CN107100908A - 一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，通过配置辅助泵源，并调整运行相位差来消除流量脉动，包括如下步骤：(1)获得现有液压系统的泵源参数；(2)根据泵源参数在液压系统中配置辅助泵源；(3)控制辅助泵源与主泵源同步运行；(4)当辅助泵源和主泵源以相同转速运转时，主泵源的输出流量和辅助泵源的输出流量同时进入主油路，汇合时刻主泵源处于流量脉动的波峰和辅助泵源处于流量脉动的波谷，两张叠加使主油路油液流量趋于平稳，实现了动态消减主油路脉动。本发明通过相位配置及其相应控制策略，使两泵运行中始终保持脉动的波峰和波谷叠加，从而使主油路上流量趋于恒定值，达到均匀化流量脉动的目的。

Description

一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法

技术领域

本发明属于流体系统流量脉动半主动控制领域，具体涉及一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法。

背景技术

现有液压系统大多采用容积式泵作为液压动力源，容积式泵的吸排油都是基于密封容积的变化以及流体的可压缩性原理工作，因此其吸排油过程的不均匀不可避免将产生流量脉动。泵源的流量脉动进入系统，表现为压力脉动，与管路等固体元件流固耦合产生较大的振动噪声，是液压系统的主要噪声源。

流量脉动的抑制是液压系统降噪的热点问题，目前研究主要集中在两大方面，一种是被动式衰减技术，一种是主动式脉动衰减技术。被动式衰减技术，主要表现为各种各样的脉动衰减器。脉动衰减器种类较多，大致可分为共振型、扩张型、干涉型三类。脉动衰减器在一定频段内具有衰减效果，但随运行工况的调整衰减效果将变差，且无法直接削弱系统的线谱特征。主动式衰减技术，主要通过实时监测系统中脉动幅值，动态调整相应作动器动作，以达到衰减脉动幅值的目的。因流量脉动频率较高，相应作动器的频响要求也较高，现有的各种阀、电机或泵都无法满足这种高频响需求。一种可行性做法是，采用压电陶瓷等高频响新材料新研作动器，例如专利CN102506031中发明的双边压电陶瓷溢流阀，巴斯大学Branson等人在Piezoelectrically actuated hydraulic valve design for highbandwith and flow performance中提出的新型压电陶瓷阀。基于主动控制的流量脉动衰减技术研究较多，但基于现有的公开资料表明，主动控制的流量脉动抑制措施，算法要求较高，仅能控制几根线谱，无法在全频段上控制流量脉动，甚至若算法或激振点布置不当效果还可能适得其反。同时因其系统搭建成本高，因此实际工程应用十分有限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，旨在解决现有被动式脉动衰减，无法有效抑制线谱噪声；主动式衰减技术配置成本高，控制稳定性差，难度大的缺陷。

本发明提供了一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，通过配置辅助泵源，并调整运行相位差来消除流量脉动，包括如下步骤：

(1)获得现有液压系统的泵源参数；所述泵源参数包括转速、流量脉动幅值、运行基频；

(2)根据所述泵源参数在所述液压系统中配置辅助泵源；所述辅助泵源的流量基频与所述液压系统中主泵源的基频相同，所述辅助泵源的流量脉动幅值与所述主泵源的流量脉动幅值；

(3)控制所述辅助泵源与所述主泵源同步运行；

(4)当所述辅助泵源和所述主泵源以相同转速运转时，所述主泵源的输出流量和所述辅助泵源的输出流量同时进入主油路，汇合时刻主泵源处于流量脉动的波峰和辅助泵源处于流量脉动的波谷，两张叠加使主油路油液流量趋于平稳，实现了动态消减主油路脉动。

