CN101476580A - 一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，应用于机械、检测设备上，属于液压动力控制系统领域。包括可调速控制系统、一套同步电机和第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵、及另一套同步电机/异步电机和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵。本发明通过控制系统控制同步电机的转速，而带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作供油，而另一套同步电机或异步电机以一定或可变的速度工作，带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作吸油，两套系统一起工作形成一个动态、宽范围可调、无脉动的液压加载系统，输出高精度、高分辨率的供油量从而达到精确控制外接设备的功能。

Description

一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统

技术领域

本发明公开了一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，应用于机械控制、液压检测设备上。

背景技术

目前，随着机械控制、材料、产品检测设备的精度、能耗、成本要求不断的提升，对液压加载系统的要求愈来愈高，原有的系统已经不能适应这一变化，存在许多的缺陷，无论从控制上还是成本上已经无法满足要求。现有的控制系统中基本以以下的方式工作控制：

1)阀控方式：定量泵阀控系统用电液伺服阀或比例阀对供油量进行精密的控制(对油液要进行严格清洁度管理)，所需流量外的多余流量全部从溢流阀排出，系统发热，能量消耗较大，小流量控制精度差。

2)用定量泵、PQ比例阀和负荷阀控制，能量消耗有所改善，减少了溢流阀的流量，但定量泵系统在整个工作过程以额定转数旋转，噪声大且消耗功率，小流量控制精度差。

3)用定量泵和普通电机加变频调速的方式来调节流量的方式，但其压力的调节仍要采用溢流阀辅助，而且由于变频器在低速时的力矩不够，启动速度慢，使得控制精度变差。

4)泵控方式：用变量柱塞泵控制所需的流量和压力，与阀控方式相比可以节省大量能源，且耐污染力增强，无需严格的油液管理，但要液压泵由电机在额定转数下连续运转。卸荷以及保压时，系统内部会泄漏损失一部分能量，加上电机在低负荷时效率较低也会造成能量损失，而且要进一步降低能量损失比较困难，小流量控制精度差。

5)AC伺服驱动器加伺服电机加定量泵来调节流量的方式，但在流量较小时伺服电机的速度过低，导致液压脉动较大，小流量控制精度差。

综上所述，现有的液压加载系统主要存在以下几方面的缺点：

1)现有的液压加载系统的能耗高、噪音大、控制效果差或成本较高；

2)液压加载系统对液压油的要求比较高；

3)现有的液压加载系统的发热量大，油温高，导致油质变差，控制效果变差；

4)现有的液压加载系统的压力一般比较低，导致系统体积庞大，成本增加。

最关键一点，是现有的液压加载系统的调整范围小，不能在宽范围内工作，控制精度差，特别是在小流量控制中是个盲点。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、能在宽范围内来进行小流量控制以及解决脉动问题的液压加载系统。

一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，包括可调速控制系统、一套同步电机和连接油箱的第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵、及另一套同步/异步电机和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵，第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵相连，所述可调速控制系统分别连接所述同步电机和同步/异步电机，用于根据采集到的外接工作设备上各种参数，与预先设定的同步电机和同步/异步电机的控制流程去比对，输出控制信号控制同步电机的转速，而带动与其相联的第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵工作供油，和/或输出控制信号控制另一套同步电机或异步电机以一定或可变的速度工作，带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作吸油。

所述同步电机为交流永磁同步电机。

可调速控制系统进一步包括数据采集接收器、于检测当前油缸及受力框架上各种参数的传感器、控制器和存储单元，所述数据采集接收器用于接收所述采集器采集到的外接工作设备上各种参数，存储单元用于存储预设的要求量和调整同步电机旋转速度的PWM值计算方式和控制同步/异步电机工作的控制方式，所述控制器，分别连接所述数据采集接收器和存储单元，用于根据数据采集接收器接收到的当前返回的参数与存储器中的要求量进行比较，确定控制同步电机还是控制同步/异步电机，再根据其控制电机来计算其电机的速度，输出至对应的电机。

本发明要解决技术问题所采用的技术方案是：通过控制系统控制同步电机的转速，而带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作供油，而另一套同步电机(或异步电机)以一定的或可变的速度工作，带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作吸油，两套系统一起工作形成一个动态、宽范围可调、无脉动的液压加载系统，输出高精度、高分辨率的供油量从而达到精确控制外接设备的功能。

附图说明

图1为本发明的一种工作原理结构示意图；

图2是现有的采集系统的原理结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，其为本发明的一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统的工作原理结构示意图。它包括可调速控制系统1、同步电机2、第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵3、油箱4、第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵5和同步电机/异步电机6，可调速控制系统1连接所述同步电机2和同步电机/异步电机6，同步电机2连接第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵3，同步电机/异步电机6连接第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵5，第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵3和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵5相连。

