液压舵机变转速泵源的研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 0 V0 I ． 3 8 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 1 液压舵机变转速泵源的研究 吴晓 明，王俊娇 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要在分析变量泵和直流电机数学模型的基础上，制定配备有变转速泵源的液压舵机的控制方案，建立泵源系统开 环控制数学模型，设计基于 D S P和 P WM的直流电动机控制系统硬件电路，给出泵源控制系统的实验结果。研究表明采 用 D S P控制技术可使泵源系统获得高精度、高可靠性的控制效果 ；采用变转速泵源后，液压泵的无效功耗有明显的下降， 系统效率提高。 关键词液压舵机；变转速泵源 ；恒压变量泵；直流电机；D S P 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 30 7 1 3 Re s e a r c h o n Va r i a bl e s pe e d Pump i ng So ur c e o f Hy d r a ul i c S t e e r i ng Ac t u a t o r WU X i a o m i n g ．WA N G J u n j i a o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e mo d e l s o f t h e v a ria b l e p u mp a n d DC mo t o r ．t h e c o n t r o l s c h e me o f t h e h y d r a u l i c s t e e r i n g a c t u a t o r e q u i p p e d w i t h v a ria b l e s p e e d p u mp s o u r c e wa s e s t a b l i s h e d ． Th e ma t h e ma t i c mo d e l o f t h e o p e n l o o p c o n t r o l p u mp s o u r c e s y s t e m w a s b u i l t ． T h e h a r d w a r e c o n t r o l c i r c u i t o f t h e DC c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n DS P a n d P W M w a s d e s i g n e d a n d t h e e x p e rime n t a l r e s u l t o f t h e p u mp s o u r c e c o n t r o l s y s t e m w a s g i v e n ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t u s i n g DS P c o n t r o l t e c h n o l o g y c a n ma k e s y s t e m b e c o me mo r e p r e c i s e a n d r e l i a b l e ， t h e i n v a l i d a t e d p a v e r i s d e c r e a s e d ma r k e d l y a f t e r a d o p t i n g v a r i a b l e s p e e d p u mp s o u r c e a n d t h e e ffi c i e n c y o f t h e p u mp s o u r c e s y s t e m i s a d v a n c e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s t e e rin g a c t u a t o r ；Va ri a b l e s p e e d h y d r a u l i c s o u r c e ；C o n s t a n t p r e s s u r e v a r i a b l e p u mp；DC mo t o r ；DS P 液压舵机具有动态特性好、输出精度高 、输出功 率大等优点，主要应用于航空、航天和船舶的操舵系 统 中。随着对航天器液压控制系统精度 、机动性和可 靠性要求的提高，高压、大功率已经成为液压舵机泵 源系统的发展趋势。