矢量控制技术在直驱式液压系统中的应用.pdf

Hv dr au l i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 l 2 矢量控制技术在直驱式液压系统中的应用 陈 亮 ， 王广 怀 ， 吕 萍 。 1 ． 北京 特种 机械 研究 所 ， 北京 1 0 0 0 0 0 ； 2 ． 哈尔滨 工业 大学 机械 电子工程 系 ， 黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 ； 3 ． 长春 工程学 院 ， 吉林 长春 1 3 0 0 1 2 摘要 建立 了斗轮 机主机俯 仰直驱式液压系统模 型和矢量控制 异步电动机模 型 ， 利用 M a t l a b中的 S i mu l i n k 仿 真软件分别对矢量控 制异步 电动机系统和采用矢量控制技术的直驱式液压系统进 行了仿真研究 。 结果表明矢量控制异步电动机系统具有 良好 的动态特性 ， 适 合作 为直驱式液压 系统 的动力装置。 关 键 词 直 驱 式 液 压 系 统 ； 交 流 异 步 电动 机 ； 变频 调 速 ； 矢 量控 制 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 2 7 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 1 - 0 0 2 3 0 4 Th e Ap p l i c a t i o n o f Ve c t o r Co n t r o l i n D i r e c t Driv e Co n t r o l Hy d r a u l i c S y s t e m C HE N L i a n g ， WANG Gu a n g - h u a i z , L V P i 1 ． B e i j i n g S p e c i a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． De p a r t me n t o f Me e ha t r o n i c s， Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， Ha r bi n 1 5 0 0 01， Ch i na； 3 ． C h a n g e h u n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 2， C h i n a Ab s t r a c t T h e mo d e l o f t h e D i r e c t Dr i v e Vo l u me C o n t r o l s y s t e m o f h o s t ma c h i n e p i t c h i n g mo t i o n o f t h e b u c k e t wh e e l r e c l a i me r a n d t h e mo d e l o f AC mo t o r u n d e r t h e mo d e o f Ve c t o r C o n t r o l w e r e e s t a b l i s h e d ， AC mo t o r s y s t e m a n d DDVC s y s t e m u n d e r t h e mo d e o f Ve c t o r Co n t r o l we r e a n a l y z e d b y t h e S i mu l i n k s o f t wa r e o f Ma t l a h ． T h e r e s u l t s h o w s t h a t AC mo t o r s y s t e m u n d e r t h e mo d e o f V e c t o r C o n t r o l h a s g o o d s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s a n d i t i s a p p r o p ri a t e d t o b e t h e p o we r s o u r c e o f DDVC h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s DDVC； AC mo t o r ； v a ri a b l e v o l t a g e v a ria b l e fr e q u e n c y； v e c t o r c o n t r o l U 日 Ij吾 直 驱 式 液压 系 统 是近 些 年发 展 起来 的机 电液 相 结 合的新型系统 ，兼具交流伺服电机控制的灵活性与液 压系统出力大双重优点。