（機械電子工程專業(yè)論文）變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y k e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nv a r i a b l e s p e e d p u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n gs y s t e m c a n d i d a t e y u e n a n g e n g s u p e r v i s o r p e n g t i a n h a op r o f e s s o r m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 s h u n g e n gr o a d h u a i n a n 2 3 2 0 01 p r c h i n a 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及 取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方以外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得羔 邀理王態(tài)堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工 作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示 謝意 學(xué)位論文作者簽名 丞盤重日期 z 監(jiān)年型月叢日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解塞徼壟王太堂 有保留 使用學(xué)位論文 的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于 塞筮理王太堂 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)安徽理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采 用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位 論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位豁文作者簽名 樂角更 簽字日期 2o l z 印6 月竹日 毒懶 彩旅爺鰳刪 舶 摘要 摘要 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速技術(shù)相對于傳統(tǒng)的液壓調(diào)速技術(shù)能夠進一步提高系統(tǒng)的 效率 實現(xiàn)節(jié)能 因而逐漸地得到了人們的重視并被廣泛地應(yīng)用 與此同時 變 轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速技術(shù)也存在一些問題 如速度剛性差 抗負載干擾能力弱 位 置跟蹤效果差等 為了進一步完善變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速技術(shù) 拓寬其應(yīng)用范圍 本文對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)中存在的上述問題進行了研究 并對其解決方法 進行了探索 本文介紹了傳統(tǒng)液壓調(diào)速回路和傳統(tǒng)節(jié)能型液壓回路的基本形式和特點 對 變頻液壓技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述 對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)存在的 問題進行了理論分析 并針對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落和馬達角位移控制分別提出了開環(huán)轉(zhuǎn) 速降落補償方法和閉環(huán)p i d 控制方法 在a m e s i m 軟件中搭建完成了變轉(zhuǎn)速泵控 馬達調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 并在驗證轉(zhuǎn)速降落補償方法時分別進行了恒負載 交 負載 變轉(zhuǎn)速工況的仿真分析 在驗證馬達角位移控制效果時進行了開環(huán)控制 閉環(huán)p i d 控制的仿真分析 基于虛擬儀器技術(shù)完成了轉(zhuǎn)速降落補償測控系統(tǒng)和位 置控制測控系統(tǒng)的開發(fā) 并對系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)分析處理模塊 數(shù)據(jù)輸出模塊進行了闡述 將開發(fā)出的測控系統(tǒng)應(yīng)用到變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng) 上 完成了轉(zhuǎn)速降落補償情況時的恒負載 變負載 變轉(zhuǎn)速工況試驗研究以及馬 達角位移控制時的開環(huán)控制 閉環(huán)p i d 控制試驗研究 上述仿真分析和試驗驗證的結(jié)果表明 本文提出的轉(zhuǎn)速降落補償方法能夠在 恒負載 變負載 變轉(zhuǎn)速工況下很好的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速降落補償 系統(tǒng)采用閉環(huán)p i d 控 制時的馬達角位移跟蹤效果明顯好于開環(huán)時的跟蹤效果 圖 8 6 表 7 參 5 8 關(guān)鍵詞 泵控馬達 轉(zhuǎn)速降落補償 角位移控制 a m e s i m l a b v i e w 分類號 t h l 3 7 a b s 仃a c t v a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n gt e c h n o l o g yc a l lp r o m o t es y s t e m e f f i c i e n c ya n dr e a l i z ee n e r g y s a v i n ga sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e r n i n g t e c h n o l o g y a n dg r a d u a l l yg e tp e o p l e sa t t e n t i o na n di sw i d e l yu s e d a tt h es a m et i m e t h e r ea r ea l s os o m ep r o b l e m si n v