变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统及控制方法，其特征是系统包括液压系统和控制系统；液压系统包括变频电机及与变频电机同轴连接的恒功率变量泵；根据液压系统的工艺特性对恒功率变量泵进行选型；建立起压力与转矩之间的关系，并得到压力与转速的关系，根据采集获得的压力值对电机速度进行分段控制。本发明有效提高了驱动系统与时序负载的能量匹配程度，改善了恒功率变量泵在低压区的节能缺陷。

权利要求

1.一种变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统，其特征是包括：液压系统和控制系统；

所述液压系统包括转速可调的变频电机(1)以及与所述变频电机(1)同轴连接的恒功率变量泵(2)；所述恒功率变量泵(2)的进油口与油箱(3)连通，恒功率变量泵(2)的出油口一路与具有中位卸荷功能的三位四通电磁换向阀(4)的油口C相连，另一路与第一溢流阀(5)的入口相连，第一溢流阀(5)的出油口与油箱(3)相连；所述三位四通电磁换向阀(4)的回油口T与油箱(3)相连，三位四通电磁换向阀(4)的出油口A与液压缸(6)的无杆腔相连，三位四通电磁换向阀(4)的回油口B与第二溢流阀(7)的出油口相连，另一路与单向阀(8)的进油口相连；所述第二溢流阀(7)的进油口与液压缸(6)的有杆腔相连；所述单向阀(8)的出油口与液压缸(6)的有杆腔相连；

所述控制系统是由各传感器和控制器(9)组成；所述传感器包括用于检测恒功率变量泵(2)的出口压力的压力传感器(11)，用于检测变频电机(1)的输出转矩的转矩测量仪(10)，所述控制器接收来自各传感器的检测信号，将所述检测信号经过数据处理为变频电机(1)提供控制信号，所述转速可调的变频电机(1)即为变速电机。

2.一种权利要求1所述液压节能系统的控制方法，其特征是按如下过程进行：

步骤1：根据液压系统的压制动作的压力与流量特性选定恒功率变量泵(2)的恒定功率P1，根据液压系统的快降动作压力选定恒功率变量泵(2)的调定压力p0；以所述恒定功率P1和调定压力p0作为恒功率变量泵(2)的选择依据；

步骤2：按如下方式测量正比例系数λ0：利用转矩测量仪(10)和压力传感器(11)分别采集变频电机(1)的转矩T和恒功率变量泵(2)的出口压力p，根据转矩T和出口压力p制定液压系统的时间t与转矩T的关系曲线T＝x(t)，以及时间t与出口压力p的关系曲线p＝y(t)，根据关系曲线，换算得出T＝λip,i＝1,2,3…，对λi取均值得λ0；

步骤3：按如下方式实现恒功率变量泵非恒功率阶段与恒功率阶段的分段控制：

若p

若p≥p0，设置变频电机(1)的转速n2为：

说明书

变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及液压系统及其控制方法，更具体地说明变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统及其控制方法。技术背景

[0002] 工业生产中，以电能为动力源的液压系统由于在能量传递中存在相当大的能量损失，因此存在巨大的节能空间，提高液压系统系统能量利用效率对于缓解能源短缺以及减少温室效应具有重要的意义。液压系统中的能量损失具有多种形式，除了系统各元件本身由于结构而产生的能量损失，液压系统驱动单元和负载功率不匹配所产生的能量损失占比例更大。

[0003] 对于液压系统功率匹配不当问题，上世纪80年代，三菱公司就率先研发变频驱动液压电梯技术，上述变频技术主要应用于定量泵的控制中，有效的解决了液压泵输出功率和负载需求功率匹配问题，但是忽略了电机和液压泵本身的的实际能量转换效率，工业中广泛采用的单一采用变量泵的控制方法，同样也忽略掉这个问题。

[0004] 在公开号为CN104179735A专利申请文件中公开了一种变频电机-比例数字变量泵的双变量控制方式，通过建立数据库的方式进行驱动。但其没有探究电机与泵之间的变量和功率关系，无法进行连续的自适应控制。控制策略通过实验方法获取，得出各工况作用下的最优控制点，通过试验方法获取最优点，要做大量的试验研究，加上试验误差的存在，会使得试验工作量加大，且控制精度越高，其试验量就越大。该控制方法采集信息量复杂，数据处理冗长，使得其控制复杂。每台液压装备存在差异性，大量试验得出的数据库不能在相同型号下通用，使得其方法在工业应用中变得困难，且成本较高。

