基于变频技术的液压容积调速系统研究_史志永

文章编号:1001-0874(2003)03-0008-03基于变频技术的液压容积调速系统研究史志永1,2,赵庆龙2,詹永麒1(1.上海交通大学,上海200030;2.煤炭科学研究总院上海分院,上海200030)摘　要:　本文提出一种基于变频技术的液压容积调速系统,重点介绍系统结构、工作原理,并建立了数学模型进行分析和仿真研究。

关键词:　变频;容积调速;数学模型;仿真中图分类号:TM921.51 文献标识码:AStudy on Hydraulic Volumetric Sp eed ControlSystem Ba sed on Converter TechniqueS HI Zhi 2yong1,2,ZHA O Qi ng 2long 2,ZHA N Yong 2qi1(1.Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China ;2.China Coal Research Institute Shanghai Ltd.,Shanghai 200030,China )Abstract :　The paper presents a hydraulic volumetric speed control system based on converter technique ,laying stress on the introduction of the structure and working principles of the system.A mathematical model of the system is built for analytic and simulation study.Keywords :　frequency conversion ;volumetric speed control ;mathematical model ;simulation1　引言液压系统以其功率大、惯性小、响应速度快、调速范围宽及易于实现过载保护等突出优点而在矿山机械中被广泛采用。

调速回路是液压系统中最主要的回路形式之一,在采煤机、绞车等各种场合应用非常广泛。

传统的液压调速方式是从液压系统本身考虑,主要有节流调速和容积调速,这两种传统的液压调速方式在实际应用上各有其局限性。

随着现代电子技术的发展,交流变频技术日益成熟,本文提出一种较新的液压调速方式,就是对驱动液压泵的电动机采用变频控制,靠改变电动机的转速来改变泵的输出流量,从而达到调节执行元件运动速度的要求。

2　系统结构本系统采用闭环控制回路,即用光电编码器采集马达的转速信号,经信号处理(A/D 卡对光电编码器进行脉冲计数和定时)后,反馈给计算机和给定输入值进行比较,通过控制器、变频器等相应的改变主油泵的转速,最终达到精确控制马达转速的目的。

系统结构示意图和电气接线示意图如图1、图2所示。

从图中可知,溢流阀3在系统中起安全保护作用;比例溢流阀6被用来对马达进行背压加载,其压力值的大小由控制器通过D/A 卡和放大器输出的信号决定。

由于各类液压泵和马达都存在一定的容积损失,系统压力变化后,马达转速势必也有所改变,尽管本系统采用了转速反馈的闭环控制,但是为了提高系统响应速度,在马达进口设置了一个压力传感器,采集系统压力值并传递给控制器,控制器根据系统压力值适当对其输出控制参数进行调整,例如在系统压力升高时,适当提高输入给变频器的电压值以增加液压泵的转速,补偿系统的容积损失。

本系统是典型的泵控马达回路,在液压领域普遍应用,主要用于采煤机、液压绞车或回转工作台等。

・8・ 煤　矿　机　电2003年第3期图1　系统结构示意图12电机;22液压泵;32溢流阀;42过滤器;52液压马达;62比例溢流阀图2　电气接线示意图3　数学模型分析(1)变频器环节系统所采用的变频器是DANFOSS 公司VL T2875型号的变频器。

考虑到对于控制中电机的最大转矩会随着频率降低而出现下降趋势,为此采用改变频器的低频补偿功能,适当提高输入电压,以补偿定子电阻上的电压降。

在变频控制中,控制器的输出为0～10V 电压,系统速度v j 0拟输出范围500～1500r/min ,则控制电压的放大倍数:K c =10/150=6.67×10-3u c =K c v j 0 由于变频器和异步电机相比,其时间常数小得多,因此,在考虑变频器—电机环节中变频器输入控制电压u c 和异步电动机输出转速n 之间的关系时,忽略变频器的动态相应时间过程,将变频器简单地看成比例环节,并设比例值为K bp ,则变频调速电压:u bp =K bp u c =K bp K c 0v j 0 (2)泵—马达环节为便于分析,将液压泵当作变量泵来考虑,并对其回路部分作如下假定:1)忽略管理损失、流量脉动及油泵的调节死区;2)认为系统回油压力为零。

据此,回路中马达的转速(转速特性):ωM =V PV M ωP ηPv ηM v[1] 根据流量连续性,回路的流量方程为:V P ωP =V M ωM +(λM +λP )P +V rj E y ・dpdt[2] 液压马达力平衡方程:V M p =JdωM dt+cωM +M [3]式中:V P 、V M —液压泵、液压马达的排量;ωP 、ωM —液压泵、液压马达的角速度;ηPv 、ηM v —液压泵、液压马达的容积效率;λM 、λP —液压泵、液压马达的泄漏系数;P ———系统压力;V rj —回路高压侧的总容积;E y —油液的有效体积弹性系数;J —转动惯量;c —粘性阻尼系数;M —外负载。

