一种变转速液压动力源流量控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种变转速液压动力源流量控制系统及方法，包括减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、马达、电流前馈控制器、用于检测永磁电机定子侧电流的霍尔电流传感器、以及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器。本发明能够实现变转速液压动力源的流量控制，并且响应速度快，精准度较高。

权利要求

1.一种变转速液压动力源流量控制方法，其特征在于，基于变转速液压动力源流量控制系统，所述变转速液压动力源流量控制系统包括减法器(1)、PID控制器(2)、加法器(3)、伺服驱动器(4)、永磁电机(5)、齿轮泵(6)、马达(7)、电流前馈控制器(8)、用于检测永磁电机(5)定子侧电流的霍尔电流传感器(9)、以及用于检测齿轮泵(6)出油口流量信息的流量传感器(10)；

所述伺服驱动器(4)的输出端与永磁电机(5)的控制端相连接，永磁电机(5)的输出轴与齿轮泵(6)的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵(6)的入油口相连通，齿轮泵(6)的出油口与马达(7)的入油口相连通，马达(7)的出油口与油箱的入油口相连通，霍尔电流传感器(9)的输出端与电流前馈控制器(8)的输入端相连接，电流前馈控制器(8)的输出端与加法器(3)的输入端连接，流量传感器(10)的输出端与减法器(1)的输入端相连接，减法器(1)的输出端与PID控制器(2)的输入端相连接，PID控制器(2)的输出端与加法器(3)的输入端相连接，加法器(3)的输出端与伺服驱动器(4)的输入端相连接；

包括以下步骤：

1)流量传感器(10)实时采集齿轮泵(6)出油口处的流量信息Qp，并将齿轮泵(6)出油口处的流量信息Qp转发至减法器(1)中，减法器(1)通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵(6)出油口处的流量值Qp得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差转发至PID控制器(2)中，PID控制器(2)根据所述系统流量偏差产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器(3)中；霍尔电流传感器(9)实时检测永磁电机(5)定子侧的电流信息，并将所述永磁电机(5)定子侧的电流信息转发至电流前馈控制器(8)，电流前馈控制器(8)根据当前所述永磁电机(5)定子侧的电流信息产生控制信息，并将所述控制信息转发至加法器(3)中，加法器(3)将所述控制信息与PID控制量进行加法运算，并将加法运算的结果转发至伺服驱动器(4)中；

2)伺服驱动器(4)根据步骤1)得到的相加运算的结果控制永磁电机(5)工作，永磁电机(5)的输出轴带动齿轮泵(6)工作，齿轮泵(6)输出液压油驱动马达(7)工作；

当电流前馈控制器(8)接收到的永磁电机(5)定子侧的电流信息没有变化时，则输出的控制信息为“0”；当电流前馈控制器(8)接收到的永磁电机(5)定子侧的电流信息发生变化时，则根据永磁电机(5)定子侧的电流信息的变化量产生控制信息。

2.根据权利要求1所述的变转速液压动力源流量控制方法，其特征在于，齿轮泵(6)的驱动轴上的转矩平衡方程为：其中，TL为齿轮泵(6)的输入转矩， 为齿轮泵(6)的惯性转矩，Bpω为齿轮泵(6)的阻尼转矩， 为油液压力产生的转矩，Jp为齿轮泵(6)的转动惯量，Bp为齿轮泵(6)的阻尼系数；

永磁电机(5)的驱动轴上的转矩平衡方程为：

其中， 为永磁电机(5)的惯性转矩，Bmω为永磁电机(5)的阻力转矩，TL为永磁电机(5)的负载转矩，Te为永磁电机(5)的电磁转矩，Jm为永磁电机(5)的转动惯量，Bm为永磁电机(5)的阻尼系数；

电磁转矩Te的表达式为：

其中，p为永磁电机(5)的极对数，i为永磁电机(5)的定子侧电流，Ke为永磁电机(5)的反电势系数；

将式(1)及式(3)代入(2)式中，得

由式(4)得，齿轮泵(6)的输出压力Pp与永磁电机(5)的转速ω和永磁电机(5)的电流i两个变量有关。

说明书

一种变转速液压动力源流量控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于液压动力系统控制技术领域，涉及一种变转速液压动力源流量控制系统及方法。