发明内容

[0005] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统及控制方法，以期能够有效提高驱动系统与时序负载的能量匹配程度，简化控制方法，改善恒功率变量泵在低压区的节能缺陷。

[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0007] 本发明变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统的特点是包括：液压系统和控制系统；

[0008] 所述液压系统包括转速可调的变频电机以及与所述变频电机同轴连接的恒功率变量泵；所述恒功率变量泵的进油口与油箱连通，恒功率变量泵的出油口一路与具有中位卸荷功能的三位四通电磁换向阀的油口C相连，另一路与第一溢流阀的入口相连，第一溢流阀的出油口与油箱相连；所述三位四通电磁换向阀的回油口T与油箱相连，三位四通电磁换向阀的出油口A与液压缸的无杆腔相连，三位四通电磁换向阀的回油口B与第二溢流阀的出油口相连，另一路与单向阀的进油口相连；所述第二溢流阀的进油口与液压缸的有杆腔相连；所述单向阀的出油口与液压缸的有杆腔相连；

[0009] 所述控制系统是由各传感器和控制器组成；所述传感器包括用于检测恒功率变量泵的出口压力的压力传感器，用于检测变频电机的输出转矩的转矩测量仪，所述控制器接收来自各传感器的检测信号，将所述检测信号经过数据处理为变频电机提供控制信号。

[0010] 本发明液压节能系统的控制方法的特点是按如下过程进行：

[0011] 步骤1：根据液压系统的压制动作的压力与流量特性选定恒功率变量泵的恒定功率P1，根据液压系统的快降动作压力选定恒功率变量泵的调定压力p0；以所述恒定功率P1和调定压力p0作为恒功率变量泵的选择依据；

[0012] 步骤2：按如下方式测量正比例系数λ0：利用转矩测量仪和压力传感器分别采集变频电机的转矩T和恒功率变量泵的出口压力p，根据转矩T和出口压力p制定液压系统的时间t与转矩T的关系曲线T＝x(t)，以及时间t与出口压力p的关系曲线p＝y(t)，根据关系曲线，换算得出T＝λi p,i＝1,2,3…，对λi取均值得λ0；

[0013] 步骤3：按如下方式实现恒功率变量泵非恒功率阶段与恒功率阶段的分段控制：

[0014] 若p

[0015] 若p≥p0，设置变频电机的转速n2为：

[0016] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0017] 1、本发明节能效果主要体现在恒功率变量泵与时序负载的能量匹配以及恒功率变量泵与变频电机的能量匹配。恒功率泵与时序负载的能量匹配主要体现在系统可以根据系统压力、流量的改变而输出与之匹配的流量、压力，从而达到节能的目的；恒功率变量泵与变频变速电机的能量匹配具体体现在电机的输出功率尽可能的传递给泵，使得泵的机械损失与容积损失最小。

[0018] 2、对传统变速电机与变量泵而言，影响其变化的因素很多，而且相互耦合，呈非线性、时变性等特点，使得系统控制非常困难，很难建立精确的数学模型。本发明采用变速电机与恒功率泵系统，通过引进一个比例系数的方式，得出转矩与压力的关系，从而得到一个精确的控制模型，通过采集恒功率变量泵的出口压力控制电机转速即可使得系统高效率运行，其控制方式简单，成本低。

[0019] 3、本发明结合液压系统的加工工艺，通过控制器对恒功率变量泵出口采集的压力值与恒功率变量泵设定的压力值的大小进行判断，并基于此对电机转速进行分段控制，这种结合工艺的实时控制系统，改善了恒功率变量泵在低压区的节能缺陷。

附图说明

[0020] 图1为本发明系统构成示意图；

[0021] 图中标号：1变频电机，2恒功率变量泵，3油箱，4三位四通电磁换向阀，5第一溢流阀，6液压缸，7第二溢流阀，8单向阀，9控制器，10转矩测量仪，11压力传感器。