被认为是液压控制领域的重 要 发展 方 向之 一【 电动机的控 制是直驱式液压 系统 的关键环节 ， 文 中对矢量控制异步电动机 系统进行建模及仿真研究 ． 分析其静动特性 ．并 以改进 的斗轮机主机俯仰直驱式 液压系统为例 ，研究矢量控制异步 电动机作为直驱式 液压系统动力源的优势 。 1 斗轮机主机俯仰直驱式液压 系统 1 ． 1 系统 工作 原理 斗轮机是一种广泛应用于矿 山 、 港 口、 电厂 、 建材 等行业的大型散料装卸设备。主机俯仰运动是其工作 的主要动作 ，耗能较大 ，并常伴随臂架容易振动的问 题 。图 1是直驱式液压系统在斗轮机主机俯仰运动的 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 4 1 9 作者简介 陈亮 1 9 8 7 一 ， 男 ， 北京人 ， 助理 工程师 ， 硕士 ， 主要从事机 电一 体 化和液压技术研究工作 1 1 1 0 l 一 交流变频电动机2 一 双旋向双联定量齿轮泵3 一 单 向阀 4 一 梭 阀5 一 液控单 向阀6 一 溢流 阀7 一 单 向阀8 一 单 向顺序阀 9 一 二位三通 电磁换向阀 1 O 一 外泄式液控单向阀 1 1 - 溢流阀 l 2 一 液压缸 图 1直 驱 式 液 压 系统 原 理 图 2 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 1 1期 应用。系统采用双联齿轮泵 ， 主泵为主油路供油， 辅助 泵带动一个吸排油回路。正向运动， 即液压缸活塞伸出 时 ， 由于采 用 差 动液 压 缸 ， 主 回路需 要 补 油 ， 辅 助 泵 经 单 向阀 3 ’ 从 液 压 包 吸油 ， 输 出 油液 经梭 阀 4和单 向 阀 7为主泵供油， 多余油液经溢流阀 6流回油箱。反向运 动 时 ， 主油 路 需要 排 油 ， 此 时辅 助 泵转 向改 变 ， 出 E l 建 立压强将液控单向阀 5反向导通 ，多余油液经液控单 向阀 5排回到油箱 ，辅助泵多余油液经溢流阀 6排到 油箱。正向运动时补油压强以及反向运动时建立的控 制 油液压 强均 由溢 流 阀 6控制 在 1 2 b a r 。 方案 中采用外泄式液控单向阀作为液压缸锁阀 ， 定 位 可靠 采 用单 向溢流 阀为液 压缸 建立 背 压可 有效 消除流量变化对背压值的影响。两项措施可有效消除 臂架振动的问题。采用异步电动机变频调速可降低能 量 消耗 ， 节 约能源 。 1 ． 2 系统建模 泵 控 非 对 称 液 压 缸 液 压 系 统 正 向 运 动 时 的方 框 图 ． 见图 2 对 泵控 非 对 称 缸 液压 系统 的方 框 图 进行 分 析 ， 忽 略粘性阻尼 曰 ， 可得系统正 向运动的特性方程 一 A 寿s l I A l ＼ e L ／ Y s 一 s to h ＼ 一 ／ 式 中D 定 量泵 主泵排 量 的一半 m 3 ／ r a d ； 定量 泵 的转速 r a d ／ s ； A， 液压 缸 无杆腔 的 面积 m ； c c cj p ci L。 C 非对称缸的外泄漏系数 m S ／ N s ； C i 非 对称 缸 的 内泄漏 系数 m S ／ N s ； C i 液压泵的内泄漏系数 m S ／ N s ； C 。 液 压泵 的外 泄漏 系数 m5 ／ N s ； l g p ； ． 非 对称 缸大 腔 中位 时 的容 积 m ； 管路的容积 m ； 2 4 液压 泵高 压腔 的容积 m ； 有效体积弹性模数 N ／ m ； P 液 压缸无 杆腔 压强 P a ； 单 个液 压缸 所受 的外力 N ； 一 液压 缸和载 荷 的质量 k g ； ， 一液 压缸 活塞 的位移 m ； 一 固 有 频 1y／ ； 一 阻尼此 阻尼 比， 。 ‘ B ． l 2 矢量控制异步电机变频调速系统 矢 量 控制 直驱 式 液压 系统 主 要 由矢 量控 制变 频 调 速系统和泵控非对称缸液压系统组成。 输人位移信号与 液压缸反馈的位移信号作 比较 ， 产生的偏差信号经 P I D 控 制将转 速信号输 出到矢 量控 制异 步 电动机环 节 ， 电动 机产生的转速信号输出到泵控非对称缸液压系统环节， 泵控非对称缸液压系统接收外负载信号 ， 并将泵对电机 的负载转矩信号反馈到矢量控制异步电动机环节。 