CN105151266A - 一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置及控制方法，包括泵控液压回路和阀控液压回路，泵控液压回路是由变频液压泵、单向阀和双向溢流阀构成的液压回路，变频液压泵连接有变频电机；阀控液压回路是由电液换向阀、低压溢流阀、负荷阀、溢流阀和辅助油泵构成的液压回路，辅助油泵还连接有辅助电机和油箱；泵控液压回路和阀控液压回路并联连接，泵控液压回路和阀控液压回路并联连接后通过手动隔离阀连接有拨叉式转舵机构组。其控制方法是通过监测舵叶的角度值选择使用变频电机单独工作或与电磁阀共同工作。本发明通过将阀控和泵控技术相结合，操舵速度快，且实现方便，能耗低，使用寿命长，具有较强的实用性，具有广阔的市场前景。

Description

一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置及控制方法

技术领域

本发明属于船舶控制技术领域，具体涉及一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置及控制方法。

背景技术

目前船舶舵机系统主要为液压系统，液压系统以其功率密度大、操纵能力强、工作可靠性好在船舶领域中受到了广泛的好评。在船舶航行过程中，为了保证船舶安全,船舶舵机始终处于运行状态,以应对船舶操纵的要求。

但在航程的大部分时间里,舵机都是处于空载运行的状态,虽然此时液压系统处于卸载状态,但电机、泵等却仍高速运转,存在一定的功率消耗，且设备磨损加快，使用寿命降低，系统总体效率不高。变频液压泵调速从源头上解决功率匹配问题，通过调节系统运行的参数控制电机转速，避免了电机和液压泵的高速连续运转，能够有效地降低系统噪声和机件磨损，提高系统使用寿命和可靠性，减少液压系统能量损失。与阀控系统相比，变频液压泵控系统存在动态响应慢，不能适应船舶舵机快速操纵的要求，特别是在港内机动航行时矛盾更为突出。

综合目前船舶舵机为液压系统，根据调速原理不同主要有泵控液压舵机和阀控液压舵机两种形式。

1.泵控液压舵机的缺点：

(1)即使无转舵操作，只要船舶航行舵机必须运转，效率低，能耗高；

(2)由于电机和泵长期处于高速运转状态，噪声大，磨损大，寿命较短；

(3)为了达到较精确调速目的，伺服机构复杂；

2.阀控液压舵机的缺点：

(1)冲击大；

(2)效率低。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种减少船舶航行中的操舵能量损失，提高操舵响应时间，延长舵机寿命的基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置及控制方法。

技术方案：本发明所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，包括泵控液压回路和阀控液压回路，所述泵控液压回路是由变频液压泵、单向阀和双向溢流阀构成的液压回路，所述变频液压泵连接有变频电机；所述阀控液压回路是由电液换向阀、低压溢流阀、负荷阀、溢流阀和辅助油泵构成的液压回路，所述辅助油泵还连接有辅助电机和油箱；所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接，所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接后通过手动隔离阀连接有拨叉式转舵机构组，所述拨叉式转舵机构组连接有舵叶，所述舵叶通过舵角反馈装置与初始输入舵角端连接。

进一步的，还包括控制器，所述控制器分别与所述变频电机以及各电磁阀相互通讯连接。

进一步的，所述变频电机连接有变频器，所述变频器采用矢量变频方式实现对变频电机的调速。

进一步的，所述油箱内还设有浮球液位计和温度控制器。

进一步的，所述泵控液压回路还连接有高置油柜，高置油柜内还设有浮球液位计。

进一步的，所述拨叉式转舵机构组上还设有压力表。

进一步的，还包括储能器。

本发明还公开了一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)当接受到舵机指令信号时，在控制器的作用下，变频电机以及各电磁阀同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，舵叶往需要的方向运动；

(2)通过舵角反馈装置实时监测舵叶角度值，并传输至初始输入舵角端于初始舵机指令进行比较；

(2)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值小于设定偏差值时，电磁阀停止工作，变频液压泵继续向舵机液压缸输入液体流量，直至舵叶的转角达到指令信号的要求时，变频液压泵停止工作；

(3)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值达到或大于设定偏差值时，电磁阀和变频液压泵同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，以减小偏差值。

