用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源

摘要

本发明公开了一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，属于液压动力装置技术领域，包括执行机构、换向阀、油箱、伺服驱动单元、数据采集和控制系统、反馈单元，换向阀与执行机构相连，伺服驱动单元与换向阀相连，数据采集和控制系统与伺服驱动单元相连，反馈单元与数据采集和控制系统相连，执行机构与反馈单元相连，伺服驱动单元设置有两组，并联联接于换向阀上，一组伺服驱动单元负责控制执行机构的进油，另一组伺服驱动单元负责控制执行机构的出油。本发明具有节能、控制精度高的优点。

权利要求

1.一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，包括执行机构(1)、换向阀(2)、伺服驱动单元、油箱(6)、数据采集和控制系统(7)、反馈单元(8)，换向阀(2)与执行机构(1)相连，伺服驱动单元与换向阀(2)相连，数据采集和控制系统(7)与伺服驱动单元相连，反馈单元(8)与数据采集和控制系统(7)相连，执行机构(1)与反馈单元(8)相连，其特征在于：伺服驱动单元设置有两组，一组伺服驱动单元负责控制执行机构(1)的进油，另一组伺服驱动单元负责控制执行机构(1)的出油，其中，负责控制执行机构(1)进油的一组伺服驱动单元由第一油泵(3-1)、第一调速电机(4-1)、第一电机驱动器(5-1)组成，第一油泵(3-1)的进油口与油箱(6)相连，第一调速电机(4-1)与第一油泵(3-1)相连，第一电机驱动器(5-1)与第一调速电机(4-1)相连；负责控制执行机构(1)出油的一组伺服驱动单元由第二油泵(3-2)、第二调速电机(4-2)、第二电机驱动器(5-2)组成，第二油泵(3-2)的出油口与油箱(6)相连，第二调速电机(4-2)与第二油泵(3-2)相连，第二电机驱动器(5-2)与第二调速电机(4-2)相连，第一油泵(3-1)的出油口与第二油泵(3-2)的进油口相连后连接于换向阀(2)上，第一电机驱动器(5-1)、第二电机驱动器(5-2)分别与数据采集和控制系统(7)相连。

2.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：执行机构(1)为油缸或液压马达。

3.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：第一调速电机(4-1)选自伺服电机、变频电机、步进电机的任意一种。

4.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：第二调速电机(4-2)选自伺服电机、变频电机、步进电机的任意一种。

5.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：第一电机驱动器(5-1)选自伺服电机驱动器、变频器、步进电机控制器的任意一种。

6.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：第二电机驱动器(5-2)选自伺服电机驱动器、变频器、步进电机控制器的任意一种。

7.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：数据采集和控制系统(7)为计算机或单片机。

8.如权利要求1所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：反馈单元(8)为位移测量装置(8-1)、力测量装置(8-2)的至少一种。

9.如权利要求8所述的一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，其特征在于：反馈单元(8)同时采用位移测量装置(8-1)、力测量装置(8-2)。

说明书

用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源

技术领域

[0001] 本发明公开了一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，属于液压动力控制装置，可广泛应用于对各种对力、位移、速度有高精度控制要求的技术领域。

背景技术

[0002] 众所周知，液压动力源已广泛应用于各个领域，主要是采用普通电机带动普通定量泵往工作缸里输油，通过调节阀(流量阀)或溢流阀(压力阀)来调节动力装置的输出压力和动作速度，优点是维护单易，所以到现在还有大量的液压动力源采用此方法，缺点是油泵始终在大流量出油导致液压油温升过高，从而导致液压系统必须采用冷却设备才能连续运行。后来随着油泵工艺的进步出现了变量泵，在前述的液压系统的基础上，去掉定量泵和调节阀，采用变量泵，通过调节变量泵的流量达到调整液压装置的动作速度，但此方法调节范围受变量泵的调节范围太小且流量调节精度不高，所以只有在流量调节要求不高的情况下使用。鉴于以上情况，又出现了以变量泵为基础采用流量闭环控制方法来扩大调节范围，但效果不大。现有的比较先进和精密的液压动力源一般采用电液比例阀或伺服阀等阀组合的控制系统，采用计算机控制，其控制效果和精度比变量泵要高。但是，比例阀或伺服阀等的加工精度和对液压油介质的要求都比较高，液压动力系统及控制系统发热量大。