矢量 控制 方式 下 直驱 式 液压 系统 模 型 的组 成 图如 图 3所 示 。 斜 阶 正 图3矢 量 控 制 直 驱式 液 压 系统 组成 方块 图 2 ． 1 系统 建模 矢 量控 制 实现 的基 本原 理 是通 过测 量 和控 制 异 步 电动机定子 电流矢量 ，根据磁场定向原理分别对异步 电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 ，从而达到控 制异步电动机转矩的 目的[ 3 1 。其基本思想是坐标变换 。 具 体做法 如 图 4所示 。 首先通过 3 ／ 2变换将三相静止坐标系中的数学模 型转换到两相同步旋转坐标系 MT上 ， 然后将磁链方程 产 生 的单 位 矢量 分 解 为 M T两相 同步旋 转 坐 标 系下 的 磁 场 分量 和 电 流分 量 ， 最 后 经 2 ／ 3变 换 ， 将 产 生 的三 相 交 流 电用 以控 制 电机 ，从 而 实现 对励 磁 电 流和 转矩 电 流 的解耦 控制 。 Hv d r a ul i cs Pn e uma t i c s＆ S e a l s ／ No． 1 1 ． 2 01 2 图4三 相 异 步 电动 机 矢量 控 制 系统 结 构 图 2 _ 2 系统仿 真 斗轮堆取料机有取料 、 堆料 、 空载三种工况 。针对 斗轮机对俯仰速度改变 的需要 以及两种工况切换时会 出现 负载 突 变 ，下 面对 矢 量控 制 异 步 电动 机按 空 载 启 动 、 负 载启 动 、 突 然 减 速 、 突 然 加 速 、 突减 负 载 、 突 加 负 载六种工况进行仿真分析 。仿真涉及的参数见表 l 。 表 1 异步 电动机参数 1 变转速仿真曲线 图 5 ～ 图 7为改变输入转速信号的电动机转速 、 电 流 、 转矩仿真 曲线。初始输入信号为 1 5 0 0 r ／ mi n的阶跃 信号 ， l s时 ， 阶跃至 1 2 0 0 r ／ mi n ， 2 s 跃变至 2 0 0 0 r ／ mi n ， 整 个 过 程未 加 负载 。 一 番 o o 。 茜 3 UU ． 一 5 0 0 ] 兰 _ _ 时间 舟 图 6电动机定子 电流 曲线 一4 0 0 2 0 0 0 娶 枷- 2 0 0 5 l l 5 5 3 时间 ／ S 图 7电动机转矩 曲线 2 变负载仿真曲线 图 8 图 1 0为改变负载转矩的电动机转速 、 电流、 转 矩仿真曲线。根据斗轮机实际工况， O ～ 1 s ， 负载转矩 1 8 0 N m， 1 ～ 2 s ， 负载转矩 T m 0 N m， 2 ～ 3 s ， 7 ． ,-- 一 1 8 0 N m。 ～ 避 时间 图 8电动机转速 曲线 图 9电 动 机 定子 电流 曲线 4 0 0 _ 2 0 0 0 娶 二 1 l 5 2 2 5 3 时间 ／ s 图 1 O电 动 机 转 矩 曲 线 通过以上分析可知 ，电动机的转速信号可 以快速 响应 输入 转 速信 号 的改 变 ． 并 且定 子 电流 、 转矩 也 随之 响应变化 ，这说 明矢量控制实现了定子电流励磁分量 和转矩分量的解耦。通过对电动机进行加载分析可知 ， 负载变化时 ，电动机很快恢复稳定 ，且稳态转速无静 差 ，这表 明矢量控制下异步电动机具有很强的适应能 力 和抗 干扰 能 力 ， 具有 良好 的静 动特性 。 3 矢量控制直驱式液压 系统建模 与仿真 图 1 1 为矢量控制直驱式液压系统仿真模型l4 I。在 Ma t L a b ／ S i m u L i n k中对矢 量控 制直 驱式 液压 系统 进行仿 真研究 ， 其对 阶跃信号 、 斜坡信号及正弦信号的响应仿 真曲线如图 1 2 一 图 1 4所示 ， 虚线为给定信号 ， 实线为跟 踪信号。 系统 对 | 0 m m 阶跃 响应 所用 时 问 为 1 ． 2 s ． 对 5 0 m m 阶跃响应时间为 4 ． 9 s 。 最大速度约为 1 0 mm ／ s ． 满足斗轮 机主机俯仰运动对液压缸速度的要求。可以看出． 矢量 控制方式下 ，直驱式液压系统对阶跃信号的响应没有 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 1 1期 稳 态误差 。 E E ～ 渣 遵 E ￡ ～ 迫 图 1 1 矢量控制直驱式液压系统仿真模型 7 O 6 0 至 5 0 4 O 鎏 。