CN102628437A

CN102628437A - 永磁伺服电机驱动定量泵流量、压力间接测量系统

Info

Publication number: CN102628437A
Application number: CN2012101240319A
Authority: CN
Inventors: 谷立臣; 贾永峰
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: HUBEI SPACE LONG MARCH EQUIPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: CN102628437B

Abstract

本发明公开了一种永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，系统包括：永磁伺服电机、伺服驱动器、定量油泵、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、油液温度传感器、数据采集控制卡和上位计算机。本发明建立了以伺服电机定子侧电压、电流和油液温度为输入，以定量泵流量、压力信号为输出的测量模型，实现了以较易测量的电压、电流和温度信号对较难测量的压力和流量信号的间接测量，同时该系统也继承了电压、电流和温度在测量中的稳定性、准确性和可靠性。此外本发明还具有动态响应速度快、不受使用环境限制等优点。

Description

永磁伺服电机驱动定量泵流量、压力间接测量系统

技术领域

本发明属于制造领域，具体涉及一种伺服驱动液压源输出流量、压力的间接测量系统，可用于液压系统的流量、压力控制。

背景技术

电液控制系统由于其响应速度快、控制精度高、调速方便、功率体积比大等优良特性被广泛的应用。而压力和流量是液压系统两个非常重要的参数，在实际的电液控制中，有的需要对执行机构的速度进行控制，也就是控制流入执行机构中液体的流量；有的需要对负载压力进行控制；还有的需要对系统功率进行控制，无论是哪种控制都需要对压力和流量进行测量。

流量测量通常采用流量计，流量计的种类很多，按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理等。液压系统中常用涡轮流量计，涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速，从而推导出流量或总量的仪表，其主要优点有：精度高、重复性好、测量范围宽、结构紧凑、抗干扰能力强等。

对于流量间接测量通常采用测量某一固定阻尼孔两端的压差，再根据流量系数、阻尼孔截面面积、油液密度等参数估算出实际流量。此方法最大缺点是阻尼孔消耗部分液压能量，流量越大压差也越大，消耗的能量也越多。另外对于变转速驱动定量泵可通过泵的排量和转速的乘积计算出输出流量，但由于其受到泵的泄漏量、液体体积压缩量、温度等的影响，误差太大，只能做近似参考，并且转速的实时在线测量也不容易。

压力通常用传感器直接测量，压力传感器种类很多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器等。压力也可采用间接测量，如通过检测液压管道外径的变形量即可求出管道内部的压力，其缺点是在液压系统工作压力范围内管道外径变形量十分微小，因而检测比较困难，同时环境温度、油液温度对管道变形也有影响。此外，超声波管外测压系统在压力测量中也有应用，但是其受到管壁、温度、延迟误差等的影响，应用受到限制。

传统液压系统中无论是压力的测量还是流量的测量都存在一定缺陷，主要表现在以下方面：

1)安装不方便。压力测量要预留压力传感器安装接口。流量测量需要将流量计嵌入到液压管路之中，并且有严格的安装要求，如涡轮流量计需要安装过滤器将流体中的颗粒、铁磁性物质等杂质过滤掉，保证流量计零件特别是轴和轴承不被损坏；当流量计前直管长度小于20倍公称直径时还需要安装整直器，以消除偏流、涡流等影响。此外压力传感器和流量计还存在安装密封问题，流量计还存在最大使用压力问题。

2)响应速度慢。如涡轮流量计中涡轮输出的脉冲信号频率很高，最高可达3kHz～4kHz，由前放大器输出的脉冲信号，其幅值、波形都不规则，在进入显示仪表后，先需经整形电路变成规则的具有一定幅值的矩形电脉冲信号，再经过频率/电流转换电路，将频率信号变为相应的电流信号(4～20mA)，最终转换成瞬时流量值，在转换过程中往往还需做均值处理，因此实际输出响应变慢。对于小流量涡轮流量计，由于流量小，涡轮叶片数量少，输出信号频率低，其响应速度更慢。