具体实施方式

[0022] 参见图1，本实施例中变速电机与恒功率变量泵匹配的液压节能系统包括液压系统和控制系统。

[0023] 液压系统包括转速可调的变频电机1以及与变速电机1同轴连接的恒功率变量泵2；恒功率变量泵2的进油口与油箱3连通，恒功率变量泵2的出油口一路与具有中位卸荷功能的三位四通电磁换向阀4的油口C相连，另一路与第一溢流阀5的入口相连，第一溢流阀5的出油口与油箱3相连；三位四通电磁换向阀4的回油口T与油箱3相连，三位四通电磁换向阀4的出油口A与液压缸6的无杆腔相连，三位四通电磁换向阀4的回油口B与第二溢流阀7的出油口相连，另一路与单向阀8的进油口相连；第二溢流阀7的进油口与液压缸6的有杆腔相连；单向阀8的出油口与液压缸6的有杆腔相连。

[0024] 变速电机1启动后，设置三位四通电磁换向阀4在左位，液压油进入液压缸6的无杆腔，液压缸活塞杆下行直至底部，之后设置三位四通电磁换向阀4在右位，液压油进入液压缸6的有杆腔，液压缸活塞杆上行直至顶部。三位四通电磁换向阀4左位是指：进油口C与油口A相通，油口B与回油口T相通；三位四通电磁换向阀4右位是指：进油口C与油口B相通，油口A与回油口C相通。

[0025] 控制系统是由各传感器和控制器9组成；传感器包括用于检测恒功率变量泵2的出口压力的压力传感器11，用于检测变频电机1的输出转矩的转矩测量仪10，控制器接收来自各传感器的检测信号，将检测信号经过数据处理为变频电机提供控制信号。

[0026] 本实施例中液压节能系统的控制方法是按如下过程进行：

[0027] 步骤1：根据液压系统的压制动作的压力与流量特性选定恒功率变量泵2的恒定功率P1，根据液压系统的快降动作压力选定恒功率变量泵2的调定压力p0；以恒定功率P1和调定压力p0作为恒功率变量泵2的选择依据。

[0028] 恒功率变量泵在压力未达到调定值p0之前，相当于是最大排量V的定量泵，在压力达到恒定值之后，其流量压力值变化时，遵循恒功率，其值大小为P2。将恒功率变量泵的功率特性与液压系统工艺特性结合，实现恒功率变量泵非恒功率阶段与恒功率阶段的分段控制。

[0029] 关于液压系统的工艺特性：在液压系统工作过程中，存在快降动作、压制动作、保压动作和快回动作，快降动作和快回动作负载压力小，且动作速度及工作压力由工艺要求确定，流量压力大小确定，采用变速电机调速实现恒功率变量泵与负载的匹配；压制动作、保压动作和慢回动作负载压力大，且负载值多变，使得功率匹配困难，也使得控制方式复杂且不精准，采用恒功率变量泵，其流量压力值变化时，遵循恒功率，使得泵与负载的匹配最大化，并通过变速电机调速使得电机功率与恒功率变量泵的功率匹配。

[0030] 步骤2：按如下方式测量正比例系数λ0：利用转矩测量仪10和压力传感器11分别采集变频电机1的转矩T和恒功率变量泵2的出口压力p，根据转矩T和出口压力p制定液压系统的时间t与转矩T的关系曲线T＝x(t)，以及时间t与出口压力p的关系曲线p＝y(t)，根据关系曲线，换算得出T＝λip，i＝1,2,3…，对λi取均值得λ0。

[0031] 正比例系数λ0引入的目的是确立泵出口压力p与电机转矩T之间的具体关系，电机转矩与泵出口压力都是随液压系统的外负载变化而变化。通过电机转矩为中间转换量，根据电机功率与泵功率相等的能量匹配原则，得到泵出口压力与转速之间的确切关系。

[0032] 步骤3：按如下方式实现恒功率变量泵非恒功率阶段与恒功率阶段的分段控制：

[0033] 若p

[0034] 若p≥p0，设置变频电机1的转速n2为：

[0035] 通过分段控制，改善了恒功率变量泵在低压区的节能缺陷，实现了变速电机-恒功率变量泵的精确的实时控制。