CN104819115A - 一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，包括数字信号处理系统、变频器、柱塞泵阀芯位移传感器、柱塞泵阀芯压力传感器、档位开关、异步电机、步进电机以及驱动模块，数字信号处理系统包括模糊控制器，模糊控制器与变频器相连，柱塞泵阀芯位移、压力传感器均将采集到的信号传递至模糊控制器，模糊控制器根据接收到的信号对变频器发出控制指令，变频器用于控制异步电机，驱动模块包括前馈控制器，前馈控制器驱动步进电机动作，异步电机用于正常工作状态下对变量控制装置的变量头进行驱动，步进电机用于在阀芯压力出现波动时对变量头进行驱动。本发明提高了柱塞泵对外界阶跃型突变负载的适应能力，减少了机械损耗，延长了设备的寿命。

Description

一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种双联轴向柱塞泵，尤其涉及一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统。

背景技术

双联式轴向柱塞泵主要用于多执行机构复合动作的场合，例如工业生产线，挖掘机、装载机等工程机械上常常会用到，通过合理配置两个泵的工作状态，可以实现对能量的最优化利用。如图1所示，现有的双联轴向柱塞泵包括泵体1、配油盘2、缸体3、设置在缸体3内的柱塞4、安装于柱塞4端部的滑靴5、回程盘6、泵壳7、传动轴8和变量控制装置9，缸体3安装在传动轴的端部，传动轴8的端部通过钢球固定在回程盘6的中心线上，变量控制装置9包括变量头11、止推板12、变量轴13和调节螺杆14，轴向柱塞泵上还设置有过渡机16，过渡机16的一段与法兰盘15固定连接，一端连接有直线步进电机18，直线步进电机18的主轴和锥销17固定连接，锥销17的另一端与调节螺杆14连接，直线步进电机18按照前馈控制器19的指令工作，转动调节螺杆14，使与调节螺杆14相连接的变量轴13下移或上移，从而改变变量头11的斜盘倾角，达到改变泵油量大小的目的，输入数字脉冲流量与泵输出流量成正比关系。

轴向变量柱塞泵的控制方式主要有压力切断控制、功率控制、排量控制和负载敏感控制四种，这些控制方式都是基于排量调节，只不过输入信号与反馈信号取得参数不同而已，通常经过这四种控制方式的组合，可以实现复杂的输出特性，泵的排量调节，大多通过变量活塞的位置控制系统实现，而实现对变量活塞的位置控制元件包括电液伺服阀、机液伺服阀以及近些年迅猛发展的数字阀控制系统。在众多的轴向柱塞泵的数字控制研究中，大都以简单的增量式数字控制为主，或者是将高速开关阀作为先导级应用。流体脉宽调制控制系统是一类非线性控制系统，因此，探讨液压设备在外接工作油路油压突然大幅改变时，利用智能控制算法得到符合预期的轴向柱塞泵的功率或流量特性曲线成为轴向柱塞泵数字控制方向亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统。

本发明所采用的技术方案为：

一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，包括数字信号处理系统、变频器、柱塞泵阀芯位移传感器、柱塞泵阀芯压力传感器、档位开关、异步电机、步进电机以及用于驱动步进电机的驱动模块，数字信号处理系统包括模糊控制器，模糊控制器与变频器相连，柱塞泵阀芯位移、压力传感器均将采集到的信号传递至模糊控制器，模糊控制器根据接收到的信号对变频器发出控制指令，变频器用于控制异步电机，驱动模块包括前馈控制器，前馈控制器接收柱塞泵阀芯位移传感器和柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号并根据该传感信号驱动步进电机动作，异步电机用于正常工作状态下对变量控制装置的变量头进行驱动，步进电机用于在阀芯压力出现波动时对变量控制装置的变量头进行驱动。

所述双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统有两种工作模式，分别为恒流量工作模式和恒功率工作模式；在恒流量工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定流量Q_th，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