有益效果：本发明采用的泵阀联控变频液压舵机系统的开发较好地解决了节能和快响应之间的矛盾，这对于提高和改善当前船舶舵机工作性能具有重要的理论研究和实际应用价值，也能够进一步推动现代船舶高效经济安全航行。且本发明还具有如下有益效果：

(1)变频舵机仅在操舵时工作，效率提高，能耗大幅度降低(至少减低50％)；

(2)采用变频电机，噪声小，磨损降低，寿命延长一倍；

(3)采用变频泵控和阀控结合，操舵响应提高，操舵速度至少提高30％；

(4)通过参数匹配可广泛应用于各类航区船舶；

(7)该技术填补了国内变频舵机技术的空白；

该技术实现方便，能耗低，使用寿命长，具有较强的实用性，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明的整体控制结构框图；

图2为本发明的泵阀联控液压舵机装置液压原理图；

图3为本发明的泵阀联控变频液压舵机系统的传递函数方框图；

图4为本发明的泵阀联控、阀控和泵控变频液压舵机系统舵机转角输出曲线图；

图5为本发明的泵阀不同流量占比的舵角响应曲线图。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，包括泵控液压回路和阀控液压回路，所述泵控液压回路是由变频液压泵15、单向阀5和双向溢流阀8构成的液压回路，所述变频液压泵15连接有变频电机2；所述阀控液压回路是由电液换向阀7、低压溢流阀12、负荷阀6、溢流阀14和辅助油泵3构成的液压回路，所述辅助油泵3还连接有辅助电机3和油箱11；所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接，所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接后通过手动隔离阀10连接有拨叉式转舵机构组9，所述拨叉式转舵机构组9连接有舵叶，所述舵叶通过舵角反馈装置与初始输入舵角端连接。

作为上述技术方案的进一步优化，所述油箱11内还设有浮球液位计1和温度控制器16，便于对油箱11进行液位监测和温度监测。所述泵控液压回路还连接有高置油柜17，高置油柜17内还设有浮球液位计1。所述拨叉式转舵机构组9上还设有压力表13。

本装置还包括控制器，所述控制器分别与所述变频电机2以及各电磁阀相互通讯连接。所述变频电机2连接有变频器，所述变频器采用矢量变频方式实现对变频电机2的调速，以达到与直流电机一样的输出特性。

矢量变频控制的电机运行特性与直流电机相似，由电流负反馈和转速负反馈两个回路构成，动态过程近似一阶环节即K_p和T_p为电机调速回路放大系数和时间常数。

变频液压泵空载流量： $Q_{po}=\frac{D_p{K}_p{u}_p}{T_{p}s+1}---\left(1\right)$

式中，D_p为每转排量,u_p为输入电压。因此，变量泵的实际流量为Q_p＝Q_p0-C_tpP_h(2)

式中，C_tp为泵的泄漏系数，P_h为系统高压侧压力。

伺服阀的动态过程为 $\frac{K_q}{\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_{sv}^2}+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_{sv}}{{\mathrm{\ω}}_{sv}}s+1}---\left(3\right)$

式中，K_q、ω_sv、ξ_sv为伺服阀的流量系数、固有频率、阻尼比。

伺服阀线性化流量方程:Q_v＝K_vu_v-K_cP_f(4)

式中Q_v、K_c、P_f、u_v、C_sv为伺服阀实际输出流量、流量压力系数、泵的输出压力、阀输入电压、阀常数。

伺服阀的空载流量： $Q_{v0}=\frac{u_v{K}_q}{\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_{sv}^2}+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_{sv}}{{\mathrm{\ω}}_{sv}}s+1}---\left(5\right)$

泵阀联控系统流量连续性方程：

$Q_p+Q_v=A\frac{dy}{dt}+C_t{P}_f+\frac{V_0}{{\mathrm{\β}}_e}\frac{{\mathrm{dP}}_f}{dt}---\left(6\right)$

式中，C_t＝C_tp+C_m+K_c，A为液压缸柱塞的作用面积，C_t为总泄漏系，C_m为液压缸泄漏系数，V₀为伺服阀至液压缸的容腔总容积，β_e为液压流体的弹性模量。