背景技术

[0002] 液压传动与控制技术是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科，具有显著的机电液一体化特征。液压设备中大部分要对执行机构的速度进行控制，也就是说调速控制是液压设备的核心，一般分为节流调速和容积调速两种阀控形式。随着交流电机变频调速技术的不断普及，液压设备变频容积调速(变转速控制)方法被提出，它的原理是将定量油泵和电机交流调速技术有机结合,通过油泵转速的变化实现流量的动态调节，与变量泵系统相比较省去了复杂的变排量控制机构。与传统阀控调速系统相比变转速流体调速控制简化了液压回路，抗污染能力强，减少或完全消除了液压阀的能量损耗，提高了系统效率和可靠性，效率可达80％以上，并且结构简单、动态性能好，因此液压设备变转速控制成为国内外学者研究开发热点。

[0003] 变转速泵控马达调速系统的速度刚性较低，负载转矩的作用会使得液压泵、液压马达及控制阀产生泄漏，引起马达转速出现降落；负载转矩的作用也会由于电机的机械特性产生一定的转速降落；液压油具有可压缩性，当系统压力发生变化时，液压油体积会发生变化；负载转矩越大，马达转速降落越加明显。因此，如何主动补偿负载引起的马达转速降落是确保调速精度的关键所在。

[0004] 大功率大惯性变频泵控马达调速系统由于大惯性的存在增加了系统的稳定性，但降低了系统响应的快速性，因此如何提高这类系统响应的快速性是提高实时跟踪效果的另一个关键问题。大功率大惯性变频泵控马达调速系统由于大的转动惯量和液压系统的调节死区，使得控制系统存在较大的时滞，控制系统响应慢，动、静态性能均较差，定常PID反馈控制方法很难取得满意的控制效果。例如：加载时，系统压力增大，油液泄漏量增加，所以系统流量会出现短暂减少，会影响速度的控制精度。现有的系统流量硬件补偿措施都具有一定的局限性，如：在负载变化时适当地调整泵(电机)的转速，可适度补偿回路泄漏的流量，维持执行器转速的稳定性，但补偿的量缺乏理论指导，容易造成过补偿或欠补偿；另外，选择带矢量控制的变频器可以较大程度地提高电机转速轴的速度刚度，有利于提高调速精度，矢量型变频器并不能减小液压系统的慢时变特性对系统输出的影响。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种变转速液压动力源流量控制系统及方法，该系统及方法能够实现变转速液压动力源的流量控制，并且响应速度快，精准度较高，

[0006] 为达到上述目的，本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括减法器、PID控制器、加法器、伺服驱动器、永磁电机、齿轮泵、马达、电流前馈控制器、用于检测永磁电机定子侧电流的霍尔电流传感器、以及用于检测齿轮泵出油口流量信息的流量传感器；

[0007] 所述伺服驱动器的输出端与永磁电机的控制端相连接，永磁电机的输出轴与齿轮泵的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵的入油口相连通，齿轮泵的出油口与马达的入油口相连通，马达的出油口与油箱的入油口相连通，霍尔电流传感器的输出端与电流前馈控制器的输入端相连接，电流前馈控制器的输出端与加法器的输入端连接，流量传感器的输出端与减法器的输入端相连接，减法器的输出端与PID控制器的输入端相连接，PID控制器的输出端与加法器的输入端相连接，加法器的输出端与伺服驱动器的输入端相连接。

[0008] 本发明所述的变转速液压动力源流量控制方法包括以下步骤：

[0009] 1)流量传感器实时采集齿轮泵出油口处的流量信息Qp，并将齿轮泵出油口处的流量信息Qp转发至减法器中，减法器通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵出油口处的流量值Qp得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差转发至PID控制器中，PID控制器根据所述系统流量偏差产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器中；霍尔电流传感器实时检测永磁电机定子侧的电流信息，并将所述永磁电机定子侧的电流信息转发至电流前馈控制器，电流前馈控制器根据当前所述永磁电机定子侧的电流信息产生控制信息，并将所述控制信息转发至加法器中，加法器将所述控制信息与PID控制量进行加法运算，并将加法运算的结果转发至伺服驱动器中；

[0010] 2)伺服驱动器根据步骤1)得到的相加运算的结果控制永磁电机工作，永磁电机的输出轴带动齿轮泵工作，齿轮泵输出液压油驱动马达工作。

[0011] 当电流前馈控制器接收到的永磁电机定子侧的电流信息没有变化时，则输出的控制信息为“0”；当电流前馈控制器接收到的永磁电机定子侧的电流信息发生变化时，则根据永磁电机定子侧的电流信息的变化量产生控制信息。