a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n g t e c h n o l o g y s u c ha s l o ws p e e ds t i f f n e s s w e a ka n t il o a di n t e r f e r e n c ea b i l i t y w e a k p o s i t i o n t r a c k i n ga b i l i t y e t c t h ea b o v ep r o b l e m sa r ea n a l y z e da n dt h e r e l a t e d s o l u t i o n sa r er e s e a r c h e di no r d e rt op r o m o t et h et e c h n o l o g ya n d e n l a r g ei t sa p p l i c a t i o n s c o p e b a s i cf o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e r n i n gc i r c u i ta n d t h et r a d i t i o n a le n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cc i r c u i ta r ei n t r o d u c e d a n dt h er e s e a r c hs t a t u sa t h o m ea n da b r o a do f f r e q u e n c yh y d r a u l i ct e c h n o l o g yh a sb e e ne l a b o r a t e d t h et h e o r y a n a l y s i sa b o u tt h ep r o b l e m si nv a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o l m o t o rg o v e m i n gs y s t e m h a sb e e nc a r r i e do u t a n dt h eo p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nm e t h o da n dt h e c l o s e d l o o pp i dc o n t r o lm e t h o da r ep r o p o s e df o rs y s t e ms p e e dl o s sa n dm o t o ra n g u l a r d i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1 s i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e di na m e s i m t h e s i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rc o n s t a n tl o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e da r ec a r r i e d o u ti no r d e rt ot e s t i f yt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d a n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i su n d e r o p e n l o o pc o n t r o la n dc l o s e d l o o pp i dc o n t r o la r ec a r r i e do u ti no r d e rt ov a l i d a t et h e c o n t r o le f f e c to fm o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n t t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m so f s p e e dl o s sc o m p e n s a t i o na n dm o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o lb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r ee s t a b l i s h e d a n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e d a t aa n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t ao u t p u tm o d u l ea r ee l a b o r a t e d t h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m sa r ea p p l i e dt ot h ev a r i a b l e s p e e d p u m p c o n t r o l m o t o rg o v e r n i n g s y s t e m t h e nt h er e l a t e de x p e r i m e n t so fs p e e dl o s sc o m p e n s a t i o na l ec a r r i e do u tu n d e r c o n s t a n ti o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e d a n dt h er e l a t e de x p e r i m e n t so fm o t o r a n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o la r ec a r r i e do u tu n d e ro p e n l o o pc o n t r o la n dc l o s e d l o o p p i dc o n t r 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es p e e dl o s s c o m p e n s a t i o nm e t h o dc a nw e l lr e a l i z et h es p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nu n d e rc o n s t a n t l o a d v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e