液压缸负载力平衡方程：

${\mathrm{AP}}_f=m\frac{d^{2}y}{d^{2}t}+B_m\frac{dy}{dt}+Ky+F_l---\left(7\right)$

式中，m为等效负载质量，B_m为等效阻尼系数，K为等效负载弹簧刚度，K值为0(在液压缸内无需弹簧复位)，y为液压缸的位移，F_l为外干扰力。

液压缸与舵叶转角之间的关系：

θ＝K_yθy(8)

式中，θ为舵叶转角位移，K_yθ为位移转换系数。

联立式(2)(4)(6)(7)，得泵控机构的传递函数式：

$Y\left(s\right)=\frac{K_{pv}(Q_p+Q_v)-F_l\left(s\right)K_l(\frac{V_o}{{\mathrm{\β}}_e{C}_t}s+1)}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_p^2}+2\frac{{\mathrm{\ξ}}_p}{{\mathrm{\ω}}_p}s+1)}---\left(9\right)$

式中， $K_{pv}=\frac{A}{A^2+B_m{C}_t},K_l=\frac{C_t}{A^2+B_m{C}_t},{\mathrm{\ξ}}_p=\frac{1}{2}(\sqrt{\frac{V_0{B}_m^2}{2(B_m{C}_t+A^2){\mathrm{m\β}}_e}}+\sqrt{\frac{C_t^2{\mathrm{\β}}_{e}m}{(B_m{C}_t+A^2)V_0}}),$

联合上述三个子模型得到泵阀联控变频液压舵机系统的传递函数方框图，如图3所示。

用AMESIM平台的信号控制库对泵阀联控变频液压舵机系统进行建模与仿真，系统仿真参数见表1，舵机转角的输出曲线如图4所示，图中列出了阀控10％流量、泵控90％流量和泵阀联控状态下，变频液压舵机系统舵机转角的输出曲线，通过比较发现，舵机系统的动态响应有了显著的提升。

表1泵阀联控变频液压舵机系统仿真参数

参数	数值	单位	参数	数值	单位
						Kq	8.6×10-6	m3(sv)	βe	7×108	N/m2
Dp	116	ml/r	Ct	9.2×10-11	(m3/s)/Pa
						Kp	5.75×10-1	sv/r	Bm	0.5	N/(m/s)
Tp	0.315	s	A	4.2×10-2	m2
						Vo	0.008	m3	m	1000	kg
Kyθ	1.3	m/°	Kc	4.5	°/v
						ωsv	320	Rad/s	ξsv	0.7

在本发明的泵阀联控变频液压舵机系统中，随着阀控系统流量增加，舵机的响应速度会相应提高。如图5，阀控系统供给流量分别是60％、40％、20％的舵机转角的输出曲线，但舵机系统的整体效率会下降。在船舶频繁操舵的场合，应考虑阀控系统流量占比大一些，否则在满足操舵的基本要求下，还应保证系统的高效率。

本泵阀联控变频液压舵机系统在泵阀同时参与控制时仍是定值稳定调节系统，因为双重回路的存在，增加了系统的开环零点，而零点的位置可通过改变伺服阀的参数进行调整。还可在系统中安装储能器，相当于增加一个积分环节，即可防海浪冲击舵叶形成的压力波动，也能提高系统的稳定性。合理整定PID控制器的参数值，可以改善舵机系统的动态品质，如增大K值，能提高系统的响应速度。通过调整阀控系统供油压力，使其为高压侧压力的2倍，也能实现响应快的效果,但要注意对系统稳定性的不利影响。

本发明还公开了一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)当接受到舵机指令信号时，在控制器的作用下，变频电机以及各电磁阀同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，舵叶往需要的方向运动；

(2)通过舵角反馈装置实时监测舵叶角度值，并传输至初始输入舵角端于初始舵机指令进行比较；

(2)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值小于设定偏差值时，电磁阀停止工作，变频液压泵继续向舵机液压缸输入液体流量，直至舵叶的转角达到指令信号的要求时，变频液压泵停止工作；

(3)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值达到或大于设定偏差值时，电磁阀和变频液压泵同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，以减小偏差值。