3)使用环境受到限制。流量和压力测量最终都要将流量信号和压力信号转换成电信号，在防爆环境中不能使用这些带电的测量器件，如果选用防爆产品会大幅增加成本，另外独立的压力、流量测量装置会增加使用成本。

综上所述，液压系统中使用压力传感器和流量计的测量方法存在固有缺陷，因此有必要找出更为简单、易行、可靠的压力流量测量系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，包括：永磁伺服电机、伺服驱动器、定量油泵、油箱、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、油液温度传感器、数据采集控制卡、上位计算机，其特征在于，它们的连接关系为：伺服驱动器通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器与永磁伺服电机相连，永磁伺服电机与定量油泵相连接，定量油泵连接油箱和负载，油箱与油液温度传感器相连接，数据采集控制卡分别连接霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、伺服驱动器、油液温度传感器和上位计算机。

其中，永磁伺服电机的定子电压与电机转速近似成线性关系，永磁伺服电机的定子侧电流与电机输出转矩近似成线性关系；定量油泵的输出流量主要由泵的转速决定，同时受到系统压力和油液粘度的影响；定量油泵的输出压力与泵的输入转矩有关，同时受到其转速的影响。

采用该系统对定量泵输出压力和流量间接测量，建立了定量泵出口流量和压力与电机驱动电压和电流之间的测量模型，通过监测电机电压和电流间接估算出定量泵的输出流量和压力。该系统还具有油液温度自动补偿功能，从而消除了油液粘度对流量间接测量的影响，此外该测量系统还具有抗污染能力强、响应速度快、易于与伺服控制器进行一体化设计、不受使用环境限制等优点。

附图说明

图1为本发明的永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统组成框图；

图2为本发明的实测流量-电压关系曲线；

图3为本发明的实测压力-电流关系曲线；

图4为本发明定量泵输出压力间接测量模型；

图5为本发明定量泵输出流量间接测量模型；

图6为不同转速下压力直接测量与间接测量的对比曲线；

图7为不同压力下流量直接测量与间接测量的对比曲线；

图8为流量直接测量与间接测量闭环控制的阶跃响应曲线；

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，本实施例给出一种永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，包括：永磁伺服电机、伺服驱动器、定量油泵、油箱、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、油液温度传感器、数据采集控制卡、上位计算机，它们的连接关系为：伺服驱动器通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器与永磁伺服电机相连，永磁伺服电机与定量油泵相连接，定量油泵连接油箱和负载，油箱与油液温度传感器相连接，数据采集控制卡分别连接霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、伺服驱动器、油液温度传感器和上位计算机。

永磁伺服电机，在其额定转速范围内采用恒压频比控制，而频率决定了电机转速，因此电机转速是其定子侧电压的函数，也就是说可以通过检测电机定子侧电压计算出电机转速，这为电机转速测量提供了方便。另外电机负载增加，定子绕组电流增大，定子绕组输入电压也略有升高，因此为了提高其转速测量精度还必须进行定子绕组电流补偿。对于伺服驱动器与压力、流量间接测量装置一体化设计的系统，可直接利用永磁伺服电机光电码盘(或旋转变压器)所测得的电机转速，省去转速间接测量装置。电机的输出转矩主要由定子电流决定，同时受到阻力转矩和惯性转矩的影响，而阻力转矩是转速的函数，惯性转矩是转速导数的函数，转速可由电压间接测得，因此电机的输出转矩是其定子侧电流和电压的函数。

定量泵的输出流量主要由电机转速和泵的排量决定，同时受到油液粘度、油液温度和系统压力的影响，而油液粘度受温度和压力的影响，如果泵的排量为定值，则泵的输出流量是转速、压力、温度的函数。泵的输入转矩与泵的输出压力有关，同时泵的阻尼转矩和惯性转矩也会对泵的输出压力产生影响，而惯性转矩与转速的导数有关，阻尼转矩与转速有关，因此泵的输出压力是其输入转矩和转速的函数。