[0012] 齿轮泵的驱动轴上的转矩平衡方程为：

[0013]

[0014] 其中，TL为齿轮泵的输入转矩， 为齿轮泵的惯性转矩，Bpω为齿轮泵的阻尼转矩， 为油液压力产生的转矩，Jp为齿轮泵的转动惯量，Bp为齿轮泵的阻尼系数；

[0015] 永磁电机的驱动轴上的转矩平衡方程为：

[0016]

[0017] 其中， 为永磁电机的惯性转矩，Bmω为永磁电机的阻力转矩，TL为永磁电机的负载转矩，Te为永磁电机的电磁转矩，Jm为永磁电机的转动惯量，Bm为永磁电机的阻尼系数；

[0018] 电磁转矩Te的表达式为：

[0019]

[0020] 其中，p为永磁电机的极对数，i为永磁电机的定子侧电流，Ke为永磁电机的反电势系数；

[0021] 将式(1)及式(3)代入(2)式中，得

[0022]

[0023] 由式(4)得，齿轮泵的输出压力Pp与永磁电机的转速ω和永磁电机的电流i两个变量有关。

[0024] 本发明具有以下有益效果：

[0025] 本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统及方法在工作时，通过流量传感器采集齿轮泵出油口处的流量信息，并将所述齿轮泵出油口处的流量信息与目标流量进行相减，得系统流量偏差，PID控制器根据系统流量的偏差给出PID控制量，并将PID控制量输入到加法器中，电流前馈控制器根据当前永磁电机定子侧的电流信息判断系统运行情况，然后根据系统运行情况得到控制信息，并将所述控制信息转发至加法器中，伺服驱动器根据加法器加法运算的结果控制永磁电机工作，永磁电机通过齿轮泵带动马达工作，实现对齿轮泵出油口处液压油流量的控制，从而实现对变转速液压动力源流量的控制。本发明首次提出电流前馈、流量反馈相结合，形成电流前馈-反馈的复合补偿主动控制策略，从而通过电流前馈控制解决液压系统由于负载扰动变化时出现系统流量瞬时波动大、响应速度慢、不易调整等问题，同时与PID控制器相结合消除液压动力源流量的稳态误差，提高控制精度。

附图说明

[0026] 图1为本发明的结构示意图；

[0027] 图2为本发明中永磁电机5定子侧电流与系统压力关系图；

[0028] 图3为本发明中实测液压系统加载、减载时电流-压力关系图；

[0029] 图4为传统的实测PID制方法流量阶跃加载响应图；

[0030] 图5为本发明的流量阶跃加载响应图；

[0031] 图6为传统的实测PID控制方法流量斜坡加载响应图；

[0032] 图7为本发明的流量斜坡加载响应图；

[0033] 其中，1为减法器、2为PID控制器、3为加法器、4为伺服驱动器、5为永磁电机、6为齿轮泵、7为马达、8为电流前馈控制器、9为霍尔电流传感器、10为流量传感器。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0035] 参考图1，本发明所述的变转速液压动力源流量控制系统包括减法器1、PID控制器2、加法器3、伺服驱动器4、永磁电机5、齿轮泵6、马达7、电流前馈控制器8、用于检测永磁电机5定子侧电流的霍尔电流传感器9、以及用于检测齿轮泵6出油口流量信息的流量传感器
10；所述伺服驱动器4的输出端与永磁电机5的控制端相连接，永磁电机5的输出轴与齿轮泵
6的驱动轴相连接，油箱的出油口与齿轮泵6的入油口相连通，齿轮泵6的出油口与马达7的入油口相连通，马达7的出油口与油箱的入油口相连通，霍尔电流传感器9的输出端与电流前馈控制器8的输入端相连接，电流前馈控制器8的输出端与加法器3的输入端连接，流量传感器10的输出端与减法器1的输入端相连接，减法器1的输出端与PID控制器2的输入端相连接，PID控制器2的输出端与加法器3的输入端相连接，加法器3的输出端与伺服驱动器4的输入端相连接。