但是这种发展趋势 ，不可避免地 带来了系统无效功率的增大、系统散热困难等负面问 题 。如能够根据实时负载进行压力 自动调节组成智 能 泵源是解决这一问题根本有效的途径 。 液压舵机通常所用 的恒压式变量柱塞泵 的最大输 出流量按照工作过程的峰值设定，但舵机负载随飞行 器飞行状 态的不 同变化很大 ，只是在相对短 的时段 内 需要泵源大流量输出，其余大部分时间只需要小流量 就足够了 。弹载液压舵机的无效功耗主要来源于系统 内各个节流 口的节流功率损失和各个摩擦副 之间的机 械功率损失。降低泵源转速可以有效地降低柱塞泵内 部各个摩擦副的机械功率损失，因此作者提出了为弹 载液压舵机配备变转速泵源系统 的方案 以达 到有效 降 低弹载液压舵机的无效功耗 ，从而降低舵机系统的温 升 、延长舵机工作时间 的 目的。 1 变转速泵源控制方案 弹载液压舵机变转速泵源 的实质是根据舵机负 载 需求调节泵源转速 ，从而达到降低舵机系统无效功耗 的 目的 。因此 ，其关键 在 于以下 两点 1 泵 源能 够正确及时地感知舵机的负载需求 ，并获得泵源转速 控制指令 ； 2 泵 源的转速 响应具有 足够 的快 速性 ， 即电机转速响应具有足够的快速性。 舵机在工作过程中仅仅在短时间内需要泵源以峰 值压力和流量输出。目前液压舵机多采用恒压变量柱 塞泵作为泵源，这种泵源可以在保证输出压力恒定的 同时，根据负载需求 自动调节输出流量。变转速泵源 由直流电机、变量泵和控制器等组成，可以通过调节 泵源转速，使泵源的输出压力和流量与舵机需求相匹 配。 采用直流有刷 电机作为油泵 电机 的舵机系统 ，其 框图如图 1所示。 为舵机控制指令。电机控制器 具有两个输入 和 e ，其 中 为 电机的基础转速 最低转速信号，即舵机处于零位工作状态时的电 机转速信号 ，e 为舵机的偏差信号，取绝对值后将其 引入到电机控制器中，并经过运算后与 叠加，最 终形成油泵电机的控制信号。恒压变量柱塞泵的输出 压力由调压弹簧的预压力 F 决定 ，实际输 出流量由 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介吴晓明 1 9 5 7 一，男，工学博士 ，教授 ，主要研究方向为液压控制系统方面的研究。电话1 3 1 3 3 5 5 1 9 5 6， E ma i l x mwu y s u． e d u． a n。 7 2 机床与液压 第 3 8卷 负载流量 Q ． 决定 ，因此，泵 内部具有两个控制 回 路，即以电机转速为输入的流量控制回路和以调压弹 簧预紧力 为输入的压力控制回路。在压力控制回 路中负载流量 Q 。 ． 取绝对值后 作为干扰信 号处理 。根 据系统数学模型 ，在仿真 的基础上 设计 电机控制器 ， 并以设计 的实验平 台为基 础进行实验 ，通过实验结果 进一步修正控制器 的设计 。 恒压 变量 柱塞 泵 图1 带有泵源控制功能的液压舵机框图 2变转速泵源开环设计 泵源的输出流量主要用于驱动液压执行器动作 ， 因此其控制指令可以通过舵位置的偏差信号 e 通过 运算获得 ，运算法则需要综合考虑舵系统的伺服放大 器和伺服阀的数学模型。舵位置偏差信号有正负之 分，但是，舵机从泵源取用的流量是无正负之分的， 因此，需保证流量需求为正值。泵源输出流量 Q 关 于舵位置的偏差信号 e 的运算法则如式 1 所示 1 e ． I Q 1 式中 为舵系统 的流量放 大系数 ； 为舵系统时间常数。 因此，泵源电机为了满足负载输出需求需要增加 的转 速 A n可由式 2 求得 ㈦ 式中 D 一为柱塞泵 的最大排量 ； C 为排量修正系数。 泵源为液压舵机提供高压油 ，是液压舵机的动力 源，因此在确定泵源电机的转速控制指令时，还需要 考虑 以下因素 1 泵源必须有 一个 基础 转速 ，用 以保证 舵 机系统的压力保持在额定状态。 2 由于变转速控制需要一定 的响应时间，因 此适当地提高基础转速 n 。 可以缓解泵源电机转速控 制的快速性要求。 3 电机转速控制器 中应引入一阶微分环节 以 消除 电机和液压泵 流量调节机构 的惯性滞后 。 综合上述考虑，作者提出了计算变转速泵源转速 控制指令的计算方法，具体算法如式 3 所示 u C n 0 C △ n T 2 s 1 3 式 中 C 为泵源电机的反 电动势 系数 ； 为电机机电时间常数。 泵源 电机的调速性 能直接影响到泵源输出的负载 匹配性能。泵源电机的控制方式可分为开环和闭环两 种 ，前者应用范围较广，后者仅能用于可形成速度闭 环的条件，例如，能够加装速度传感器或者使用带有 霍尔传感器的无刷直流电机。作者主要讨论电机转速 的开环控制方式。 由于电机转速的开环控制方式不能实时反馈电机 转速，不能很好地克服由于负载转矩变化造成的转速 波动 ，因此在电机控制时必须考虑工作过程中电机主 轴所受负载转矩的补偿问题。 