算出实际流量值Q_P，其中，K_f是泵的排量梯度，K_f＝0.6m²·min/r,n为电机的公称转速，w_h为液压系统的固有频率，为液压系统阻尼比，K_q为流量增益，s是传递函数中复变量的数学表示方法，A_h是柱塞泵活塞杆侧面的受压面积，根据计算得出的实际流量值Q_P，计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，其中，误差E是指在相邻的两个采样时刻，实际流量值Q_P的变化量，误差变化率EC是指在相邻的两个采样时刻误差E的变化量，也就是实际流量值Q_P对时间的二次微分，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，改变异步电机转速从而改变柱塞泵流量，直至实际流量达到柱塞泵所需的理论流量值，在恒流量工作模式下，步进电机及前馈控制器均不工作；在恒功率工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定功率N，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号P和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

算出实际流量值Q_P，通过公式Q_th＝N/P计算出理论流量Q_th，再计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，异步电机带动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量，直到实际流量达到柱塞泵所需的理论值。

在所述恒功率工作模式下，当柱塞泵阀芯压力传感器检测到阀芯压力出现波动时，前馈控制器接收柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号，并驱动步进电机动作，步进电机驱动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

本发明通过数字信号处理系统对液压伺服机构进行闭环控制，控制柱塞泵的输出流量，由于在恒功率条件下存在强烈的阶跃型负载压力扰动，需将其作为主要扰动克服，为了增大变量范围，加快动态响应，提高工作效率，本发明中的控制系统采用了一种基于异步电机变频调速反馈控制与基于步进电机前馈控制的复合控制方式，前馈通道中步进电机通过滚珠丝杠直接控制差动缸从而控制阀芯位移量，改变斜盘倾角，反馈系统采用异步电机转差频率控制改变给油量。本发明中的控制系统实时检测工作油压和阀芯位移，通过改变轴向柱塞泵的斜盘角度和异步电机的转速来改变工作油路的油量，提高了设备对外界阶跃型突变负载的适应能力，减少了机械损耗，延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1为现有的双联轴向柱塞泵的结构示意图。

图2为本发明的控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图2所示，一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，包括数字信号处理系统、变频器、柱塞泵阀芯位移传感器、柱塞泵阀芯压力传感器、档位开关、异步电机、步进电机以及用于驱动步进电机的驱动模块，数字信号处理系统包括模糊控制器，模糊控制器与变频器相连，柱塞泵阀芯位移、压力传感器均将采集到的信号传递至模糊控制器，模糊控制器根据接收到的信号对变频器发出控制指令，变频器用于控制异步电机，驱动模块包括前馈控制器，前馈控制器接收柱塞泵阀芯位移传感器和柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号并根据该传感信号驱动步进电机动作，异步电机用于正常工作状态下对变量控制装置的变量头进行驱动，步进电机用于在阀芯压力出现波动时对变量控制装置的变量头进行驱动，该数字控制系统采用了一种基于异步电机变频调速反馈控制与基于步进电机前馈控制的复合控制方式，前馈通道采用步进电机驱动斜盘倾角变化，反馈系统采用异步电机转差频率控制给油量，提高了柱塞泵对外界阶跃型突变负载的适应能力。

所述双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统有两种工作模式，一种是恒流量工作模式，另一种是恒功率工作模式；在恒流量工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定流量Q_th，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

算出实际流量值Q_P，其中，K_f是泵的排量梯度，K_f＝0.6m²·min/r,n为电机的公称转速，w_h为液压系统的固有频率，为液压系统阻尼比，K_q为流量增益，s是传递函数中复变量的数学表示方法，A_h是柱塞泵活塞杆侧面的受压面积，根据计算得出的实际流量值Q_P，计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，改变异步电机转速从而改变柱塞泵流量，直至实际流量达到柱塞泵所需的理论流量值，在恒流量工作模式下，步进电机及前馈控制器均不工作；在恒功率工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定功率N，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号P和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