上述针对本装置的控制方法，使得本装置具有两种工作模式：正常模式和节能模式。

正常模式：舵角偏差高于设定角度时，变频泵控和阀控同时工作；舵角偏差不高于设定角度时，仅变频泵控工作。适用于船舶机动航行。节能模式：仅变频泵控工作，适用于正常航行。

在正常模式下变频泵和伺服阀同时参与控制时，伺服阀输出的流量是对动态响应较慢的变频泵液压系统的有效补偿，系统的快速性好、效率较高，此种模式适合于船舶机动操纵时以满足频繁操纵舵机的需求；在节能模式下变频泵单独参与控制时，系统效率最高，但动态响应较快，此种模式适合于船舶海上定速航行时操舵需求少的工况，此时可将溢流阀卸荷，使阀控系统处于不作功状态。此外船用舵机,通常设置两套相互独立的供给系统，在任一泵阀联控变频液压供油系统发生故障时，另一系统会自动立即投入运行，以确保舵机在航行中始终处于正常工作状态。

正常模式下，泵阀联控变频液压舵机系统中的阀控系统还起到补油冷却的作用，阀控回油路上单向阀可以使回油管路保持一定的低压，以确保变频液压泵获得良好的吸入性能。节能模式下，在泵阀联控变频液压舵机系统中阀控辅助泵同轴再安装一台低压泵，或在变频液压泵吸入性能好和系统散热要求不高的情况下采用高置油柜，通过液控止回阀向系统补油。

泵阀联控变频液压舵机系统的开发较好地解决了节能和快响应之间的矛盾，这对于提高和改善当前船舶舵机工作性能具有重要的理论研究和实际应用价值，也能够进一步推动现代船舶高效经济安全航行。

且本发明还具有如下有益效果：

(1)变频舵机仅在操舵时工作，效率提高，能耗大幅度降低(至少减低50％)；

(2)采用变频电机，噪声小，磨损降低，寿命延长一倍；

(3)采用变频泵控和阀控结合，操舵响应提高，操舵速度至少提高30％；

(4)通过参数匹配可广泛应用于各类航区船舶；

(7)该技术填补了国内变频舵机技术的空白；

该技术实现方便，能耗低，使用寿命长，具有较强的实用性，具有广阔的市场前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：包括泵控液压回路和阀控液压回路，所述泵控液压回路是由变频液压泵(15)、单向阀(5)和双向溢流阀(8)构成的液压回路，所述变频液压泵(15)连接有变频电机(2)；所述阀控液压回路是由电液换向阀(7)、低压溢流阀(12)、负荷阀(6)、溢流阀(14)和辅助油泵(3)构成的液压回路，所述辅助油泵(3)还连接有辅助电机(3)和油箱(11)；所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接，所述泵控液压回路和阀控液压回路并联连接后通过手动隔离阀(10)连接有拨叉式转舵机构组(9)，所述拨叉式转舵机构组(9)连接有舵叶，所述舵叶通过舵角反馈装置与初始输入舵角端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器分别与所述变频电机(2)以及各电磁阀相互通讯连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：所述变频电机(2)连接有变频器，所述变频器采用矢量变频方式实现对变频电机(2)的调速。

4.根据权利要求1所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：所述油箱(11)内还设有浮球液位计(1)和温度控制器(16)。

5.根据权利要求1所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：所述泵控液压回路还连接有高置油柜(17)，高置油柜(17)内还设有浮球液位计(1)。

6.根据权利要求1所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：所述拨叉式转舵机构组(9)上还设有压力表(13)。

7.根据权利要求1所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置，其特征在于：还包括储能器。

8.根据权利要求1-7任一一项所述的一种基于变频技术的泵阀联控液压舵机装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)当接受到舵机指令信号时，在控制器的作用下，变频电机以及各电磁阀同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，舵叶往需要的方向运动；

(2)通过舵角反馈装置实时监测舵叶角度值，并传输至初始输入舵角端于初始舵机指令进行比较；

(2)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值小于设定偏差值时，电磁阀停止工作，变频液压泵继续向舵机液压缸输入液体流量，直至舵叶的转角达到指令信号的要求时，变频液压泵停止工作；

(3)当舵叶的转角与驾驶台的指令角度差值达到或大于设定偏差值时，电磁阀和变频液压泵同时动作，向舵机液压缸的一侧输入液体流量，以减小偏差值。