，但是超調(diào)量減小，速度和壓力穩(wěn)態(tài)數(shù)值偏低。所以確定容積效率的過程中要選擇高效率的液壓泵，以獲得更加優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和更高的調(diào)速精度。

3.3 負(fù)載

在模型上模擬負(fù)載大小對系統(tǒng)性能造成的影響，在研究中知道負(fù)載增加之后，系統(tǒng)壓力也增加升高，泄漏也增加，導(dǎo)致活塞的穩(wěn)態(tài)值在負(fù)載增加之后相應(yīng)下降；活塞的啟動(dòng)和上升時(shí)間被延后的主要原因是負(fù)載增加后系統(tǒng)壓力需要升高到能夠克服外力。超調(diào)量減小后快速性雖然沒有受到影響，但是系統(tǒng)壓力會升高，同時(shí)超調(diào)量下降也會導(dǎo)致負(fù)載增加，系統(tǒng)平穩(wěn)性變好也會對調(diào)速的精度產(chǎn)生影響。

4 伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理

4.1 負(fù)載特性分析

成型加工工藝過程中負(fù)載具有如下的特征：

（1）呈現(xiàn)周期高尖峰負(fù)荷。此情況出現(xiàn)的原因是在精密成形加工工藝中，工件的屈服壓力有很大可能超過100 MPa，而成形裝備滑塊可以產(chǎn)生充足的力量使工件進(jìn)入屈服狀態(tài)。大部分加工工藝及機(jī)器在工作過程中產(chǎn)生的阻力呈現(xiàn)的周期尖峰特征也不是一成不變的。

（2）出現(xiàn)比較大的空行程。在放工件和取工件的時(shí)候，總行程大于成品高度的2.5 倍。

（3）形成長時(shí)間待機(jī)。待機(jī)時(shí)間很大程度由工藝成形的周期性決定，如果人工進(jìn)行操作的情況下，針對每一個(gè)工作周期，都需要預(yù)留大量的時(shí)間進(jìn)行放、存工件等操作。

4.2 伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理

對于溢流、節(jié)流損耗兩種系統(tǒng)，其對電機(jī)環(huán)節(jié)的損失與泵、液壓系統(tǒng)泄漏引起的容積、機(jī)械傳動(dòng)等損失都包含在其中，節(jié)流閥控系統(tǒng)使溢流、節(jié)流損失的工作環(huán)節(jié)大大增加，導(dǎo)致了伺服直驅(qū)泵控系統(tǒng)比節(jié)流閥控制系統(tǒng)更加節(jié)能。同時(shí)，由于成形加工負(fù)載具有的周期性特征，以及閥控系統(tǒng)不隨負(fù)載輸出流量和壓力，導(dǎo)致在工作的大部分時(shí)間內(nèi)必然存在一定的損失?？招谐屉A段，伺服直驅(qū)泵控液壓控制系統(tǒng)可以避免溢流損失、節(jié)流損失，還能提升生產(chǎn)的效率。

5 改進(jìn)運(yùn)用探析

國內(nèi)對伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究起步雖晚，但是取得了非常顯著的效果。在早期參與研究的單位主要有國內(nèi)各所高校，進(jìn)入新時(shí)期之后不斷有新的產(chǎn)品與技術(shù)問世。針對伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)存在的一些問題進(jìn)行積極改進(jìn)，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、調(diào)速精度存在問題等方面入手，調(diào)查問題的原因，進(jìn)行針對性改進(jìn)。以解決低速穩(wěn)定性為例，在研究過程中從幾個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)，如采用低速性能好的泵或者高性能的變頻器，但需付出相應(yīng)的成本；增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或阻尼，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)減慢，品質(zhì)也會更差。因此需要采取合理的控制方式，以及精確的控制算法，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，提升系統(tǒng)品質(zhì)，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

對伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)節(jié)能的改進(jìn)，節(jié)能效率達(dá)到20%～30%，因現(xiàn)有的設(shè)備并沒有達(dá)到正常的折舊周期，設(shè)備現(xiàn)階段使用狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明設(shè)備處于可改造的狀態(tài)。對設(shè)備進(jìn)行全部改造，節(jié)省的電量費(fèi)用約為1.5 萬元，投入成本約3 萬元，改造投資成本的回收期2 年，實(shí)際改造后的運(yùn)行效果證明利用伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造是切實(shí)可行的。

6 結(jié)語

對于伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理的研究，可以避免溢流損失和節(jié)流損失等，研究可得出以下結(jié)論：伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)的實(shí)際效率遠(yuǎn)高于閥控系統(tǒng)，并且具有很好的匹配特征。因而在實(shí)際使用中，節(jié)能的關(guān)鍵是選擇容積效率高的液壓泵。