可调速控制系统分别连接所述同步电机和同步/异步电机，用于根据采集到的外接工作设备上各种参数，与预先设定的同步电机和同步/异步电机的控制流程去比对，输出控制信号控制同步电机的转速，而带动与其相联的第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵工作供油，和/或输出控制信号控制另一套同步电机或异步电机以一定或可变的速度工作，带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作吸油。

可调速控制系统1进一步包括数据采集接收器、控制器和存储单元，数据采集接收器用于接收采集器采集到的外部工作部件上的各种参数，存储单元用于存储预设的要求量和调整同步电机旋转速度的PWM值计算方式和控制同步/异步电机工作的控制方式，所述控制器，分别连接所述数据采集接收器和存储单元，用于根据数据采集接收器接收到的当前返回的参数与存储器中的要求量进行比较，确定控制同步电机还是控制同步/异步电机，再根据其控制电机来计算其电机的速度，输出至对应的电机。

可调速控制1可以通过一现有的DSP芯片即可，数据采集接收器、控制器和存储单元都是逻辑单元，在物理上通过DSP芯片即可实现。

本发明的工作原理为：可调速控制系统1根据数据采集接收器接收到的当前返回的参数与存储器中的要求量进行比较，再根据预先设定的同步电机2旋转速度的PWM值计算方式计算出PWM值，输出至同步电机2，以控制同步电机2的动作，通过同步电机2的动作，使得第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵3输出的油量改变，另一路再根据预先设定的同步电机或异步电机6的转速，带动第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵5工作，使得第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵5从第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵3输出的油量中吸油，剩余的油输出至负载，油泵在大于最低的转速下工作时，输出的油量基本无脉冲，根据负载的精度要求设定油泵的最低转速，达到宽范围高精度无脉动液压加载。

以下就举一个具体的实例来说明本发明.

叠加式力标准机在我国是上世纪八十年代出现的一种新型标准测力机，近年来已得到普遍认可，应用范围逐渐扩大，并成为测力、称重传感器生产的重要设备。但以往的叠加机在控制精度、成本、自动化程度上都有欠缺，导致企业使用成本较大，本发明将彻底改变该机的缺陷，以下是本发明在该机上的应用：

如图2所示：叠加式力标准机的工作原理是力发生器对标准测力仪和被检测力仪同时加载，由于两者受力串联，承受同一载荷。载荷大小由标准测力仪的输出来确定，当输出达到用高一级测力仪(或测力机)标定的定度值时，所施加的载荷为一标准力值，稳定该力值，记录下被检测力仪的输出。逐级加载和卸载，完成对被检测力仪的检测。叠加式力标准机基本原理决定了它与传统的力标准机如静重机、杠杆机不同，具有两个最主要的特点：一是它的依赖性。静重机等是砝码通过地心引力产生重力作为标准负荷，砝码既是力源又给出了力值大小。叠加式力标准机则不然，它的液压或机械力发生器仅作为力源，力值大小是由标准测力仪确定的。标准测力仪则需要到高一级的测力机上去检定，得出它的力学特性才能用来确定力值。因之它需要准确度更高的力标准机向它传递力值，这就是它的依赖性。二是它的加载稳定性，由于叠加式力标准机加载和力值分别由力发生器和标准测力仪确定，加载过程是力发生器实施加载，标准测力仪实时确定并指示加载力值。如要达到所需加载力值，标准测力仪必须把加载值反馈给力发生器，以调节加载值的大小。加载调节是一个动态过程，达到所需力值则需要一个稳定时间。如要达到高的力值精度，就需要高的稳定度和尽可能长的稳定时间。这个要求对传统的静重机、杠杆并不特别突出，加上砝码就会得到一个稳定力值，对叠加机却是一个很关键的问题。

叠加式力标准机必须解决加载稳定，正是因为解决了加载稳定性问题，叠加式力标准机才得到认同并获得了发展。但以往对稳定问题成功解决的方法，主要有两种，一是用压电陶瓷的方法，压电陶瓷是一种通电可以产生微变形的材料，可以满足大部分的需要，但它也有缺陷，它的变形量小、变形不均匀，速度慢，用该技术做叠加机，会降低检测传感器的精度。另一种是用液压泵加粗、精调速阀和液压包，靠人工控制，精度对人的依赖度较大，而且该种方式液压源大，成本高，能耗大。

