CN101900153A - 永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，包括：永磁伺服电机、伺服控制器、液压油泵(包括:齿轮油泵、叶片泵以及柱塞泵)和传感器等。本发明使用了效率高、机械特性好、过载倍数大和调速性能好的永磁伺服电机拖动油泵，采用了压力、流量双闭环控制和电机电压、电流对系统流量、压力的冗余监测系统，并且具有油液温度自动补偿功能。本发明还针对不同的液压负载工况提供了压力自适应、流量自适应和功率自适应三种工作模式，而每种工作模式都采用不同的控制策略进行优化，因此具有应用范围广、系统效率高、低速稳定性好、响应速度快和调速精确等优点。

Description

永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源

技术领域

本发明属于液压设备的制造，具体涉及一种永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，可为不同工作状态的液压设备提供液压能。

背景技术

液压设备由于其传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性被广泛的应用于机械工程中，但液压动力系统的整体能量利用率不高，系统效率较低。因此，采用节能设计提高系统效率成为液压技术工作者所关注的重大课题。以往的节能设计都将重点放在了液压回路的设计和高效液压元件的选择上，并且取得了较好的节能效果。如采用负载自适应控制，尽量减少溢流、节流等损耗，采用二次元件和蓄能器回收部分能量。但是随着设计的改进和液压回路效率的提高，想要进一步提高其效率变得越来越困难，因此有必要将整个液压系统（包括原动机和负载）综合考虑，设计出更加节能的液压系统。

传统的电机驱动式液压动力源绝大多数都采用异步电动机进行拖动，而异步电机在使用中存在以下诸多缺陷：

1）许多场合需要电机带动较大的负荷启动，但异步电机的低速特性较差，低速时效率很低，输出转矩也较小，因此为了带动负载，在无软启动措施的前提下只能加大电机的功率；

2）由于热惯性的原因电机短时过载是允许的，而异步电机的过载倍数较低，一般在2.2以下，因此有时为了满足瞬时较大负载的要求不得不采用更大功率的电机；

3）异步电机的功率因数较低，在额定载荷时约为0.7～0.9，而在轻载或空载时更低，只有0.2～0.3；

4）异步电机定子电流可分解为两部分，一部分是用以在转子中形成磁场的励磁电流，另一部分为用于输出转矩的负载电流，无论电机是否有实际转矩输出，励磁电流都存在，并且在低速或空载情况下励磁电流所占比例会更大，而励磁电流的存在会消耗一定的电机功率。即使使用变频驱动技术能够减小异步电机定子电流，起到一定的节能效果，但不能根本消除励磁电流的存在，节能效果有限，因此使用异步电动机很难达到较好的节能效果。

传统的液压动力源的油泵可以选择定量泵或变量泵，与普通异步电机或变频异步电机相连接可形成四种不同的液压动力源：

（1）“定量泵+普通异步电机”，电机转速恒定不变，油泵输出流量也基本恒定，系统流量靠溢流阀调节，多余的流量通过溢流阀流回油箱，系统能耗大，油液发热严重，系统稳定性差，油液寿命短。

（2）“定量泵+变频异步电机”， 油泵的输出流量可以通过电机的转速来调节，由于流量的可控性提高，使得系统对压力的控制也有了较高的控制精度。但在低速时，电机转矩明显下降，系统响应速度变慢，负载变化时，电机速度变化较大，抗负载扰动能力差。

（3）“变量泵+普通异步电机”，油泵转速不变，输出流量可以动态或静态调节，响应速度快。缺点是油泵结构复杂，抗污染能力差，故障率高，控制精度差，压力无法自动调节，系统在小流量时，电机和泵仍然高速运转，加速机械磨损。

（4）“变量泵+变频异步电机”， 相对于“变频异步电机＋定量泵”，由于油泵采用变量泵，可以弥补电机低速转矩小，抗负载波动能力差的不足，提高了系统控制的稳定性和响应速度。缺点是系统更为复杂，抗污染能力差，性价比不高。

综上所述，传统液压动力源固有缺陷不符合现代液压系统节能、高效、灵敏、精确等要求，因此寻找新的液压动力源一直被业内人士所关注。

发明内容

针对上述现有技术存在的以上问题，本发明的目的在于，提供一种永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，包括用于提供油压的液压油泵、驱动油泵的伺服电机、测试系统运行状态参数的传感器和控制电机运行的伺服控制器，其特征在于，所述的伺服电机为永磁电机，所述的伺服控制器包括：DSP控制器、存储单元和外围接口电路；其中，数据采集模块用于接收光电编码器、压力传感器、流量传感器和温度传感器的信息，存储单元用于存储预设要求量、控制伺服电机运行状态的各项参数和计算；外围接口电路主要用于连接数码显示管、键盘和上位计算机；DSP控制器分别连接数据采集模块、存储单元和外围接口电路，用于将数据采集模块接收到的当前系统状态参数与存储器中的要求量进行比较，再根据永磁电机的预设计算方式计算出PWM值，进而驱动永磁电机。