泵源 电机的主轴是和泵轴 直连 的 ，因此通过计算 泵轴受力即可得出电机主轴所受负载转矩。根据文献 [ 3 ] ，泵轴所受转矩为 4 一 2 1 T 、_ r 式 中 P 为泵 的输 出压力 ； P 。 为泵的输入压力 ，一般取 0 ； D为泵 的排量 。 泵的排量 D可以通过泵的输出流量和转速得到。 根据文献 [ 4 ] ，考虑油液的弹性和泄漏影响后 ，泵 输出流量的连续方程为 v d n c L p s 焘 Q 5 式 中 D为液压泵排量 ； n为液压泵转速 ； c 为液压泵 的泄漏 系数 ； P 为液压泵的输 出压力 ； 为液压泵排油腔及管路高压腔的总体积； 为油液的体积弹性模量； Q ， 为负载流量 。 因为液压舵机在工作过程中，系统的压力变化不 大，因此忽略油液弹性带来的体积变化。此外，如果 将式 5 的 Q 用 Q 代替，用 n 。 A n代替 17 , ，则得 到液压泵排量 D，如式 6 所示 。 O a p , C L c 。一 6 根据上面 的分析 ，电机 转速控 制 的补偿 电压 可以通过式 7 求得 R 。 。 Q ．P 。 C L ⋯ U c一 21 T C t Q 17 , o c D 一 式中c ． 为泵源电机的电磁力矩常数 ； 。为泵源电机的内阻。 泵源 电机的最终控制电压 为 ． I s 1 ． Uc Co n o e 第 1 3期 吴晓明 等液压舵机变转速泵源的研究 7 3 R c D m腿p [ Q I e 6 I p C L l 1 ] ， 。 、 2 ,r r C 。 [ K o I e 8 I n 0 c D 且 x l 1 ] 、 在设 计电机转速闭环控制器的时候需要考虑电机 速度控制系统响应快速性的同时，还需要考虑系统的 刚度。此外 ，考虑 到泵 源响应 的快速 性直接 影响到舵 机系统的性能，而且液压泵本身有流量 自动调节功 能 ，因此 ，为了保证泵 源电机转速控 制系统 响应 的快 速性 ，适 当地增 加调速 系统 的超调量 也是允 许的。 根据 上面的分析 ，泵源电机开环控制器的系统方 框图如图 2所示 。 图2 电机开环控制器的系统方框图 3系统硬件总体结构 电动机的控制系统主要分为以下几个环节以 D S P芯片 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7为核心 的控制单 元 ；功率模 块以及驱动单元；主电源，驱动电源电路 ；故障检测 和保护环节。 电机的控制方式采用 P WM P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n 控制 ，即利用大功率晶体管的开关特性，按固 定的周期导通和关断晶体管，通过改变周期信号的占 空比，来调节加在直流伺服电机绕组上的端电压，从 而实现对电机的控制 。 4系统软件结构 系统 软 件 包 括 A D C 采样 、控 制算 法 设 计、 P WM输 出等部分。主程 序是 D S P程序 的 主体， 整个 系 统 功 能 的 实 现 均 通过 主 程 序 调 用 相 应 子 程 序 来 实 现 。图 3为 系 统主程序流程图 。 翌 t 关 总 中断 ● CP u初 始化 ● PWM单元 初始 化 ● A ／ D 模 块 初始 化 控制算 法 实现 在 图3 主程序流程图 该控制系统中，主要用到了压力环控制。控制算法采 用 P I D。P I D控制器是 控制 系统 中技术较 为成 熟 、应 用最为广泛 的一种控制器 。其实质就是根据输入 的偏 差值 ，按 比例 、积分和微分的 函数关系进行运算 ，再 将运算结果用 以输 出控制 。 5仿真与实验结果分析 为了验证原理分析的正确性 、系统实现的可行 性，针对直接转矩系统的控制电路，完成了系统的仿 真与实验分析 。 电路 的硬 件根 据 实验 室 条件 ，功率 开 关管 采 用 MO S F E T I R F 5 3 0构 成 H桥 式 电路 ，用 I R 2 1 3 0作 为功 率开关器件 的门极驱动 和保护 系统。控制 电路 主要是 用 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P芯片构成。此电路经过电路 设计、印刷电路板制作、元件焊接等步骤完成 ，经过 调试 ，最后接入 系统 中。 实验 台实物 图如 图 4所示 。 图4 实验装置 时 间， s 图 5 泵 源压 力在 P I D控 制 下的实验 曲线 压力输出特性的对比是通过比较在舵机阶跃信号 激励下 ，泵源的输出压力变化曲线实现的。泵源输出 压力曲线如图5所示，曲线 1 和曲线 2分别为变转速 泵源和恒转速泵源的输出压力变化曲线。仿真实验输 入信号设定如下t 0 ，输入压力阶跃信号，幅值 1 0 V 对应实 际压力 5 MP a ；t 0 ． 