而本发明采取的方式是：

工作前，把标准传感器的标定值输入计算机作为设定值。工作开始后，两套电机启动，油泵工作，两套泵组合工作输出油给油缸增压，油缸活塞移动，标准传感器和被检传感器同时受力，传感器输出信号分别由标准表和检测仪表发送给调速系统，微机计算出标准传感器输出信号(加载值)与设定值的差值，并根据神经元算法，计算控制脉冲的频率，控制同步电机的转速，如：我们预先设置要到达的标准传感器的输出量为2.00000mV/V，系统工作后，标准传感器上的反馈值从0开始增加，当输出量接近2.00000mV/V时，根据差值利用算法调整同步电机的转速，利用两套泵的供油差来调整供油量的输出大小，甚至输出为负，而一般系统的工作方式是当差值大时，电机转动速度快，差值小时电机转速慢。差值为正，电机正转；差值为负，电机反转。加载值接近标准值时，电机转速变得很慢，来使加载值缓慢逼近并达到标准值，但电机转速低于一定值时，油泵的供油不再连续，出现脉动现象，系统并不能达到真正的平衡，这样就降低了控制的精度，只能采取有范围的精度采样，相反采用本发明的液压加载后，可以达到零误差采样。

仪器采样要求不低于50次，选用50HZ，便于去除工频干扰。

齿轮泵的输出特性：

在本发明的叠加式力标准机上，使用了两只MARZ0CCHI-UK0.25D30。泵的技术参数：

型号：U0.25D

排量：0.32ml/rev

工作压力：21mpa

500kN叠加机的技术参数：

油缸活塞直径为175mm

达到最大压力时的油压为：20.8mpa

活塞上升1mm，需要供油：24ml，需要油泵旋转75转，位移0.001mm时，需0.075转。

齿轮泵的瞬时流量随啮合点位置而变，在轮齿进入和退出啮合时，啮合点距最大(f＝tj/2，tj＝πmεcosα，为齿轮基节)，输出流量最小，当啮合点同节点重合时，啮合点距最小(f＝0)，输出流量最大，主动齿轮转过一个齿角距r(r＝2π/z1)时输出流量变化一次，导致输出流量产生比较严重的周期性脉动。

当采样周期固定后，齿轮泵的速度对输出的脉动起决定性作用，到一定转速后，仪表才有可能采集到稳定的力值。在实际使用中，采样起始时间会有差异，当采样比油泵相差10ms时，油泵需10rev/min，能保证采样的稳定，当采样比油泵相差5ms时，油泵需20rev/s，能保证采样的稳定，当采样比油泵相差2.5ms时，油泵需40rev/s，能保证采样的稳定，当采样比油泵相差1ms时，油泵需100rev/s，能保证采样的稳定，理论上是当油泵转速无穷大时才能保证采样在任何时间都是稳定的，实际上油压系统有一定的缓冲和压缩，当油泵到达一定转速时，已基本实现采样无脉动，在我单位检测的系统中，当油泵速度达到300rev/min时，用高精度仪器检测，已检测不到脉动，但速度提高以后，供油量增加，又不符合使用要求。用本发明的办法可以很好的解决这个问题，使得在小流量的时候，用另一套油泵将多余的油抽走，在保证把脉动性减到最低的情况下，保证供油量。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1、一种节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，其特征在于，包括可调速控制系统、一套同步电机和连接油箱的第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵、及另一套同步/异步电机和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵，第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵和第二液压柱塞泵/内啮合齿轮泵相连，所述可调速控制系统分别连接所述同步电机和同步/异步电机，用于根据采集到的外接工作设备上各种参数，与预先设定的同步电机和同步/异步电机的控制流程去比对，输出控制信号控制同步电机的转速，而带动与其相联的第一液压柱塞泵/内啮合齿轮泵工作供油，和/或输出控制信号控制另一套同步电机或异步电机以一定或可变的速度工作，带动与其相联的液压柱塞泵或内啮合齿轮泵工作吸油。

2、如权利要求1所述的节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，其特征在于，所述同步电机为交流永磁同步电机。

3、如权利要求1所述的节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，其特征在于，可调速控制系统进一步包括数据采集接收器、于检测当前油缸及受力框架上各种参数的传感器、控制器和存储单元，所述数据采集接收器用于接收所述采集器采集到的外接工作设备上各种参数，存储单元用于存储预设的要求量和调整同步电机旋转速度的PWM值计算方式和控制同步/异步电机工作的控制方式，所述控制器，分别连接所述数据采集接收器和存储单元，用于根据数据采集接收器接收到的当前返回的参数与存储器中的要求量进行比较，确定控制同步电机还是控制同步/异步电机，再根据其控制电机来计算其电机的速度，输出至对应的电机。

4、如权利要求1所述的节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，其特征在于，所述传感器包括压力传感器和位移传感器，分别连接至对应的数据采集接收器。

5、如权利要求3所述的节能型宽范围高精度无脉动液压加载系统，其特征在于，传感器包括标准传感器和被检传感器，所述控制器接收到由标准传感器和被检传感器发送的检测值，并计算出标准传感器输出信号与预设值的差值，并根据神经元算法，计算控制脉冲的频率，控制同步电机的转速。

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