传感器主要有测量电机定子侧电压的霍尔电压传感器，测量电机定子侧电流的霍尔电流传感器，进行液压油粘度补偿的油液温度传感器。

数据采集控制卡主要用来采集霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、油液温度传感器的信号，将采集到的信号传送到上位计算机，由上位计算机发出的电机控制信息传送到伺服驱动器。

上位计算机主要进行数据的计算、存储、显示，以及对电机进行控制等。

图2为采用本发明的系统得到的实测流量-电压关系曲线，从图中可以看出泵的输出流量与电机定子侧电压成线性关系，但随着负载的增加(也就是电机电流增加)，电机电压升高，因此通过电机电压间接测量泵的输出流量应进行适当的电流(压力)补偿。

图3为本采用发明的系统得到的实测压力-电流关系曲线，从图中可以看出泵的输出压力与电机定子侧电流成线性关系，但随着转速的增加(也就是电机电压增加)，电机电流升高，因此通过电机电流间接测量泵的输出压力应进行适当的电压(转速)补偿。

具体步骤如下：

1)定量泵的模型(以齿轮泵为例)

齿轮泵流量方程为：

Q_{p} = \frac{ω}{2 π} D_{p} - P_{p} C_{p} - P_{p} (\frac{ω}{2 π} D_{p}) \frac{1}{β_{e}} - - - (1)

式中：

Q_p：泵实际输出流量；

泵的理论流量；

P_pC_p：泵的泄漏量；

油液体积压缩量；

ω：泵(电机)的转速；

D_p：泵的排量；

P_p：泵的出口压力；

C_p：泄漏系数；

β_e：油液弹性模量；

泵驱动轴上的转矩平衡方程为：

T_{L} = J_{p} \frac{dω}{dt} + B_{p} ω + \frac{D_{p}}{2 π} P_{p} - - - (2)

其中：

T_L：泵的输入转矩(电机的负载转矩)；

泵的惯性转矩；

B_pω：泵的阻尼转矩；

油液压力产生的转矩；

J_p：泵的转动惯量；

B_p：泵阻尼系数；

2)永磁伺服电机的模型

电机驱动轴上的转矩平衡方程：

J_{m} \frac{dω}{dt} + B_{m} ω + T_{L} = T_{e} - - - (3)

式中：

电机惯性转矩；

B_mω：电机阻力转矩；

T_L：电机负载转矩(泵的输入转矩)；

T_e：电机电磁转矩；

J_m：电机转动惯量；

B_m：电机阻尼系数；

电磁转矩T_e可表示为：

T_{e} = \frac{3 p}{2} K_{e} i - - - (4)

式中：

p：极对数；

i：电机定子侧电流；

K_e：电机反电势系数；

电机转速ω与定子侧电压u的关系为：

ω＝ku+b (5)

k：电压转速转换系数；

b：转速补偿系数；

3)泵的压力间接测量模型

将(2)、(4)、(5)式代入(3)式整理得：

P_{p} = \frac{2 π}{D_{p}} [\frac{3 p}{2} K_{e} i - (B_{p} + B_{m}) (ku + b) - (J_{p} + J_{m}) k \frac{du}{dt}] - - - (6)

由(6)式可以看出，泵的输出压力P_p主要与电机定子侧电压u和电流i两个变量有关，因此可以建立以电压u和电流i为输入，以P_p为输出的压力测量模型，如图4所示。

4)油液温度补偿

温度的变化会影响液压油的粘度，使泵的泄漏量发生变化，进而影响到泵的输出流量，因此必须进行温度补偿，也就是修正泵的泄漏系数C_p。

C_{p}^{'} = C_{p} / μ_{t_{0}} e^{- λ (t - t_{0})} - - - (7)

式中：

C_p：修正后的泄漏系数；

温度为t₀时的油液动力粘度；

λ：液压油的粘温系数；

t：油液温度；

5)泵的流量间接测量模型

将(5)式代入(1)式，并且用修正后的泄漏系数C′_p替代(1)式中的泄漏系数C_p得：

Q_{p} = \frac{ku + b}{2 π} D_{p} - P_{p} C_{p} / μ_{t_{0}} e^{- λ ({t - t}_{0})} - P_{p} (\frac{ku + b}{2 π} D_{p}) + \frac{1}{β_{e}} - - - (8)