d a n dt h ee f f e c to fc l o s e d l o o pp i dc o n t r o lo f 摘要 m o t o ra n g u l a rd i s p l a c e m e n ti ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h a to fo p e n l o o pc o n t r 0 1 f i g u r e 8 6 t a b l e 7 7 r e f e r e n c e 5 8 k e y w o r d s p u m p c o n t r o l m o t o r s p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n a n g u l a rd i s p l a e e m e n t c o n t r o l a m e s i m l a b v i e w c h i n e s eb o o k sc a t a l o g t h l3 7 i i i 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一i v 目錄 目錄 摘要 i a b s t r a c t i i 引言 1 1 緒論 3 1 1 課題研究背景 3 1 1 1 傳統(tǒng)液壓調(diào)速回路 3 1 1 2 傳統(tǒng)節(jié)能型液壓回路 5 1 1 3 變轉(zhuǎn)速液壓技術(shù) 6 1 2 課題主要工作與研究意義 9 1 2 1 課題來源與主要工作 9 1 2 2 課題研究意義 9 1 3 本章小結(jié) 1 0 2 變轉(zhuǎn)速液壓試驗系統(tǒng) 11 2 1 變轉(zhuǎn)速液壓試驗系統(tǒng)工作原理 1 1 2 2 變轉(zhuǎn)速液壓試驗系統(tǒng)組成 1 2 2 2 1 液壓元件部分 1 2 2 2 2 電氣裝置部分 1 5 2 3 變轉(zhuǎn)速液壓測控系統(tǒng)介紹 1 7 2 3 1 變轉(zhuǎn)速液壓測控系統(tǒng)相關(guān)硬件介紹 1 7 2 3 2 虛擬儀器技術(shù)介紹 2 0 2 4 本章小結(jié) 2 1 3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落開環(huán)補償方法及仿真分析 2 3 3 1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落原因和開環(huán)補償方法 2 3 3 1 1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落原因 2 3 3 1 2 轉(zhuǎn)速降落開環(huán)補償方法 2 3 3 1 3 轉(zhuǎn)速降落補償系數(shù)的確定 j 2 4 3 2 基于a m e s i m 的系統(tǒng)仿真模型 2 6 3 2 1a m e s i m 簡介 2 7 一v 一 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 2 系統(tǒng)仿真模型 2 7 3 3 轉(zhuǎn)速降落補償仿真分析 2 9 3 3 1 恒負載工況補償仿真分析 2 9 3 3 2 變負載工況補償仿真分析 31 3 3 3 變轉(zhuǎn)速工況補償仿真分析 3 4 3 4 本章小結(jié) 3 6 4 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落開環(huán)補償方法試驗研究 3 7 4 1 轉(zhuǎn)速降落補償測控系統(tǒng)介紹 3 7 4 1 1 測控系統(tǒng)概述 3 7 4 1 2 數(shù)據(jù)采集模塊 3 8 4 1 3 數(shù)據(jù)分析處理模塊 4 1 4 1 4 數(shù)據(jù)輸出模塊 4 2 4 2 轉(zhuǎn)速降落補償試驗研究 4 3 4 2 1 恒負載情況補償試驗研究 4 4 4 2 2 變負載情況補償試驗研究 4 6 4 2 3 變轉(zhuǎn)速情況補償試驗研究 4 9 4 3 本章小結(jié) 51 5 變轉(zhuǎn)速泵控馬達系統(tǒng)位置控制仿真分析及試驗研究 5 3 5 1 泵控馬達系統(tǒng)位置控制仿真分析 5 3 5 1 1 系統(tǒng)開環(huán)位置控制仿真分析 5 3 5 1 2 系統(tǒng)閉環(huán)位置控制仿真分析 5 7 5 2 泵控馬達系統(tǒng)位置控制試驗研究 5 9 5 2 1 位置控制測控系統(tǒng)介紹 5 9 5 2 2 泵控馬達系統(tǒng)開環(huán)位置控制試驗研究 6 1 5 2 3 泵控馬達系統(tǒng)閉環(huán)位置控制試驗研究 6 4 5 3 本章小結(jié) 6 5 6 總結(jié)與展望 6 7 6 1 全文總結(jié) 6 7 6 2 展望 6 8 目錄 參考文獻 6 9 致謝 7 3 作者簡介及讀研期間主要科研成果 7 5 一v i i 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n t e n t s i n t r o d u c t i o n 1 1e x o r d i u m 1 1 b a c k g r o u n d 1 1 1t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cg o v e m i n gc i r c u i t 3 1 1 2t r a d i t i o n a le n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cc i r c u i t 5 1 1 3v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y 6 1 2m a i nc o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c e 9 1 2 1s o u r c ea n dm a i nc o n t e n t 9 1 2 2 s i g n i f i c a n c e 9 1 3 b r i e f s u m m a r y 1 0 2v a r i a b l es p e e d h y d r a u l i ce x p e r i m e n ts y s t e m 11 2 1 o p e r a t i o np r i n c i p l e 1 1 2 2 c o m p o s i t i o n 1 2 2 2 1 h y d r a u l i cc o m p o n e n t s 1 2 2 2 2e l e c t r i c a ld e v i c e s 1 5 2 3i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 