0 l 0 ／ } ，攀 2 4 6 8 1 0 H lJ I lj _I 图 1 2系统阶跃响应 曲线 { s t e p t O rero， 5 0 ram 时I l丑 j s 曼 妄 ＼ 越 图 1 3系统斜坡 响应 曲线 右加积分校 正 l 0 一 O 一 一 1 0 o 。 o 登 二 二 H 寸I珂 H qllIl 图 1 4 系 统正 弦响 应 曲线 1 mm1 Hz， 0． 5 mm2 Hz 系统对 1 0 m m／ s 斜坡信号的响应存在 0 ． 8 ram的跟 随误 差 。通 过调 整 P I D环 节 中的积 分系数 ． 可 以实现 对 斜坡输 入 的无差 跟踪 系统对幅值 l mm， 频率 1 H z 的正弦信号 ， 相位滞后 和幅值衰减都非常小 ， 符合双十指标。 对幅值为 0 ． 5 mI l l ， 频率为 2 H z的正弦信号跟踪 ，幅值和相位 出现较大衰 减， 但相位滞后未超过 9 0 。 。 4 总结 仿真结果表明 ， 矢量控制方式下 ， 直驱式液压系统 具有 良好 的静 动特性 ，满 足斗 轮机 主机 俯 仰运 动 对 动 力装 置 的性 能要 求 。分 析表 明矢量 控 制异 步 电动 机 非 常适合作为直驱式液压系统的动力源。 参 考 文 献 [ 1 】 S ． Ha b i b i ， A ． G o l d e n b e r g ． D e s i g n o f a N e w Hi g h P e r f o r m a n c e E l e c t r o H y d r a u l i c A c t u a t o r 【 J 1 ． I E E E ． T r a n s ． M e c h a t r o n i e s ， 2 0 0 0 ， 5 2 1 5 8 1 6 4 ． 【 2 ] 刘庆和． 直驱式液压传动系统的特点 及设计要点[ J 】 ． 机床与液 压， 2 0 1 0 ， 1 1 8 0 8 4 ． 【 3 ] 林风． 变频器技术 及应用【 J ] ． 电器工业 ， 2 0 0 9 ， 9 5 6 5 8 ． I 4 】 纪 志成 ， 薛花 ， 沈艳 霞． 基 于 Ma t l a b交流异 步电机 矢量控制 系统 的仿真『 J 1 ． 系统仿真学报 ． 2 0 0 4 ， 3 3 8 4 3 8 ． “ ” - 一* 十- - - 一 - -- - - - - - 一十- ” 一 - 一 - 一 - 一 - ** 一 “一 卜 “ -* ‘ - 一 一 * - ’ 卜 - 。 卜 一 _ 上接第 2 2页 参 考 文 献 【 1 ] 吴 卫 峰． 液 压 系 统液 压 脉 动研 究 【 J 】 ． 浙 江工 业 大学 学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 f 6 ． [ 2 】 张智慧． 水刺头供水管网液流脉 动特性研究[ D ] ． 郑州 郑州大 学 ． 2 01 0 2 5 ． 【 3 1 李丽云． 液压系统 常见振动与噪声 的分析与解决措施【 J 】 ． 液压 气动与密封 ， 2 0 1 1 ， f 1 5 6 ． 【 4 ] 鲍晓兵． 液压 系统噪声分析及对策【 J ] ． 液 压气动与 密封 ， 2 0 0 9 ， f 5 1 l 一2． [ 5 ] 罗志昌． 流体网络理论【 M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 8 8 ． 【 6 】 马哲． 输液管网压力脉动数学建模 及仿真研究【 D 】 ． 天津 天津 2 6 大 学 ． 2 0 0 3 ． 『 7 】 贺 尚红 ， 钟掘． 复杂流体 网络 动态建模与仿 真新方法[ J ] ． 机械 工 程 学报 ， 2 O Ol ， 3 ． [ 8 】 曾祥荣， 等． 液压 噪声控制【 M 】 ． 哈尔滨 哈尔 滨工业 大学 出版 社 ． 1 9 8 8 ． 【 9 ] 俞继印， 等．轴 向柱塞泵流量脉动的分析【J J ． 机床 液压，2 0 0 5 ， 9 ． [ 1 O ] 贺 尚红， 李培滋． 流体滤波器实验建模【 J 】 ． 机床与液压， 1 9 9 0 ， 3 ． 【 l 1 】吴志章， 罗群 贤． 复杂管路系统压 力谐 振特性仿 真研究【 J ] ． 计 算机仿真 ， 1 9 8 9 ， f 3 ． 【 l 2 】 苏尔皇． 管道动态分析及液流数值计算方法【 M] ． 哈尔滨 哈尔 滨 工 、 I 大 学 出版 社 ， 1 9 8 5 ．