由(8)式可以看出，泵的输出流量Q_p主要与电机定子侧电压u、泵的输出压力P_p和油液温度t三个变量有关，而压力P_p已由(6)式求出，因此可以建立以电压u、压力P_p和油液温度t为输入，以Q_p为输出的流量测量模型，如图5所示。

为了检验上述模型的流量、压力间接测量结果，特此选用涡轮流量计和压力传感器分别直接测量泵的输出流量和压力，并与间接测量结果相对比。

图6为泵的转速分别为600r/min、1200r/min和1800r/min时压力传感器直接测量的泵的出口压力和压力测量模型间接测量的压力曲线。由图中可以看出，在不同的转速下，间接测量模型所测压力都能够很好的跟随实际压力的变化。

图7为系统分别在2MPa、4MPa和6MPa时流量计直接测量泵的实际输出流量和流量测量模型间接测得的流量曲线。由图中可以看出，在不同的系统压力下，间接测量模型所测流量都能够很好的跟随实际流量的变化。

图8为直接流量测量(a图)和间接流量测量(b图)与永磁伺服电机所组成的流量闭环控制系统的阶跃响应曲线，其横轴为时间(t/s)，纵轴为流量(Q/(m³·h^-1))。由图可以看出当流量从0.2m³/h阶跃到0.3m³/h时，间接测量的响应速度远快于直接测量，这主要是因为间接测量是基于伺服电机转速的测量系统，而直接测量是基于泵实际输出流量的测量系统，电机转速的变化先于泵输出流量的变化；其次涡轮流量计含有机械测量部分，因此响应速度较慢，而转速直接测量的是伺服电机电压信号，电信号与机械信号在响应速度方面有数量级的差别；另外由于间接流量信号响应快，在闭环控制系统中能够通过参数设置进一步加快其响应速度，而直接流量信号响应慢，过快的响应参数会使系统产生振荡，因此只能选择合理的参数降低其响应速度，保证其稳定性。

Claims

1.一种永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，其特征在于，包括：永磁伺服电机、伺服驱动器、定量油泵、油箱、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、油液温度传感器、数据采集控制卡、上位计算机；它们的连接关系为：伺服驱动器通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器与永磁伺服电机相连，永磁伺服电机与定量油泵相连接，定量油泵连接油箱和负载，油箱与油液温度传感器相连接，数据采集控制卡分别连接霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、伺服驱动器、油液温度传感器和上位计算机。

2.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，其特征在于，所述的永磁伺服电机的定子电压与电机转速近似成线性关系，所述的永磁伺服电机的定子侧电流与电机输出转矩近似成线性关系；所述定量油泵的输出压力主要由泵的输入转矩和转速决定，即由电机定子侧电压和电流决定，具体表示为：

P_{p} = \frac{2 π}{D_{p}} [\frac{3 p}{2} K_{e} i - (B_{p} + B_{m}) (ku + b) - (J_{p} + J_{m}) k \frac{du}{dt}]

其中：P_p为泵的输出压力；u、i为电机定子侧电压、电流；D_p为泵的排量；p为电机的极对数；K_e为电机反电势系数；B_p、B_m为泵、电机阻尼系数；J_p、J_m为泵、电机转动惯量；k为电压转速转换系数；b为转速补偿系数。

3.如权利要求1所述的永磁伺服电机驱动定量泵流量-压力间接测量系统，其特征在于，所述定量油泵的输出流量主要由泵的转速和输出压力决定，同时受到油液温度的影响，具体表示为：

Q_{p} = \frac{ku + b}{2 π} D_{p} - P_{p} C_{p} / μ_{t_{0}} e^{- λ ({t - t}_{0})} - P_{p} (\frac{ku + b}{2 π} D_{p}) + \frac{1}{β_{e}}

其中：Q_p为泵的输出流量；t为油液温度，C_p为泵的泄漏系数，

为t₀温度时油液的动力粘度，λ为液压油的粘温系数，β_e为油液弹性模量。