本发明采用了永磁电机，由于永磁电机是采用稀土永磁材料作为电机的转子磁极，从根本上不需要产生励磁电流，因此也不会产生由于励磁电流所引起的功率消耗。并且由于转子磁极基本恒定，所以永磁电机无论是在低速运转还是在高速运转时都可以输出较大的负载转矩。另外永磁电机还具有过载倍数大、响应速度快、运行平稳和体积小等优点。

所述的DSP控制器上连接有串行通信接口、键盘显示模块、智能功率模块、QEP接口、A/D通道、JTAG接口、外部存储器和电源模块。

所述传感器主要包括测试泵出口压力的压力传感器、泵输出流量的流量传感器、进行油泵转速补偿的油液温度传感器，以及测试永磁电机转子转速和位置的光电编码器。

所述液压油泵采用齿轮油泵或叶片泵或柱塞泵，具有性价比高、抗污染能力强、噪音低和运行可靠等优点。

本发明的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，采用永磁电机拖动油泵，建立了油泵出口流量和压力与电机驱动电压和电流之间的函数关系，通过监测和控制电机驱动电压和电流适时调整电机转速和转矩，同时也起到了对泵的出口流量和压力的监测和控制作用。

另外本系统还具有油液温度自动补偿功能，并且针对不同的液压回路采用不同的控制策略，解决了传统液压动力源系统所存在的效率低、自适应负载能力差、低速稳定和抗污染能力差等问题。由于使用了效率高、机械特性好、过载倍数大和调速性能好的永磁伺服电机拖动油泵，采用了压力、流量双闭环控制和电机电压、电流对系统流量、压力的冗余监测系统，并且具有油液温度自动补偿功能。本发明还针对不同的液压负载工况提供了压力自适应、流量自适应和功率自适应三种工作模式，而每种工作模式都采用不同的控制策略进行优化，因此具有应用范围广、系统效率高、低速稳定性好、响应速度快和调速精确等优点。

附图说明

图1为本发明的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源结构框图；

图2为本发明的伺服控制器模块组成框图；

图3为本发明的压力自适应模式控制图；

图4为本发明的流量自适应模式控制图；

图5为本发明的功率自适应模式控制图；；

图6为本发明的实测压力-电流关系曲线；

图7为本发明的实测流量-电压关系曲线；

以下结合附图与实施例对本发明做进一步详细描述。

具体实施方式

如图1所示，本发明的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，包括齿轮油泵、三相交流永磁同步电机、伺服控制器、流量传感器、压力传感器、油液温度传感器、光电编码器以及油箱、负载和上位计算机。其中伺服控制器是整个控制系统的核心，通过上位机可方便的对其进行参数设置和运行状态参数监测。光电编码器、三相交流永磁同步电机和伺服控制器组成闭环交流伺服系统，其中光电编码器用来测量三相交流永磁同步电机转子的转速和位置，伺服控制器通过事件管理器EVA输出PWM信号驱动三相交流永磁同步电机旋转。压力传感器和流量传感器分别测量系统油液的压力和流量，并将压力和流量信号传送给伺服控制器，伺服控制器根据压力和流量的变化量控制三相交流永磁同步电机转速，并根据油液温度信号对三相交流永磁同步电机转速进行修正。

如图2所示，伺服控制器由TI公司的DSP控制器TMS320LF2407及外围电路组成。DSP控制器上连接有串行通信接口、键盘显示模块、智能功率模块、QEP接口、A/D通道、JTAG接口、外部存储器和电源模块。图中串行通信接口用于连接上位计算机，通过计算机进行状态监测、参数设置、数据存储等。键盘显示模块提供人机信息交互，用于控制器参数设置和主要运行参数显示。智能功率模块内部包含有一个三相逆变桥的6个IGBT和6个快恢复功率二极管及相应的驱动电路和保护电路，每个IGBT功率单元均为300A/600V，开关频率可以达到20kHz。QEP接口用于连接光电编码器，检测电机转子的位置和速度。A/D通道将电机三相电流中的两相和油液压力、流量、温度转换为数字信号。在线调试与仿真接口JTAG用于控制和观察处理器的运行、测试芯片和下载程序。电源模块分为两路，一路为单相220V，整流滤波后经DC-DC变换为3.3V、5V、12V等给DSP、存储器、传感器等供电，另一路为三相380V经整流滤波后给功率模块供电，用于驱动三相交流永磁同步电机运转。