[0003] 上述最本质的一点，无论是调节阀控制系统、变量泵控制系统、电液比例阀、伺服阀等控制系统的液压动力装置中，不论其控制输出的动力执行机构工作与否，电机及液压动力装置始终处于工作状态，能源消耗大。

[0004] 基于上述原因，申请人于2007年4月开始提出了申请号为200710068074.9的一种用伺服电机控制的液压动力系统的发明专利申请，并将该项专利申请应用于注塑机、压力机、材料试验机等领域，其较原有的液压动力源，具有节能、低成本等优势，已经取得良好的经济效益和社会效益。2007年10月申请人将该项专利应用于500kN、0.03级叠加式力标准机的研制，该机是一种高精度的测力机，测力范围20-500kN，在测力范围内要求力值误差≤0.03％，力值波动度≤0.03％；对液压动力源的要求为：系统压力20MPa，在0.8-20MPa范围内力源波动度≤0.01％(≤0.00008MPa)，第一次试机时发现以下情况(具体见表1所示)：

[0005] 1、低力值保载时力值波动较大，此时伺服电机波动范围也较大，随着力值增加，波动缩小；

[0006] 2、力值过冲：较大力值时，加载到达目标力值时会过冲一定的力值，经一定时间的波动后趋于相对稳定。

[0007] 表1单伺服电机控制单油泵50次试验后的平均值油泵

[0008]测力 力值波动范围 伺服电机转 力值过冲 力值趋于相
点 (kN) 速范围 对稳定时间
量
(kN) (r/min) (kN) (s)
20 19.850-20.163 -10.1—13.2 0.508 60
50 49.914-50.102 -1.6—17.5 0.250 47
100 99.975-50.027 18.2—22.5 0.114 30
200 199.995-200.004 39.4—40.1 0.067 21
300 299.998-300.002 65.2—65.7 0.054 13
500 499.999-500.002 101.3— 0.048 10
101.5

[0009] 根据上述数据分析，我们可以发现，当伺服电机转速(油泵转速)很低时，力值波动大，随着转速提高，趋于稳定。为了使低力值的测力点时伺服电机能在较高的转速范围内运行，我们曾采用过扩大油缸和活塞的间隙，通过增加渗漏量的办法试图在低力值时能提高伺服电机的转速，试验时在低力值时取得了较好的效果，但力值较高时，渗漏量剧增，导致在伺服电机(油泵转速)在最大时尚不能达到目标力值。

[0010] 经过反复的试验、分析，我们发现主要是以下因素导致控制精度不够：

[0011] 1、执行机构：

[0012] 在实际应用中的油缸、液压马达等都存在不同程度的渗漏，而且这种渗漏是不确定的，渗漏的大小随着系统压力、温度的高低产生很大的变化，而且是非线性的。

[0013] 2、油泵特性：

[0014] 任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。

[0015] 3、伺服电机：

[0016] 目前国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性还存在一定的局限性。在较高转速时则非常平稳。

发明内容

[0017] 基于申请号为200710068074.9的在先申请所存在的上述缺陷，本发明的目的在于通过对上述申请进一步改进，提供一种灵活性和控制精度更高，且效率高、成本低的用调速电机直接驱动油泵的液压动力源。

[0018] 本发明为实现上述目的采取的技术方案如下，一种用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，包括执行机构、换向阀、油箱、伺服驱动单元、数据采集和控制系统、反馈单元，换向阀与执行机构相连，伺服驱动单元与换向阀相连，数据采集和控制系统与伺服驱动单元相连，反馈单元与数据采集和控制系统相连，执行机构与反馈单元相连，其特征在于：伺服驱动单元设置有两组，并联联接于换向阀上，一组伺服驱动单元负责控制执行机构的进油，另一组伺服驱动单元负责控制执行机构的出油。