[0036] 本发明所述的变转速液压动力源流量控制方法包括以下步骤：

[0037] 1)流量传感器10实时采集齿轮泵6出油口处的流量信息Qp，并将齿轮泵6出油口处的流量信息Qp转发至减法器1中，减法器1通过预设目标流量值Qr减去当前齿轮泵6出油口处的流量值Qp得系统流量偏差，并将所述系统流量偏差转发至PID控制器2中，PID控制器2根据所述系统流量偏差产生PID控制量，并将所述的PID控制量转发至加法器3中；霍尔电流传感器9实时检测永磁电机5定子侧的电流信息，并将所述永磁电机5定子侧的电流信息转发至电流前馈控制器8，电流前馈控制器8根据当前所述永磁电机5定子侧的电流信息产生控制信息，并将所述控制信息转发至加法器3中，加法器3将所述控制信息与PID控制量进行加法运算，并将加法运算的结果转发至伺服驱动器4中；

[0038] 2)伺服驱动器4根据步骤1)得到的相加运算的结果控制永磁电机5工作，永磁电机5的输出轴带动齿轮泵6工作，齿轮泵6输出液压油驱动马达7工作。

[0039] 需要说明的是，当电流前馈控制器8接收到的永磁电机5定子侧的电流信息没有变化时，则输出的控制信息为“0”；当电流前馈控制器8接收到的永磁电机5定子侧的电流信息发生变化时，则根据永磁电机5定子侧的电流信息的变化量产生控制信息。

[0040] 齿轮泵6的驱动轴上的转矩平衡方程为：

[0041]

[0042] 其中，TL为齿轮泵6的输入转矩， 为齿轮泵6的惯性转矩，Bpω为齿轮泵6的阻尼转矩， 为油液压力产生的转矩，Jp为齿轮泵6的转动惯量，Bp为齿轮泵6的阻尼系数；

[0043] 永磁电机5的驱动轴上的转矩平衡方程为：

[0044]

[0045] 其中， 为永磁电机5的惯性转矩，Bmω为永磁电机5的阻力转矩，TL为永磁电机5的负载转矩，Te为永磁电机5的电磁转矩，Jm为永磁电机5的转动惯量，Bm为永磁电机5的阻尼系数；

[0046] 电磁转矩Te的表达式为：

[0047]

[0048] 其中，p为永磁电机5的极对数，i为永磁电机5的定子侧电流，Ke为永磁电机5的反电势系数；

[0049] 将式(1)及式(3)代入(2)式中，得

[0050]

[0051] 由式(4)得，齿轮泵6的输出压力Pp与永磁电机5的转速ω和永磁电机5的电流i两个变量有关，可以得出不同转速下电机定子侧电流与系统压力之间的关系，如图2所示。

[0052] 从图3可知，当液压系统载荷突变时，永磁电机5定子侧电流的变化几乎与系统压力变化是同步的，因此用永磁电机5定子侧电流作为前馈信号是可行的。

[0053] 由图4可知，当系统流量稳定后，用比例溢流阀加阶跃上升、阶跃下降载荷，系统压力上升为5MPa，温度为23.5℃；系统压力阶跃上升时，由于齿轮泵6的泄漏量增加，造成流量会减小，但由于系统采用的是流量闭环控制，所以可以通过控制永磁电机5转速的增加来补偿齿轮泵6泄漏的增加，系统流量经过6.5秒调整恢复稳定，达到设定的目标流量。同时，当系统压力阶跃下降时，流量会上升，通过闭环控制调节永磁电机5转速，使系统流量达到设定的目标值。

[0054] 由图5可知，加入电流前馈控制后，载荷变化时，将系统压力的变化耦合到电机电流的变化，把电流值的变化量经过电流前馈控制器8输出后与PID控制量相加，此时永磁电机5的模拟输入控制量增大，永磁电机5的转速升高，液压动力源的输出流量增大，目标流量和系统流量偏差很快变小，本发明的调整时间仅为2秒，比传统的PID反馈控制调整时间缩短4.5秒。

[0055] 由图6可知，系统流量稳定后，用比例溢流阀加斜坡上升、斜坡下降载荷，系统压力上升为5MPa，温度为23.5℃，加斜坡载荷时系统压力相比阶跃载荷上升缓慢，但流量的调整时间仍然为6.5秒。

[0056] 由图7可知，加入电流前馈控制后，斜坡加载时系统流量的调整时间为2.5秒，比传统的PID反馈控制调整时间缩短4秒。

[0057] 由此，本发明有效解决了变转速液压动力源在负载扰动变化时出现系统瞬时流量波动大、响应速度慢、不易调整等问题，结合前馈控制和反馈控制的优点，实现了基于电流前馈的变转速液压动力源主动控制。