如图3所示，压力自适应模式即齿轮油泵的工作压力自动地与负载压力相适应，例如当负载增加时会引起系统压力变大，油泵的内泄增加输出流量变小，伺服控制器根据流量信号 q p 与设定值 q o 进行对比，控制三相交流永磁同步电机转速增加以适应负载压力的要求，这时压力传感器只起到监测油泵出口压力 p p 的作用，此模式适用于负载变化较大而负载速度较为稳定的场合。三相交流永磁同步电机在基频范围以内采用恒压频比控制，即三相交流永磁同步电机定子电压和三相交流永磁同步电机转速比恒定，而三相交流永磁同步电机的转速（也就是油泵的转速）与油泵的输出流量在压力一定时成线性关系，所以三相交流永磁同步电机定子电压 u i 与油泵的输出流量 q p 成线性关系。图6为本发明实测的三相交流永磁同步电机电压 u i 与齿轮油泵的输出流量 q p 在不同压力时的特性曲线，由图中可以看出其成线性关系。因此本发明采用永磁电机定子电压 u i 与流量信号 q p 组成冗余监测系统，当流量传感器出现故障时，可由电压信号参与控制，保证系统输出流量稳定。当温度 t 上升时，油液粘度降低，泵的内泄增加，输出流量减小，因此适当提高三相交流永磁同步电机转速增加输出流量。

如图4所示，流量自适应模式即泵所输出的流量自动地与负载所需的流量相适应，例如当负载流量增加时，负载压力将降低，伺服控制器将压力信号 p p 与设定值 p o 进行比较，控制三相交流永磁同步电机转速增加，此模式适用于负载速度变化较大而负载大小较为稳定的场合。三相交流永磁同步电机在额定转速以下具有恒转矩特性，转矩的大小与三相交流永磁同步电机定子电流 i i 成正比，而三相交流永磁同步电机的转矩与泵的出口压力 p p 也成正比。图7为本发明实测的三相交流永磁同步电机电流 i i 与齿轮油泵的出口压力 p p 在不同转速时的特性曲线，由图中可以看出电流 i i 和压力 p p 近似成线性关系，因此本实施例采用三相交流永磁同步电机电流 i i 与齿轮油泵的出口压力 p p 组成冗余监测系统，当压力传感器出现故障时，可由电流信号控制泵的输出压力 p p ，保证系统压力稳定。

如图5所示，功率自适应模式即泵的输出功率自动的与负载所需功率相适应，此时系统压力和流量都将发生变化，伺服控制器根据压力变化量                                                

和流量变化量

分别控制三相交流永磁同步电机的转速和转矩，这时三相交流永磁同步电机定子侧电流 i i 和电压 u i 起到辅助监测泵的输出压力 p p 和流量的作用 q p 。

Claims (5)

1.一种永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，包括用于提供油压的液压油泵、驱动油泵的伺服电机、测试系统运行状态参数的传感器以及控制电机运行的伺服控制器；其特征在于，所述的伺服电机为永磁电机，所述的伺服控制器包括：DSP控制器、存储单元和外围接口电路；其中，数据采集模块用于接收光电编码器、压力传感器、流量传感器和温度传感器的信息，存储单元用于存储预设要求量、控制伺服电机运行状态的各项参数和计算；外围接口电路主要用于连接数码显示管、键盘和上位计算机；DSP控制器分别连接数据采集模块、存储单元和外围接口电路，用于将数据采集模块接收到的当前系统状态参数与存储器中的要求量进行比较，再根据永磁电机的预设计算方式计算出PWM值，进而驱动永磁电机。

2.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，其特征在于，所述的DSP控制器上连接有串行通信接口、键盘显示模块、智能功率模块、QEP接口、A/D通道、JTAG接口、外部存储器和电源模块。

3.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，其特征在于，所述的永磁电机为三相交流永磁同步电机。

4.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，其特征在于，所述的液压油泵采用齿轮油泵或叶片泵或柱塞泵。

5.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源，其特征在于，所述的传感器主要包括测试泵出口压力的压力传感器、泵输出流量的流量传感器、进行油泵转速补偿的油液温度传感器，以及测试永磁电机转子转速和位置的光电编码器。

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