[0019] 本发明采用两组伺服驱动单元，一组负责控制执行机构进油的伺服驱动单元由油泵、调速电机、电机驱动器组成，油泵进油口与油箱相连，油泵出油口与换向阀的进油口相连，调速电机与油泵相连，电机驱动器与调速电机相连，电机驱动器与数据采集和控制系统相连；一组负责控制执行机构出油的伺服驱动单元由油泵、调速电机、电机驱动器组成的，油泵进油口与换向阀的进油口相连，油泵的出油口与油箱相连，调速电机与油泵相连，电机驱动器与调速电机相连，电机驱动器与数据采集和控制系统相连。

[0020] 本发明的进一步的设置如下：

[0021] 执行机构优选为油缸或液压马达；

[0022] 调速电机为伺服电机、变频电机、步进电机等可以通过电机驱动器来调节转速的电机。

[0023] 电机驱动器为伺服电机驱动器、变频器、步进电机控制器等可以用来调节电机转速的驱动器。

[0024] 数据采集和控制系统优选为计算机或单片机；

[0025] 反馈单元选自位移测量装置、力测量装置的至少一种，单独用位移测量装置为高精度位移控制，单独用力测量装置为高精度力控制，本实施例中，同时采用位移测量装置、力测量装置，为高精度位移、力复合控制。

[0026] 本发明具有如下有益效果：

[0027] 1、本发明根据执行机构控制目标要求，动态调节调速电机的转速、转矩，不浪费电机功率，节能效果显著；

[0028] 2、由于采用二个油泵来控制执行机构，一个进油，一个回油，通过动态调二个油泵的转速差可实现对执行机构的力、位移的高精度控制；

[0029] 3、本发明结构简单，生产成本低，适用范围广，易于实现批量化生产制造。

[0030] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

[0031] 图1本发明的结构示意图。

具体实施方式

[0032] 如图1所示，本发明的用调速电机直接驱动油泵的高精度液压动力源，包括执行机构1，执行机构1可根据需要采用油缸或液压马达，换向阀2的出油口与执行机构1相连，换向阀2的回油口与油箱6相连，油泵3-1的进油口与油箱6相连，油泵3-1的出油口与换向阀2的进油口相连，调速电机4-1与油泵3-1相连，电机驱动器5-1与调速电机4-1相连；油泵3-2的进油口与换向阀2的进油口相连，油泵3-2的出油口与油箱6相连，调速电机4-2与油泵3-2相连，电机驱动器5-2与调速电机4-2相连，油泵3-1、调速电机4-1、电机驱动器5-1、油箱6组成的伺服驱动单元负责控制执行机构1的进油，油泵3-2、调速电机4-2、电机驱动器5-2、油箱6组成的伺服驱动单元负责控制执行机构1的出油。电机驱动器5-1、电机驱动器5-2分别与数据采集和控制系统7相连，数据采集和控制系统7可选择采用计算机或单片机，反馈单元8一端与数据采集和控制系统7相连，另一端与执行机构1相连，反馈单元8可根据需要选择采用位移测量装置8-1、力测量装置8-2，位移测量装置
8-1、力测量装置8-2可同时采用或单独采用，单独用位移测量装置8-1为高精度位移控制，单独用力测量装置8-2为高精度力控制，本实施例中，同时采用位移测量装置8-1、力测量装置8-2，为高精度位移、力复合控制。

[0033] 工作时，数据采集和控制系统7根据执行机构1的目标和位移测量装置8-1、力测量装置8-2的实际信号，通过运算，向电机驱动器5-1、电机驱动器5-2发送速度、转矩指令，电机驱动器5-1通过调速电机4-1控制油泵3-1的转速、转矩，通过换向阀2对执行机构1进油，电机驱动器5-2通过调速电机4-2控制油泵3-2的转速、转矩，通过换向阀对执行机构1回油；油泵3-1与油泵3-2的转速差决定执行机构1的进退、压力、速度。执行机构1通过连接在其上的位移测量装置8-1、力测量装置8-2实时向数据采集和控制系统7发送信号，数据采集和控制系统7实时通过运算向电机驱动器5-1电机驱动器5-2发送速度、转矩指令，如此完成一个闭环控制，执行实际工作的需要。