17 2 3 1i n t r o d u c t i o no f r e l a t e dh a r d w a r e 17 2 3 2i n t r o d u c t i o no f v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 2 0 2 4 b r i e f s u m m a r y 2 1 3 o p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n m e t h o da n ds i m u l a t i o na n a l y s i s 2 3 3 1 s p e e dl o s sr e a s o n sa n do p e n l o o pc o m p e n s a t i o nm e t h o d 2 3 3 1 1 s p e e dl o s sr e a s o n s 2 3 3 1 2 o p e n l o o pc o m p e n s a t i o nm e t h o d 2 3 3 1 3d e t e r m i n a t i o no fc o m p e n s a t i o nc o e f f i c i e n t s 2 4 3 2s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do na m e s i m 2 6 3 2 1i n t r o d u c t i o no f a m e s i m 2 7 v i i i 目錄 3 2 2 s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l 2 7 3 3s i m u l a t i o na n a l y s i so fs p e e dl o s sc o m p e n s a t i o n 2 9 3 3 1 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e r c o n s t a n tl o a d 2 9 3 3 2 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rv a r i a b l el o a d 3 1 3 3 3 c o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rv a r i a b l es p e e d 3 4 3 4 b r i e f s u m m a r y 3 6 4 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f o p e n l o o ps p e e dl o s sc o m p e n s a t i o nm e t h o d 3 7 4 1i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 3 7 4 1 1m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo v e r v i e w 3 7 4 1 2d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 3 8 4 1 3d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm o d u l e 4 1 4 1 4d a t ao u t p u tm o d u l e 4 2 4 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs p e e d l o s sc o m p e n s a t i o n 4 3 4 2 1 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rc o n s t a n tl o a d 4 4 4 2 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e r v a r i a b l el o a d 4 6 4 2 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rv a r i a b l es p e e d 4 9 4 3 b r i e f s u m m a r y 5 1 5s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f p o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1s i m u l a t i o na n a l y s i so f p o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1 1 s i m u l a t i o na n a l y s i so f o p e n l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 5 3 5 1 2s i m u l a t i o na n a l y s i so f c l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 5 7 5 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f p o s i t i o nc o n t r o l 5 9 5 2 1i n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 5 9 5 2 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f o p e n l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 6 1 5 2 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o l 6 4 5 3b r i e fs u m m a r y 6 5 6s u m m a r ya n dp r o s p e c t 6 7 6 1f u l l t e x ts u m m a r y 6 7 6 2 p r o s p e c t 6 8 i x 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o m p l i m e n t 7 3 r e s u m eo f a u t h o ra n dt h em a j o rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 7 5 一x 一 引言 引言 變頻液壓動力傳動系統(tǒng)是一種新型節(jié)能傳動方式 