更进一步地，通过使所述辅助泵源与所述主泵源的相位差错开1/2个流量脉动周期来调整运行相位差。

更进一步地，在步骤(3)中，通过控制所述辅助泵源与所述主泵源的转速使得主油路压力脉动最小来实现所述辅助泵源与所述主泵源同步运行。

更进一步地，比较所述辅助泵源与所述主泵源出口压力脉动曲线后找到相位相差180°的位置差，通过差动控制所述辅助泵源与所述主泵源的转速。

更进一步地，在步骤(3)中，通过给定所述辅助泵源与所述主泵源相同的转速信号来实现所述辅助泵源与所述主泵源同步运行。

更进一步地，在给定所述辅助泵源与所述主泵源相同的转速信号之间，对所述辅助泵源与所述主泵源的初始相位差进行标定。

更进一步地，所述标定具体为：提取所述辅助泵源与所述主泵源出口和主油路上压力脉动信号，调整两泵源相位差，当主油路上压力脉动相对最小时完成标定。

本发明中，控制对象是主油路中流量脉动，关键的控制元件是配置辅助泵源，其由电机、泵、连接管路以及与主油路汇流的管路接头组成。配置的辅助泵源与主泵源基频必须一致，且流量脉动幅值最好与主泵源一致，以配置相同泵源为最优。可以配置单独的同步运动控制器，也可以直接引入主泵源的控制信号，控制辅助泵源，使辅助泵源与主泵源同步运动即可。

本发明的优点是：

(1)本发明配置策略简单，且其脉动抵消主要依据同转速下的液压泵流量脉动基频一致，因此其适用范围广，尤其适用于直驱式伺服系统(其依靠调节转速控制液压系统)，可随主泵源转速调整同步调整次级泵源，具备一定的主动控制特性；

(2)本发明不需要额外的设计高频响作动器，辅助泵源简单易于获得，因此其系统简单，控制便捷；

(3)本发明充分利用了相同或同类型同转速泵源流量脉动的一致性，脉动衰减效果较好，不仅可在全频段范围内降低压力脉动，还可削弱系统的线谱特征；

(4)辅助泵源的选取可选用小型电动泵，体积小，易于实用化。

附图说明

图1是本发明的总体方法流程图；

图2(a)是本发明第一种实现方式的控制流程图，(b)是本发明第二种实现方式的控制流程图；

图3是本发明的一种实施示例，(a)是原液压系统原理图，(b)是配置辅助泵源后的液压原理图；

图4是本发明衰减流量脉动的理论原理。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是为了克服被动式脉动衰减器变工况适应性有限，主动式脉动衰减技术作动器选择有限、控制系统配置复杂的缺点，提出的可削弱液压系统线谱特征，一定程度上也能适应运行工况变化的一种基于辅助泵源配置技术的流体脉动抑制方法。

本发明提出了一种半主动式的流量脉动控制手段，提出了配置另一套次级噪声源，即辅助泵源的措施，通过次级噪声源的叠加干扰，消除主油路上的流量脉动。

本发明提供了一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S1，获取液压系统泵源主要参数，包括系统流量、运行范围、泵源转速、泵源齿数(或柱塞数)、基频等参数；

步骤S2，选取辅助泵源，辅助泵源宜选取与液压系统中的主泵源完全相同，但此类做法将2倍提高系统输出流量，对原液压系统影响较大。可采取将主泵源替换为两个1/2排量的泵源，或选取微小流量的小排量泵作为辅助泵源。参考附图4，主泵源流量脉动可近似认为是一正弦曲线，主泵源流量与辅助泵源流量在主油路上汇合，为保证汇合后的流量平稳，则选用的辅助泵源则需与主泵源流量脉动曲线一致，相位相差180°，达到流量相互抵消的目的。若流量脉动的幅值不同，或脉动曲线存在一定差异则最终脉动衰减效果将会有限。

步骤S3，配置同步运行控制器，本系统的关键就是保证辅助泵源与主泵源的同步运行。如图2，可以添加同步运动控制器实现闭环控制，如图2(a)所示，同步运动控制器需要引入两泵源的转速信号，出口流量脉动信号，比较后作为反馈值输入同步运动控制器。同步运动控制器内嵌自适应控制算法，控制对象为泵源转速，控制目标为使主油路压力脉动最小，具体来说即比较两泵源出口压力脉动曲线后找到相位相差180°的位置差，通过差动控制两泵源转速来实现。同步运动控制器输出两泵源的转速差值传递至系统控制器，系统控制器结合位置控制指令信号和转速差值信号分别给定两泵源转速，控制系统工作。如图2(b)所示，也可直接通过系统控制器给定泵源相同的转速信号直接开环控制，但开环控制需要首先手动标定两泵源初始相位差。标定方法为，提取两泵源出口和主油路上压力脉动信号，手动调整两泵源相位差，当主油路上压力脉动相对最小时，标定完成，完成后将此时的位置置零，作为两泵源初始运动点。任一时刻由电机的系统控制器直接给的相同控制信号即可，也可直接提取主泵源的控制指令信号，同步控制辅助泵源，同步控制必须保证没有时延。