1 s 输入 舵 机方 波控制信号，幅值 1 V 舵机最大控制信号的 1 0 ％ ， 输出信号为泵源输出压力。 通过对比变转速和恒 转速泵源在工作过程 中的 1 无效功耗可以检验变转速 事 泵源是否达到了设计 目 基 的。两种 泵 源的无 效 功耗 曲线图 6所示，曲线 1和 曲线 2分别为变转速泵源 和恒转 速泵 源 的无 效 功耗 曲线 。 采 用 变 转 速 泵 源 以 O O． 02 0． 04 0． 06 时间， s 图6 泵源无效功耗对比 后 ，液压泵的无效功耗有明显的下降。稳态功耗由原 来的 1 2 2 ． 1 W 降低到4 5 ． 5 w，降低 了6 2 ． 7 ％；动态 最 大功耗 由原来 的 1 7 9 ． 5 W 降低 到 8 O ． 1 W ，降低 了 49 ． 8 ％ 。 采用 变转速 泵源以后 ，液压泵的无效功耗有 明显 的下降，主要是因为柱塞泵内部各个摩擦副之间摩擦 功耗 随着 泵源转 速的降低而降低 。 6结论 设计 了泵源系统的控制方案 ，通过适 当地调整基 础转速 ‰，保证了变量柱塞泵流量调节机构的动态 特性能满足使用要求。 采用 D S P控制芯片和 P WM控制技术 ，提高了泵 源系统响应的快速性 ，适当地调整 P I D控制器控制参 下转第 9 0页 9 O 机床与液压 第 3 8 卷 按照国家标准 G B T 1 5 6 2 3 ． 1 - 2 0 0 3 搭 建实验 系统 ， 对 电液伺服阀进行 了测试 。 静态特性 的实验结果与仿真结果 的对 比如 图7所 示。结果表明该伺服阀的最大输出流量可达6 0 L ／ m i n 2 A驱动 电路 ，流量增 益为 3 ． 31 0 “m ／ s A ， 非线性度小于 3 ％。仿真流量 曲线 与名义 流量 曲线基 本吻合，说明建立的直动式伺服阀的静态模型是准确 的，其仿真结论具有可操作性和借鉴意义；仿真流量 曲线的斜率略大于名义流量曲线，这主要因为阀体的 加工精度与仿真采用的理想情况无法完全一致，二者 存在较小的误差。 Q I L ‘ rai n 。 ‘ ， V 40 3O 2 0 l0 ● I I l I I I 6 - 1 ． 2 一 “8- v ． o “ O 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 1 ． ， ／ ． 。 ． f ， 铷 一 40 图7 静态特性仿真与实验曲线对比 4结论 提 出了一种新 型的集成位移反馈的直动式 电液伺 服阀，采用仿真软件 A M E S i m，建立了静态特性的仿 真模型，对直动式电液伺服阀的静态特性进行了仿真 分析 ，实验得到了直动式电液伺服阀控制流量的静态 试验曲线，试验结果与仿真结果吻合，说明仿真模型 是有效的。实验结果表明，直动式电液伺服阀具有良 好 的控制特性 。 参考文献 【 1 】 苏东海， 任大林， 杨京兰． 电液比例阀与电液伺服阀性能 比较及前景展望 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 ， 2 8 4 1 4． 【 2 】 周玉虎， 白志红， 熊光煜． 直动式电液伺服阀控制系统的 建模与仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 1 1 8 4 8 9． 【 3 】 姜继海， 黄英玲 ， 邹小舟， 等． 直接驱动式电液压力伺服 阀的特性研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 5 1 5 4． 【 4 】M e r c o r e l l i P ． R o b u s t f e e d b a c k l i n e a r i z a t i o n u s i n g a n a d a p - t l’ v e P D r e g u l a t o r f o r a s e n s o r l e s s c o n t r o l o f a t h r o t t l e v a l v e [ J ] ． Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 9， 1 9 8 1 3 3 41 3 4 5 ． 【 5 】K a r u n a n i d h i a S ，S i n g a p e r u m a l b M． D e s i g n ， a n a l y s i s a n d s i mul a t i o n o f ma gn e t o s t r i c t i v e a c t ua t o r a nd i t s a p p l i c a t i o n t o h i g h d y n a m i c S e l V o v a l v e [ J ] ． S e n s o rs a n d A c t u a t o r s A P h y s i c a l ， 2 0 1 0 ， 1 5 7 2 1 8 51 9 7 ． 