能夠取得良好的節(jié)能效果 提高系統(tǒng)整機效率 這在一定程度上滿足了人們對傳動系統(tǒng)的要求 因而正在被 廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)是變頻液壓動力傳動系統(tǒng)的一 種基本應(yīng)用形式 其相對于傳統(tǒng)的液壓調(diào)速系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢 但是在系統(tǒng)運 行過程中 由于系統(tǒng)泄漏 電機機械特性等因素的影響 使其仍存在速度剛性差 抗負載干擾能力弱 位置跟蹤效果不理想等問題 這在一定程度上也阻礙了其推 廣使用 因此還需要繼續(xù)對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)問題進行進一步的研 究 本文對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)速度剛性差 位置跟蹤效果不理想的問題進 行了探索 提出了相應(yīng)的解決方法 之后利用計算機仿真技術(shù)建立了系統(tǒng)的仿真 模型 進行了仿真分析 同時借助于虛擬儀器技術(shù)完成了試驗平臺的測控系統(tǒng) 進行了相關(guān)的試驗 從而驗證所提出方法的可行性和正確性 得出了相關(guān)的結(jié)論 為后續(xù)變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)問題的研究提供了一定的參考依據(jù) 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 一 1 緒論 1 1 課題研究背景 1 1 1 傳統(tǒng)液壓調(diào)速回路 1緒論 現(xiàn)代液壓系統(tǒng)通常都是多功能的復(fù)合系統(tǒng) 不管它是多么的復(fù)雜 其基本組 成始終都是若干個具有不同基本功能的液壓回路 液壓回路內(nèi)容極為豐富 據(jù)不 完全統(tǒng)計 有上千種之多 l 液壓調(diào)速回路由于其自身的優(yōu)點 如較大的調(diào)速范 圍 較大的輸出力或者轉(zhuǎn)矩 結(jié)構(gòu)簡單 使用維護方便等而成為液壓回路中的重 要組成部分 且在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 在傳統(tǒng)的液壓調(diào)速回路中 根 據(jù)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度方式的不同 可以將液壓調(diào)速回路分為節(jié)流調(diào)速回路 容積 調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)速回路三類 1 節(jié)流調(diào)速回路 節(jié)流調(diào)速回路主要是由執(zhí)行元件 溢流閥 流量控制閥和定量泵等組成 通 過調(diào)節(jié)流量控制閥的開度來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的輸入輸出流量 從而達到調(diào)節(jié)執(zhí)行元 件速度的目的 該種調(diào)速方式運行可靠 結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 維護使用方便 響應(yīng)快 精度高 調(diào)速范圍大 但是當系統(tǒng)在低速或減速情況下運行時 由于定 量泵的輸出流量不變 多余的流量只能通過溢流閥溢流 再加上液壓油流過控制 閥組時產(chǎn)生節(jié)流損失 使得系統(tǒng)的發(fā)熱大 效率較低 能量損失大 此外其負載 特性較差 因此節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般多用于功率不大 負載變化不大的液壓系統(tǒng) 2 3 1 如機床液壓系統(tǒng) 根據(jù)回路中流量控制閥布置的位置不同 可以將節(jié)流調(diào)速回路分為進油節(jié)流 調(diào)速回路 回油節(jié)流調(diào)速回路 旁路節(jié)流調(diào)速回路 復(fù)合節(jié)流調(diào)速回路 如圖l 一4 分別為上述幾種回路的原理圖 通過以下幾個方面對比它們各自的回路特點 1 負載特性 進油 回油節(jié)流調(diào)速在低速情況下速度剛性較好 在負載變化 的情況下 負載小時比負載大時速度剛性好 旁路節(jié)流調(diào)速在節(jié)流閥通流面積越 小時 其速度剛性越好 在負載變化的情況下 負載越大速度剛性越好 2 調(diào)節(jié)特性 進油 回油節(jié)流調(diào)速執(zhí)行元件的速度正比于節(jié)流閥通流面積 速度調(diào)節(jié)特性在負載小時好于負載大時 旁路節(jié)流調(diào)速執(zhí)行元件的速度隨節(jié)流閥 通流面積的增加而迅速減小 速度調(diào)節(jié)特性在負載小時好于負載大時 3 功率特性 進油 回油節(jié)流調(diào)速的回路效率隨著節(jié)流閥通流面積的增大 負載的增大而增大 在低速 輕載時效率低 旁路節(jié)流調(diào)速的回路效率隨著節(jié)流 3 一 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 閥通流面積的減小 負載的減小而增大 在負載和速度相同的條件下 其回路效 率要高于進油 回油節(jié)流調(diào)速的回路效率 4 承載能力 進油 回油節(jié)流調(diào)速在溢流閥壓力調(diào)定時其最大承載能力為定 值 旁路節(jié)流調(diào)速的最大承載能力隨著節(jié)流閥通流面積的增大而減小 只有當執(zhí) 行元件高速運行時 其最大承載能力才能達到溢流閥設(shè)定的極限值 5 1 速度平穩(wěn)性 進油 旁路節(jié)流調(diào)速在沒有背壓閥時 運動平穩(wěn)性差 回油 節(jié)流調(diào)速有背壓閥 可以有效的防止空氣從回油路吸入系統(tǒng) 運動平穩(wěn)性好 6 啟動特性 進油節(jié)流調(diào)速在啟動時調(diào)小節(jié)流閥可以避免啟動沖擊 回油 旁路節(jié)流調(diào)速由于在啟動時背壓不能立即建立 而存在啟動沖擊 v f 圖1 進油節(jié)流調(diào)速回路 f i g 1 m e t e r i nt h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t 圖3 旁路節(jié)流調(diào)速回路 f i g 3b y p a s st h r o t t l eg o v e m i n gc i r c u i t 圖2 回油節(jié)流調(diào)速回路 f i g 2 m e t e r o u tt h r o t t l eg o