CN1391146A - 基于变频调速的电液复合控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频调速的电液复合控制系统及其控制方法。它包括变频器、电机、液压泵、检测反馈单元、液压控制系统、能量调节单元、控制器。由变频器控制电机和电液控制阀对液压系统进行控制，而对电液控制阀，对能量调节单元以及对变频器控制是由统一的控制器来完成。本发明利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统要求相适应，最大限度地减少了溢流损失，效率高、节能；在液压控制系统中保留液压控制阀并增加能量调节单元，同时以统一的控制器来完成控制，可以大大提高系统的响应速度。

Description

基于变频调速的电液复合控制系统及其控制方法

                         技术领域

本发明涉及流体压力执行系统。

                         背景技术

电液控制系统由于它响应速度快、精度高、负载大而在各个行业获得了广泛的应用，电液控制系统就其控制方式而言可以分为两大类：即节流控制系统与容积式控制系统。

节流控制系统通过电液控制阀控制流向负载的流量，而泵所输出的多余的流量则通过溢流阀回油箱，它的特点是响应速度快，精度高，但是由于存在溢流与节流损失而效率低。而容积式控制系统通过调节泵的输出流量来满足系统的要求，效率高，节能，但是响应速度慢，仅适用于低速大功率系统。

采用变频调速技术使普通交流异步电机具备了近于直流电机的性能，它以调速性能好、节能的特点在风机、水泵等领域得到了广泛的应用。它为液压系统的节能与控制提供了一种新的手段，即以变频器控制普通异步电动机的转速，由此带动定量泵，通过改变电机的转速而使泵的输出流量发生变化，使泵的输出流量与系统要求相适应，最大限度地减少了溢流损失，效率高、节能。由于变频调速技术通过改变电机的转速来改变泵的输出流量，电机大部分时间的转速低于额定转速，有利于降低噪声并提高泵的使用寿命。

随着变频技术的发展，变频器性能的不断提高，它在液压系统中也获得了一定的应用。主要有液压泵站的控制、液压电梯的控制、对液压马达的控制及注塑机液压系统的改造等。

虽然变频技术有着节能的优点，但是它在液压系统中并没有得到象在风机、水泵等领域上的广泛应用，尚局限于不经常调节或对动态要求不高的系统上，主要原因是由于变频器与电机的响应速度慢，不能满足液压系统的要求，由于电机及液压泵的惯量较大，并且电力电子器件的过流过载能力有限，造成由变频器控制的电机加、减速时间较长，动态响应速度慢，不能满足液压系统的要求。因此，如何提高系统的快速性，这是节能的变频技术在液压系统中应用的难点与关键所在。

                         发明内容

本发明采用一种基于变频调速的电液复合控制系统及其控制方法，由变频器控制电机和电液控制阀对液压系统进行控制，而对电液控制阀的控制，对能量调节单元的控制以及对变频器的控制是由统一的系统控制器来完成。

本发明采用的技术方案如下：

基于变频调速的电液复合控制系统及其控制方法包括变频器、电机、液压泵、检测反馈单元、液压控制系统、能量调节单元、控制器；变频器经电机接液压泵，液压控制系统和能量控制单元并联接在液压泵的输出口，变频器、电机、液压控制系统、能量调节单元的检测信号分别接检测反馈单元，检测反馈单元的反馈信号接控制器后由控制器输出的控制信号分别控制变频器、液压控制系统、能量调节单元。

所说的变频器为通用变频器，电机为普通三相异步电机或变频电机，液压泵为定量泵或变量泵，检测反馈单元由通用的传感器组成(如压力传感器、流量传感器、位置传感器等)，控制系统包括液压控制阀和执行元件，能量调节单元为蓄能器加一个高速开关阀，控制器为单片机系统或其他微机控制器。

在基于变频调速的电液复合控制系统中，所涉及的控制问题主要为以下三方面，即对电液控制阀的控制、对变频器的控制、对能量调节单元的控制，

首先作如下假设：

1)由控制器根据当前系统状态，计算得到当前液压系统所需的流量为Q；

2)变频器运行的最高频率为F_max，此时对应电机的转速为n_max，泵输出的流量为Q_max；

3)检测得到泵的输出流量为Q_f；

4)电液控制阀的最大控制电流为I_max，对应输出的最大流量为Q_max，其电流死区为I_d。

5)能量调节单元中的压力为P_e，而系统的压力为P_s。

6)根据不同的压力情况，变频器的最低运行频率为F_min(P)。

则对变频器的控制为：

其中：F：为变频器所应输出的频率； $F_f=\frac{Q}{Q_{\max }}{F}_{\max }$ 为根据流量计算出的变频器所应输出的频率；

对电液控制阀的控制为：

其中：I为电液控制阀的输入电流；

对能量调节单元的控制为：

所以，它是一个电液复合控制系统，包含了两个意义上的复合控制：

1)变频器对电机的控制与电液控制阀对液压系统的控制相复合；

2)变频器控制的液压泵所形成的容积式控制与电液控制阀的节流式控制相复合。

它具有以下优点：

1)节能。利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统要求相适应，最大限度地减少了溢流损失，效率高、节能。它与采用变量泵的控制系统相比较，具有更大的节能潜力。因为变量泵在空载时电机仍维持着较高的转速，损耗较大，且变量泵的变量机构也要消耗一部分能量。而变频器此时可以让电机完全停止，使能量损耗达到最低。同时，由于对变频器的控制与对电液控制阀的控制是由同一个控制器完成，可以使得泵的流量在不大于系统所需流量时，可以使系统中的电液比例阀工作在最大阀口开度，从而大大减小阀的节流损失。