上接 第7 3页 数，能够达到减少压力超调、提高系统鲁棒性 的作 用。 对两种不 同泵源工作过程中的无效功耗进行对 比 分析 ，结果表明 采用变转 速泵源 以后 ，液压泵 的无 效功耗有明显的下降。 参考文献 【 1 】M a J u n g o n g ， Wa n g S h i f u ， Wa n g Z h a n l i n ． T h e I n t e l l i g e n t P u m p T e s t S y s t e m B a s e d o n V i r t u a l I n s t r u me n t [ C] ／ ／ Pr o c ． o f Fi f t h I nt e r n a t i o n a l Sy mp o s i u m o n I n s t r ume n t a t i o n a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ． 6 5 8 95 9 2 ． 【 2 】 王世富， 马俊功， 王占林． 机载智能泵源研究中的关键技 术[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 4 5 5 6 0 ． 【 3 】 陈朗． 影响恒压式液压舵机速度的因素分析[ J ] ． 战术 导弹控制技术 ， 2 0 0 3 4 3 53 8 ． 【 4 】 T e s s m a n R T ． H y d r a u l i c P u m p P e r f o r m a n c e a s a F u n c t i o n o f S p e e d a n d P r e s s u r e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f A S M E 9 6 1 7 4 4 ， 2 0 0 3 6 2 63 0 ． 【 5 】 何苏秦， 王忠勇． T M S 3 2 0 C 2 0 0 0系列 D S P原理及实用技 术[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 3 ． 9 4 5～ 4 8 ． 【 6 】 郝晓宏， 靳方义． 永磁无刷直流方波电机控制特性及其 伺服系统控制策略[ J ] ． 电气传动 自动化， 1 9 9 9 8 5 6 65． 上接第 8 7页 数、微分系数、积分系数进行在线 自适应调整，从而 使系统的控制精度有所提高 ，特别是在平 台下降阶 段，模糊 P I D控制较传统的 P I D控制有着较高的控制 精度 。 参考文献 【 1 】 苏生荣， 应申舜． 面向机器人驱动的人工肌肉技术研究 进展 [ J ] ． 机械科学与技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 6 8 3 48 3 9 ． 【 2 】S i t u m z ， H e r c e g s ． D e s i g n a n d C o n t r o l o f a M ani p u l a t o r A r m D r i v e n b y P n e u ma t i c Mu s c l e s A c t u a t o r s [ C] ． 2 0 0 8 Me d i t e r r a n e a n C o n f e r e n c e o n C o n t r o l a n d Au t o ma t i o n C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s ， ME D， 0 8 ，NO． 4 6 0 2 1 3 6 9 2 6 92 7． 【 3 】 Wa n g Y T ， Wo n g R H， Y u C W， e t a1 ． F u z z y c o n t r o l 2 D p n e u ma t i c mu s c l e a c t u a t o r S a l i a ． Me asu r e me n t a n d C o n t r o l [ J ] ． 2 0 0 9 ， 4 2 1 2 4 2 7 ． 【 4 】 李英， 彭光正， 范伟． 模糊 P I D控制在气动人工肌肉位置 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