步骤S4，辅助泵源和主泵源以相同转速运转，此时主泵源输出流量和辅助泵源流量同时进入主油路，汇合时刻主泵源处于流量脉动的波峰和辅助泵源处于流量脉动的波谷，两张叠加使主油路油液流量趋于平稳，如图4所示。

为了更进一步说明本发明实施例提供的一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，下面结合附图3(a)、图3(b)和具体实施例对本发明作进一步的详细说明如下：

如图3(a)所示，其为一套基本的直驱式伺服系统。伺服电机控制器1控制伺服电机2运转，伺服电机2带动液压泵3运行，伺服电机2的转速、方向变化导致进入液压缸6的液压油流量、方向变化，从而带动液压缸6按指令动作。同时，位移传感器7测量液压缸6的位移，其反馈信号8与输入指令信号9同时输入伺服电机控制器1，作为控制伺服电机2运行的决策依据。4.1和4.2为单向阀，配合蓄能器5可对闭式回路进行补油。

本发明实施例提供的基于辅助泵源配置技术的流体脉动抑制方法，具体步骤如下：

步骤S1，识别图3(a)系统中液压泵相关参数，例如其为7柱塞，排量为D的柱塞泵，常用运行工况为伺服电机1200rpm，流量脉动幅值为A。

步骤S2，选取合适的辅助泵源包括电机13、泵15，最优辅助泵源方案为选取7柱塞，常用工况为1200rpm，流量脉动幅值也为A的柱塞泵，其排量可以不为D。另一种方案是将主泵源替换为两个相同的D/2排量的柱塞泵。辅助泵源两端各有一个电磁阀14.1/14.2，通过电磁阀的开关，可实现辅助泵的投入运行和撤离。

步骤S3，配置同步运动控制器11。本实施方法采用闭环控制，在主泵源出口安装水听器17.3和17.4，辅助泵源出口安装水听器17.1和17.2，主油路汇流后安装水听器17.5和17.6，将所有水听器监测的压力脉动信号16反馈引入同步运动控制器11中，其以17.5和17.6压力脉动信号最小为控制目的，通过自适应算法输出使主油路脉动最小的两泵源转速差，同时比较系统位置反馈和控制指令输入信号，得出两泵源的转速控制指令值，将转速信号分别传递给伺服电机运动控制器12/1，控制两泵源运转。

步骤S4，两泵源输出的流量在主油路汇合，波峰和波谷叠加动态消减主油路脉动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于辅助泵源配置的流体脉动抑制方法，其特征在于，通过配置辅助泵源，并调整运行相位差来消除流量脉动，包括如下步骤：

(1)获得现有液压系统的泵源参数；

所述泵源参数包括转速、流量脉动幅值、运行基频；

(2)根据所述泵源参数在所述液压系统中配置辅助泵源；

所述辅助泵源的流量基频与所述液压系统中主泵源的基频相同，所述辅助泵源的流量脉动幅值与所述主泵源的流量脉动幅值；

(3)控制所述辅助泵源与所述主泵源同步运行；

(4)当所述辅助泵源和所述主泵源以相同转速运转时，所述主泵源的输出流量和所述辅助泵源的输出流量同时进入主油路，汇合时刻主泵源处于流量脉动的波峰和辅助泵源处于流量脉动的波谷，两张叠加使主油路油液流量趋于平稳，实现了动态消减主油路脉动。

2.如权利要求1所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，通过使所述辅助泵源与所述主泵源的相位差错开1/2个流量脉动周期来调整运行相位差。

3.如权利要求1所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过控制所述辅助泵源与所述主泵源的转速使得主油路压力脉动最小来实现所述辅助泵源与所述主泵源同步运行。

4.如权利要求3所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，比较所述辅助泵源与所述主泵源出口压力脉动曲线后找到相位相差180°的位置差，通过差动控制所述辅助泵源与所述主泵源的转速。

5.如权利要求1所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过给定所述辅助泵源与所述主泵源相同的转速信号来实现所述辅助泵源与所述主泵源同步运行。

6.如权利要求5所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，在给定所述辅助泵源与所述主泵源相同的转速信号之间，对所述辅助泵源与所述主泵源的初始相位差进行标定。

7.如权利要求6所述的流体脉动抑制方法，其特征在于，所述标定具体为：提取所述辅助泵源与所述主泵源出口和主油路上压力脉动信号，调整两泵源相位差，当主油路上压力脉动相对最小时完成标定。