v e m i n gc i r c u i t 圖4 復(fù)合節(jié)流調(diào)速回路 f i g 4m u l t i t h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t 通過以上回路特點的分析可知 節(jié)流調(diào)速回路都存在執(zhí)行元件的速度隨負載 變化而變化的問題 因此在對速度穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)中 需要用調(diào)速閥代替 普通節(jié)流閥以提高執(zhí)行元件的速度穩(wěn)定性 此外 回油節(jié)流調(diào)速回路一般不單獨 i 緒論 使用 通常都是和進油節(jié)流調(diào)速回路聯(lián)合使用 從而構(gòu)成復(fù)合節(jié)流調(diào)速回路 該 種調(diào)速回路可以綜合兩者的優(yōu)點 而避免兩者的不足 2 容積調(diào)速回路 在液壓系統(tǒng)中通過改變液壓泵或者液壓馬達的排量來改變執(zhí)行元件速度的回 路稱為容積調(diào)速回路 在這種調(diào)速回路中液壓泵和液壓馬達兩者之間至少要有一 個為變量元件 從而可以構(gòu)成三種回路形式 即變量泵定量馬達調(diào)速回路 定量 泵變量馬達調(diào)速回路 變量泵變量馬達調(diào)速回路 容積調(diào)速回路通過不斷的調(diào)節(jié) 液壓泵 馬達的排量使系統(tǒng)供應(yīng)流量與執(zhí)行元件負載流量相適應(yīng) 這樣便避免了溢 流損失 提高了系統(tǒng)的效率 且不易發(fā)熱 適用于高速 大功率調(diào)速系統(tǒng) 4 此 外 容積調(diào)速回路還具有良好的動靜態(tài)特性 適應(yīng)性強等特點 該類型調(diào)速回路的缺點在于需要一套比較復(fù)雜的變排量控制機構(gòu)和高品質(zhì)的 傳動介質(zhì) 電機的轉(zhuǎn)速固定 系統(tǒng)處于小流量時仍在高速運轉(zhuǎn) 加劇磨損 電機 的效率隨著負載而變化 輕載時的效率很低 且變量泵的噪聲比定量泵大 5 j 3 容積節(jié)流調(diào)速回路 在液壓系統(tǒng)中利用流量控制閥和特定的變量泵共同作用來實現(xiàn)執(zhí)行元件速度 控制的回路稱作容積節(jié)流調(diào)速回路 該種調(diào)速回路的執(zhí)行元件多為液壓缸 廣泛 應(yīng)用于機床液壓系統(tǒng) 其形式主要有兩種 限壓變量泵一調(diào)速閥調(diào)速回路和差壓 變量泵一節(jié)流閥調(diào)速回路 l 在容積節(jié)流調(diào)速回路中 變量泵的輸出流量和系統(tǒng) 中執(zhí)行元件所需的負載流量相適應(yīng) 沒有溢流損失 故效率高 此外該種回路速 度調(diào)節(jié)方便 低速穩(wěn)定性好 但是執(zhí)行元件的速度受負載影響大 1 1 2 傳統(tǒng)節(jié)能型液壓回路 在液壓系統(tǒng)的動力傳遞過程中 由于機械能和液壓能的損失 系統(tǒng)效率較低 因此在液壓系統(tǒng)的設(shè)計過程中人們總是想方設(shè)法的提高系統(tǒng)的效率實現(xiàn)節(jié)能 在 傳統(tǒng)節(jié)能型液壓回路的設(shè)計過程中主要是從兩個方面來考慮 減小液壓元件的功 率消耗和降低液壓回路的功率損失 通過減小液壓元件的功率消耗來提高其功率 效率 這一方法前人已經(jīng)進行過大量的研究工作 要想再提高元件的功率效率是 很困難的網(wǎng) 此外提高液壓元件的功率效率對整個液壓系統(tǒng)的效率而言作用并不 大 另一方法是設(shè)計合理的液壓回路以盡量減小回路中的壓力損失和流量損失 從而提高整個系統(tǒng)的效率 如功率適應(yīng)回路 壓力適應(yīng)回路 流量適應(yīng)回路以及 各種形式的容積控制回路 另外還可以通過回收系統(tǒng)中的制動能來實現(xiàn)節(jié)能 但是上述的節(jié)能型液壓回路多數(shù)都需要比較復(fù)雜的變量機構(gòu) 系統(tǒng)的組成元 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 件多 對元件和傳動介質(zhì)的要求高 故障率高 維護不便 此外在液壓回路設(shè)計 過程中 是以工作環(huán)境中最大的負載情況來選擇電機 但是系統(tǒng)在實際運行時 通常都是欠負載運行 電機效率不高 因此 為了提高液壓系統(tǒng)的整機功率效率 在系統(tǒng)的設(shè)計過程中 應(yīng)當把電機和整個系統(tǒng)的動力傳動鏈都考慮在內(nèi) 實現(xiàn)系 統(tǒng)提供的功率與負載需要的功率相適應(yīng) 從而達到節(jié)能的目的 也就是液壓動力 傳動系統(tǒng)的全局負載敏感和全局功率匹配 5 j 1 1 3 變轉(zhuǎn)速液壓技術(shù) 1 變頻調(diào)速技術(shù) 電機變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)在電力拖動領(lǐng)域中的應(yīng)用 在早些時期 針對交流電機雖然已經(jīng)確定了多種調(diào)速方案 但是由于控制方法和電力變換技術(shù) 的限制 而得不到大范圍的推廣應(yīng)用 直到電機矢量控制方法的成功實現(xiàn) 電機 變頻調(diào)速技術(shù)才得到快速的發(fā)展 此外 伴隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的快 速發(fā)展 變頻調(diào)速裝置的性能得到了進一步的完善 其調(diào)速性能差的問題也得到 了有效的解決 變頻調(diào)速裝置通常是由整流器 逆變器 中間直流環(huán)節(jié) 控制電路四部分組 成 其主要功能是通過交流一直流一交流的變換方式將5 0 h z 的工業(yè)用電轉(zhuǎn)變?yōu)?