[0034] 本发明的控制原理如下：

[0035] 在理想状态下调速电机直接驱动油泵，调速电机的转速、转矩，与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系：

[0036] P＝p×Q　　　　　　　　　　　(1)

[0037] Q＝n×q　　　　　　　　　　　(2)

[0038] 由式(1)、(2)可得

[0039] P＝p×n×q　　　　　　　　　(3)

[0040] 由于：

[0041]

[0042] 将式(3)代入式(4)得

[0043]

[0044] 式中P—系统功率(W)

[0045] p—系统压力(Pa)

[0046] Q—流量(m3/s)

[0047] Tw—转矩(N·m)

[0048] n—电机转速(r/s)

[0049] q—油泵排量(m3/r)

[0050] 根据 在理想的一套系统中 为常数，所以调速电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据Q＝n×q，可知调速电机的转速与系统的所需流量成正比。

[0051] 由此推导出只要动态地调整调速电机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力、流量。这就是本控制系统的基本原理。

[0052] 本发明在实际中应用及对比效果分析：

[0053] 根据前述的试验分析和理论，本发明在实际应用中采用两个伺服电机分别控制两个油泵、两个油泵分别控制油缸的进回油，通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减。采用该方案可解决以下问题：

[0054] 1、任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。这是油泵的结构所决定的。

[0055] 在前述的500kN、0.03级叠加式力标准机中，我们采用的为内啮合齿轮泵，排量为1ml/r，齿轮泵内为100齿，这样在理想状态下，一个齿轮泵的最小出油分度值为1ml/100＝
0.01ml；根据表一数据，在20kN测力点，平均转速为3.1r/min，也就是油缸对油泵的供油要求为：1ml/r*3.1r/min＝3.1ml/min而我们采用的控制速度为100HZ(每秒钟调整100次)，即60*100＝6000次/min，这就要求流量的最小分度为：3.1/6000＝0.00052ml，显然，用一个油泵很难满足这种高精度的控制要求。

[0056] 为此我们采用两个伺服电机分别控制两个油泵、两个油泵分别控制油缸的进回油，两个油泵的转速差乘以油泵的排量等于油泵对油缸的供油量，我们在控制上将回油的油泵转速定为300r/min，这样在20kN测力点进油油泵的转速理论上为303.1r/min，这时虽然两个油泵对油缸的供油量还是3.1ml/min，但在这种状态下油泵的转速为300r/min，两个油泵流量迭加后的最小分度为：3.1/100/300＝0.00001ml，这样就完全能满足流量的最小分度0.00052ml的要求。

[0057] 2、由于两个伺服电机在300r/min左右速度运行，可以非常平稳。

[0058] 3、由于有一个油泵在控制回油，油缸在采取用密封圈等方法处理后，其渗漏远远小于油泵回油的速度，而且这种渗漏可以通过油泵回油速度的降底来解决，这样就相当于制造了一个渗漏相对恒定的环境。

[0059] 综上，采用两个伺服电机分别控制两个油泵、两个油泵分别控制油缸的进回油可以解决：(1)根据控制要求将液压动力源的流量细分，提高分辨率；(2)使伺服电机、油泵在理想的工作区域内运行；(3)将油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏。

[0060] 采用该方案后重新试验，取得了超过预期的效果(详见表2)。

[0061] 表2为双伺服电机控制双油泵50次试验后的平均值

[0062]测力点 力值波动范围 进油伺服 回油伺服 两伺服电 力值过 力值稳定
电机转速 电机转速 机转速差
(kN) (kN) 冲量(kN) 时间(s)
(r/min) (r/min) (r/min)
20 19.999-20.000 301.5 299 3.5 0 7
50 49.999-50.000 304.2 295 9.2 0 6
100 99.999-100.000 310.1 290 20.1 0 6
200 199.999-200.004 321.4 280 41.4 0 6
300 299.998-300.000 335.3 270 65.3 0 5
500 499.998-500.000 358.2 250 108.2 0 5