(3)系统的传递函数和控制方块图对式[1]、[2]及[3]分别进行拉氏变换,则系统传递函数为:G (s )=ΔωM ΔωP =V PV m JV rjE y V2Ms 2+1 再综合考虑转速反馈,得出系统控制方块图如图3所示。

图3　系统控制框图 图中Δx 为变频器的输入信号值电压0～10V ,反馈值K 为将转速信号转化成电压信号的比例系数,F z 为本系统所采用的模糊控制器。

4　仿真研究利用MA TLAB 软件中的SIMUL IN K 模块,采用SIMUL IN K 提供的ode45算法和定步长方法,液压马达排量为q m =1.77×10-6m 3/rad ,外负载变化T F =100Nm ,马达转速响应曲线如图4所示,速度跟踪时间大约0.8s 。

・9・2003年第3期煤　矿　机　电图4　系统响应仿真曲线图5　结语(1)变频液压调速系统主要特点 1)无节流损耗、发热少;2)电机和泵大多数时间内在基频以下运行,避免长期高速运行,可以有效减少泵的磨损和系统噪声,延长使用寿命,提高系统的可靠性; 3)变频容积调速易于实现微机控制等优势,在液压领域的应用前景十分广泛。

(2)主要不足1)本系统目前使用成本还比较高;2)系统响应频率还不太理想。

随着电力电子技术的进一步发展和对变频技术在液压领域应用的进一步深入研究,其不足之处相信一定能很快被克服。

参考文献:[1]　王世民,等.交流变频容积调速回路的特性与速度控制[J ].机床与液压,1999(5)[2]　官忠范.液压传动系统[M ].北京:机械工业出版社,1981作者简介:史志永(1975-),男,工程师,上海交通大学在读硕士研究生。

1996年毕业于中国矿业大学,现在煤炭科学研究总院上海分院从事液压传动与控制技术的设计与研究工作。

(收稿日期:2002-12-02;责任编辑:姚克)(上接第7页)m q =R ′X T　P Z T =T q P C=∑nii =1n i sin Φi (sin Φi +k cos Φi )∑nii =1n isin Φi[12] 与m H 相同,当纵向摆动截割时,对于半煤岩巷道掘进机,可取m q =1.4～1.8。

同样,在截割头功率、转速和直径一定时,保证截割头正常工作所需纵向牵引力为:T q =m q 1P c =19.1N Cn c D Am q 1[13]4　结语(1)无论截割头进行横向摆动或纵向摆动截割,为了充分发挥由截割头电机功率所决定的周向截割力P C 的作用,必须使其横向摆动力T H 或纵向摆动力T q 与P C 保持合理的匹配关系。

(2)从导出的匹配系数可知,当取k =1.5～2.0时,m H =m q =1.4～1.8,因此,可按T H =T q =(1.4～1.8)P C 来确定截割头的摆动牵引力。

T H 、T q 可作为设计横向或纵向摆动机构与相应液压缸有关参数的基础。

(3)在截割头横向或纵向摆动的过程中,截割头除受到截割阻力和运动方向的牵引(摆动)阻力作用外,尚受到与摆动方向垂直的附加垂直力或附加水平力的作用。

因此,对应的升降油缸或水平摆动油缸的两腔在液压回路上必须形成闭锁,才能承受截割时的附加载荷。

目前,悬臂掘进机上的这两组液压缸,均采用“O ”形机能的操纵阀来实现中位封闭,可在一定程度上满足闭锁要求。

但当煤岩的强度较高、截割阻力与附加阻力较大时,仅靠操纵阀的中位封闭性能是难以满足的。

而且阀后液流长期处于高压,会影响滑阀的封闭性能。

因此,应在液压缸的两腔油路上设置由液控单向阀构成的液压锁进行锁紧。

参考文献:[1]　黄日恒.悬臂式掘进机[M ].徐州:中国矿业大学出版社,1996[2]　杨长明编译.悬臂式掘进机工作机构传动装置剥落煤岩的载荷计算[J ].矿业译丛,1991(2)[3]　齐慧春.悬臂式掘进机整机试验数据分析[J ].煤矿机电,1994(2)[4]　常琏.试论两种悬臂式掘进机截割头机构[J ].煤矿机械,1994(2)作者简介:项阳(1975-),女,助教。

1999年毕业于贵州工业大学,现在上海工程技术大学任教,发表论文数篇。

(收稿日期:2002-11-07;责任编辑:陈锡强)・01・ 煤　矿　机　电2003年第3期。