頻率可調(diào)的電源 驅(qū)動異步電機 在交流傳動中 三相鼠籠式異步電機因運行可 靠 結(jié)構(gòu)簡單 成本低等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用 電機轉(zhuǎn)速如下式 7 1 2 6 0 石 1 一s m p 1 1 式中 n 廣異步電機實際轉(zhuǎn)速 r m i n f 1 電源頻率 h z s 一電機轉(zhuǎn)差率 m 電機極對數(shù) 由 1 1 式可知 對于成品的異步電機 其轉(zhuǎn)差率基本不變 電機極對數(shù)為確 定值 則異步電機的實際轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率成正比 因此利用變頻調(diào)速裝置變 換后的頻率可調(diào)的電源驅(qū)動異步電機便能達到調(diào)速的目的 但是與此同時 需要 調(diào)節(jié)異步電機定子的供電電壓以維持電機磁通量的恒定 從而保證電機的最大轉(zhuǎn) 矩在調(diào)速時不變 這也就是交流變頻技術(shù)控制方式中的恒壓頻比控制 交流變頻 技術(shù)的另外三種控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制 轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制 8 9 1 0 2 變轉(zhuǎn)速液壓技術(shù) 1 緒論 變頻液壓動力傳動系統(tǒng)是一種新型節(jié)能傳動方式 能夠取得良好的節(jié)能效果 提高系統(tǒng)整機效率 1 1 1 2 其中利用交流變頻調(diào)速電機驅(qū)動定量泵構(gòu)成的液壓回路 與傳統(tǒng)的液壓調(diào)速回路相比具有很多優(yōu)勢 如用定量泵取代變量泵而構(gòu)成變頻器 普通電機 定量泵的形式 這樣既可以省去變量泵復(fù)雜的變排量機構(gòu)而簡化系 統(tǒng) 又可以大大降低系統(tǒng)的噪聲 此外還可以拓寬系統(tǒng)的調(diào)速范圍和達到更好的 節(jié)能效果等 l 引 正因為變頻液壓動力傳動系統(tǒng)的這些優(yōu)點 從2 0 世紀8 0 年代開始 國內(nèi)外 學(xué)者便開始對這項技術(shù)進行了研究 并取得了一定的成果 1 9 8 8 年至1 9 9 1 年 k a z u on a k a n o 和y u t a k at a n a k a 提出了帶蓄能器的變頻驅(qū)動液壓系統(tǒng)的恒壓控制 方案 對該系統(tǒng)的特性進行了分析 并做了相關(guān)的性能測試 1 4 1 5 16 之后 在1 9 9 5 年 y u t a k at a n a k a 等人對不同類型的電機和液壓泵相互組合構(gòu)成的幾種液壓回路 普通電機驅(qū)動定量泵 普通電機驅(qū)動變量泵 變頻電機驅(qū)動定量泵 變頻電機驅(qū) 動變量泵 進行了節(jié)能效果及動態(tài)特性的對比試驗研裂1 7 1 同一年 w hh w 等 學(xué)者對泵控馬達和變頻驅(qū)動泵控馬達進行了基于模型的極點配置自調(diào)整自適應(yīng)控 制仿真和試驗研究1 1 8 1 其試驗裝置如圖5 所示 另外 在1 9 9 6 年到2 0 0 1 年這幾 年間 h e l d u s e r s 等人和n e u b e r t t h 等人都分別對普通電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)和變 頻電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)的效率情況進行了對比研究 1 9 捌 其研究結(jié)果表明 在無 負載或中等負載時變頻電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)比普通電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)的效率要 高 其中在無負載的情況下體現(xiàn)的更為明顯 但是在滿負載情況下 兩種液壓系 統(tǒng)的效率很接近 圖5w uh 一w 的試驗裝置 f i g 5 w uh w se x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 對變頻驅(qū)動液壓技術(shù)的研究 其最終的目的在于將其應(yīng)用到工程實際中 該 一7 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 項技術(shù)首先被應(yīng)用到液壓電梯領(lǐng)域 日本三菱公司開創(chuàng)了將變頻驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于 液壓電梯的先例 1 9 8 6 年 三菱公司在美國申請了變頻驅(qū)動液壓電梯的專利l 2 l j 在其專利文獻中 提出了將檢測到的電機實際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速進行對比 并將其 差值信號作為變頻器的輸入信號 實現(xiàn)對電機和液壓泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) 從而完成對 液壓系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié) 之后 該公司在9 0 年代初成形變頻液壓電梯產(chǎn)品并推向市 場 緊跟其后的是德國的l e i s t r i t za g 公司和瑞士的b e r i n g e r 公司 他們在9 0 年 代末也將自己的變頻驅(qū)動液壓電梯產(chǎn)品推向了市場 其中 l e i s t r i t z a g 公司是將 變頻驅(qū)動技術(shù)和活塞缸帶配重系統(tǒng)結(jié)合使用來實現(xiàn)變頻液壓電梯的控制 2 2 而 b e r i n g e r 公司則是將變頻和閥控技術(shù)結(jié)合起來實現(xiàn)變頻液壓電梯的控制四j 另外 變頻驅(qū)動液壓技術(shù)還可應(yīng)用在飛機 注塑機 汽車的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等 方面 文獻 2 4 指出在飛機中使用變頻驅(qū)動液壓泵可以取得明顯的節(jié)能效果 文 獻 2 5 分析了新一代注塑機的兩種變頻驅(qū)動方案 并指出今后變頻驅(qū)動注塑機的 一個主要研究方向是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 文獻 2 6 分析了汽車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 節(jié)能途徑 并指出變頻驅(qū)動的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種有前景的節(jié)能型轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 在國內(nèi) 對變頻驅(qū)動液壓技術(shù)的研究主要是在液壓電梯和注塑機兩個領(lǐng)域 文獻f 2 7 1 研究的變頻驅(qū)動液壓電梯 在上下行程中均采用變頻容積調(diào)速 并且在 下行時能夠向電網(wǎng)回饋電能 同閥控液壓電梯相比 節(jié)能率可以達到4 0 左右 文獻 2 8 研究了帶蓄能器的變頻驅(qū)動液壓電梯 其主要原理是將電梯轎廂下行時 自重產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換成壓力能存儲在蓄能器中 當電梯上行時儲存在蓄能器中 的壓力能便可以為電梯提供輔助動力 該種控制系統(tǒng)可以很大程度的降低系統(tǒng)的 裝機功率 達到節(jié)能的目的 文獻 2 9 對采用閉式油路的變頻液壓電梯進行了能 