2)响应速度快。在液压系统中保留电液控制阀并增加能量调节单元，可以大大加快系统的响应速度。因为由于电机及液压泵的惯量较大，并且电力电子器件的过流过载能力有限，造成由变频器控制的电机加、减速时间较长，动态响应低，不能满足液压系统具有较高响应速度的要求。通过在液压系统中保留电液控制阀，可以当系统需要减速时，利用它的快速响应性能，使系统迅速减速，达到要求。而在系统需要加速时，由能量调节单元提供加速流量，以满足系统的要求，从而加快系统的响应。在系统减速时，多余的能量通过能量调节单元回收。

3)利于降低噪声及延长泵的寿命。因为电机与泵在大部分时间工作在较低的转速，可以降低系统的噪声并延长泵的寿命。

4)利于实现泵的软起动及软停止。利用变频器可以使泵以预先设定的曲线平稳起动及停止，减小泵起动及停止时所产生的振动与冲击。

                         附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的具体实施例结构原理图。

                         具体实施方式

如图1所示，变频器1经电机2接液压泵3，液压控制系统5和能量控制单元6并联接在液压泵3的输出口，变频器1、电机2、液压控制系统5、能量调节单元6的检测信号分别接检测反馈单元4，检测反馈单元4的反馈信号接控制器7后由控制器7输出的控制信号分别控制变频器1、液压控制系统5、能量调节单元6。

1)液压控制系统是阀控系统，依靠液压控制阀(电液比例阀等)来控制系统的速度及压力；

2)液压泵为普通的液压泵，可以是定量泵，也可以是变量泵，如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等；

3)电机为普通三相异步电动机或变频电机，由变频器驱动控制，变频器为通用变频器；

4)液压系统中有一能量调节单元，设置在液压泵的出口处，它在系统需要加速时释放能量，而在合适时吸收能量；

5)检测反馈单元根据需要对系统中的一些关键量如系统流量、关键点压力、泵输出流量、电机转速等进行检测反馈；

6)整个系统必须由一个统一的控制器完成控制，它接收指令信号及各个检测反馈信号，根据控制算法对变频器、能量调节单元、液压控制系统分别施加合适的控制，以达到整体最优的控制目的。

如图2所示，是本发明的具体实施例结构原理图，利用蓄能器6.1加一个高速开关阀6.2构成能量调节单元6。压力传感器8、10分别检测泵出口与蓄能器的压力，液压泵3是一个定量泵，由普通三相异步电机2控制。而电机2则由变频器1控制。安全阀9限制整个系统的最高工作压力。液压控制系统5为一个阀控制系统，它包含液压控制阀(电液比例阀等)及执行元件(液压缸或液压马达)。检测反馈单元4将液压控制系统5的系统输出流量、压力、以及液压缸(或液压马达)的运动速度、变频器的输出频率、当前频率、电机转速检测之后送给控制器7(可为单片机系统或其他微机控制器)。而控制器7则根据检测反馈单元4的反馈信号及当前系统的要求依据前面所述的控制规律来对变频器1、高速开关阀6.2、液压控制系统5进行联合控制，使之满足系统的要求。当需要能量调节释放能量时，高速开关阀6.2打开，蓄能器6.1中的压力油补充到系统中，满足系统加速时的要求。当系统处于减速状态且可以外部压力大于蓄能器6.1内部压力时，高速开关阀6.2打开，系统中的多余的压力油补充进蓄能器6.1，进行能量储备，以备系统加速时的需要。而在其他情况下，则关闭高速开关阀6.2，使能量调节单元与系统隔离。整个系统既节能，又有较快的动态响应速度。

Claims (3)

1.基于变频调速的电液复合控制系统，其特征在于：它包括变频器(1)、电机(2)、液压泵(3)、检测反馈单元(4)、液压控制系统(5)、能量调节单元(6)、控制器(7)；变频器(1)经电机(2)接液压泵(3)，液压控制系统(5)和能量控制单元(6)并联接在液压泵(3)的输出口，变频器(1)、电机(2)、液压控制系统(5)、能量调节单元(6)的检测信号分别接检测反馈单元(4)，检测反馈单元(4)的反馈信号接控制器(7)后，由控制器(7)输出的控制信号分别控制变频器(1)、液压控制系统(5)、能量调节单元(6)。

2.根据权利要求1所述的基于变频调速的电液复合控制系统，其特征在于：所说的变频器(1)为通用变频器，电机(2)为普通三相异步电机或变频电机，液压泵(3)为定量泵或变量泵，检测反馈单元(4)由通用的传感器组成，控制系统(5)包括液压控制阀和执行元件，能量调节单元(6)为蓄能器加一个高速开关阀，控制器(7)为单片机系统或其他微机控制器。

3.根据权利要求1所述的基于变频调速的电液复合控制系统的控制方法，其特征在于：在基于变频调速的电液复合控制系统中，所涉及的控制问题主要为以下三方面，即对电液控制阀的控制、对变频器的控制、对能量调节单元的控制，

首先作如下假设：

(1)由控制器根据当前系统状态，计算得到当前液压系统所需的流量为Q；

(2)变频器运行的最高频率为F_max，此时对应电机的转速为n_max，泵输出的流量为Q_max；

(3)检测得到泵的输出流量为Q_f；

(4)电液控制阀的最大控制电流为I_max，对应输出的最大流量为Q_max，其电流死区为I_d；

(5)能量调节单元中的压力为P_e，而系统的压力为P_s；

(6)根据不同的压力情况，变频器的最低运行频率为F_min(P)；则对变频器的控制为：

其中：F：为变频器所应输出的频率； $F_f=\frac{Q}{Q_{\max }}{F}_{\max }$ 为根据流量计算出的变频器所应输出的频率；对电液控制阀的控制为：

其中：I为电液控制阀的输入电流；对能量调节单元的控制为：

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