算出实际流量值Q_P，通过公式Q_th＝N/P计算出理论流量Q_th，再计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，其中，误差E是指在相邻的两个采样时刻，实际流量值Q_P的变化量，误差变化率EC是指在相邻的两个采样时刻误差E的变化量，也就是实际流量值Q_P对时间的二次微分，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，异步电机带动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量，直到实际流量达到柱塞泵所需的理论值；在所述恒功率工作模式下，当柱塞泵阀芯压力传感器检测到阀芯压力出现波动时，前馈控制器接收柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号，并驱动步进电机动作，步进电机驱动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，其特征在于：包括数字信号处理系统、变频器、柱塞泵阀芯位移传感器、柱塞泵阀芯压力传感器、档位开关、异步电机、步进电机以及用于驱动步进电机的驱动模块，数字信号处理系统包括模糊控制器，模糊控制器与变频器相连，柱塞泵阀芯位移、压力传感器均将采集到的信号传递至模糊控制器，模糊控制器根据接收到的信号对变频器发出控制指令，变频器用于控制异步电机，驱动模块包括前馈控制器，前馈控制器接收柱塞泵阀芯位移传感器和柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号并根据该传感信号驱动步进电机动作，异步电机用于正常工作状态下对变量控制装置的变量头进行驱动，步进电机用于在阀芯压力出现波动时对变量控制装置的变量头进行驱动。

2.根据权利要求1所述的一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，其特征在于：所述双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统有两种工作模式，分别为恒流量工作模式和恒功率工作模式；在恒流量工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定流量Q_th，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

$\frac{Q_p\left(s\right)}{X_v\left(s\right)}=K_{f}n\frac{\frac{K_q}{A_h}}{\frac{s^3}{{\mathrm{\ω}}_h^2}+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}{s}^2+s}$

算出实际流量值Q_P，其中，K_f是泵的排量梯度，K_f＝0.6m²·min/r,n为电机的公称转速，w_h为液压系统的固有频率，ζ_h为液压系统阻尼比，K_q为流量增益，s是传递函数中复变量的数学表示方法，A_h是柱塞泵活塞杆侧面的受压面积，根据计算得出的实际流量值Q_P，计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，其中，误差E是指在相邻的两个采样时刻，实际流量值Q_P的变化量，误差变化率EC是指在相邻的两个采样时刻误差E的变化量，也就是实际流量值Q_P对时间的二次微分，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，改变异步电机转速从而改变柱塞泵流量，直至实际流量达到柱塞泵所需的理论流量值，在恒流量工作模式下，步进电机及前馈控制器均不工作；在恒功率工作模式下，数字控制系统上电，由档位开关给定功率N，模糊控制器采集柱塞泵阀芯压力反馈信号P和阀芯位移X_V，通过阀芯位移-流量输出传递函数：

$\frac{Q_p\left(s\right)}{X_v\left(s\right)}=K_{f}n\frac{\frac{K_q}{A_h}}{\frac{s^3}{{\mathrm{\ω}}_h^2}+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}{s}^2+s}$

算出实际流量值Q_P，通过公式Q_th＝N/P计算出理论流量Q_th，再计算出Q_th和Q_P之间的误差E和误差变化率EC，将计算得出的误差E和误差变化率EC输入模糊控制器，模糊控制器通过自适应模糊PID算法，输出异步电机变频驱动信号至变频器，并由变频器控制异步电机转动，异步电机带动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量，直到实际流量达到柱塞泵所需的理论值。

3.根据权利要求2所述的一种双联轴向变量柱塞泵的数字控制系统，其特征在于：在所述恒功率工作模式下，当柱塞泵阀芯压力传感器检测到阀芯压力出现波动时，前馈控制器接收柱塞泵阀芯压力传感器的传感信号，并驱动步进电机动作，步进电机驱动柱塞泵的调节螺杆转动，使与调节螺杆相连接的变量轴下移或上移，从而改变变量头的斜盘倾角，进而改变泵油量。