耗特性分析 分析結(jié)果表明 在電梯轎廂處于某一特定工況下時 該系統(tǒng)相對于 典型液壓電梯系統(tǒng)節(jié)能效果顯著 總效率可以提高到7 0 寧波華液機械制造有 限公司對變頻與比例復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)進行了試驗研究 并獲得了發(fā)明專利 3 0 此項 發(fā)明技術(shù)既降低了能耗 又使系統(tǒng)具有良好的控制性能 之后該公司和浙江大學(xué) 機械電子控制工程研究所合作將該項發(fā)明技術(shù)應(yīng)用于注塑機的控制系統(tǒng)中 研制 出注塑機變頻控制裝置 該裝置將電液比例控制技術(shù)和變頻技術(shù)有效的集成在一 起 取得了實用性成果 通過專家鑒定 該裝置的綜合性能指標達到了國際先進 水平阻j 文獻 3 2 介紹了變頻液壓技術(shù)在注塑機中的應(yīng)用和發(fā)展 總結(jié)出該項技 術(shù)在注塑機中應(yīng)用的優(yōu)點 高效節(jié)能 調(diào)速范圍增大 注塑機工藝過程運行模式 容易實現(xiàn) 提高了系統(tǒng)的壽命和可靠性 實現(xiàn)軟起動等 此外 文獻 3 3 3 4 論述了在傳統(tǒng)的電液變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中加入一種能量調(diào)節(jié) 1 緒論 裝置 并以液壓缸位置控制系統(tǒng)為對象 進行了系統(tǒng)響應(yīng)速度和能耗特性仿真分 析 結(jié)果表明 加入能量調(diào)節(jié)裝置后的控制系統(tǒng)具有很好的頻率特性 且能夠保 持原來控制系統(tǒng)的良好節(jié)能特點 文獻 3 5 介紹了將變頻調(diào)速和閥控節(jié)流調(diào)速結(jié) 合使用的復(fù)合調(diào)速方法 分析和試驗表明 在相同工況下 變轉(zhuǎn)速節(jié)流復(fù)合調(diào)速 系統(tǒng)相對閥控調(diào)速系統(tǒng)更加節(jié)能 以上文獻討論的變頻驅(qū)動液壓控制系統(tǒng)包括了變頻器 電機和液壓系統(tǒng)多個 環(huán)節(jié) 因此系統(tǒng)存在比較大的慣性 死區(qū)及非線性 增加了系統(tǒng)的控制難度 對 此 許多研究者將智能控制算法應(yīng)用到變頻驅(qū)動液壓控制系統(tǒng)中 文獻 3 6 3 7 3 8 論述了液壓電梯和變頻驅(qū)動液壓電梯控制系統(tǒng)的智能控制方法與策略 文獻 3 9 4 0 對模糊控制技術(shù)在變轉(zhuǎn)速節(jié)流復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了仿真分析和試 驗研究 結(jié)果表明 基于復(fù)合控制策略和模糊p i d 控制算法的變轉(zhuǎn)速節(jié)流復(fù)合調(diào) 速控制系統(tǒng)具有優(yōu)于其他系統(tǒng)的速度控制特性 1 2 課題主要工作與研究意義 1 2 1 課題來源與主要工作 本課題來源于導(dǎo)師申請的國家自然科學(xué)基金資助項目 項目編號 5 0 8 7 5 0 0 1 項目名稱 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究 本文對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題進行了分析和研究 并分別 通過仿真和試驗對相關(guān)的分析結(jié)果進行了驗證 主要工作內(nèi)容包括 1 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)性能分析 2 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落原因分析及轉(zhuǎn)速降落補償方法的研究 3 在a m e s i m 仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型并實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系 統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落補償?shù)姆抡娣治?4 在基于l a b v i e w 的測控系統(tǒng)平臺下完成控制程序的編寫并通過試驗驗證轉(zhuǎn) 速降落補償方法的可行性和正確性 5 分別在a m e s i m 的仿真環(huán)境和基于l a b v i e w 的測控系統(tǒng)平臺下完成變轉(zhuǎn)速 泵控馬達系統(tǒng)位置控制的仿真分析和試驗研究 6 通過對比仿真和試驗的結(jié)果 改進和優(yōu)化轉(zhuǎn)速降落補償方法及位置控制方法 1 2 2 課題研究意義 變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速技術(shù)可以實現(xiàn)全程功率匹配 提高系統(tǒng)功率效率 降低 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 能耗 與傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速技術(shù)和容積調(diào)速技術(shù)相比都體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢 但是變 轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)存在速度剛性差 抗負載干擾能力弱 位置跟蹤效果差等 缺點 這也在一定程度上限制了這一新型節(jié)能傳動系統(tǒng)的推廣應(yīng)用 采用轉(zhuǎn)速降 落開環(huán)補償方法能夠提高變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)控制精度 而采用閉環(huán) p i d 控制能夠提高馬達角位移的跟蹤精度 因此對變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)的速 度控制及位置控制方法的研究 能夠提高變轉(zhuǎn)速泵控馬達調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)特性 及節(jié)能效果 并拓寬該類系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 本文對變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究提高了系統(tǒng)的控制特性 不但有較重 要的學(xué)術(shù)意義 而且對擴展該系統(tǒng)的工程應(yīng)用范圍也有很大的幫助 另外 通過 借助虛擬儀器技