CN201818569U - 一种高精度的泵控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度的泵控系统，适用于各种控制精度要求较高的场合，属于液压控制系统领域。包括：油泵、伺服电机、伺服驱动器，补偿系统，油箱，其中油箱与油泵的进油口相连，油泵与伺服电机相连，伺服电机与伺服驱动器相连，油泵的出油口与补偿系统的进油口相连接后一起作用于控制对象，补偿系统的回油口与油箱相连。补偿机构一直处于回油态，在泵控系统中所起的作用为泵控系统提供额定的回油流量，使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。本实用新型具有节能、高精度控制；生产成本低，适用范围广，易于实现批量化生产制造等优点。

Description

一种高精度的泵控系统

技术领域：

本实用新型涉及一种高精度的泵控系统，适用于各种控制精度要求较高的场合，属于液压控制系统领域。

背景技术：

随着目前控制技术的提高，采用伺服电机直接驱动定量泵，通过伺服电机调整定量泵的转速、转矩以满足液压系统的需要，中间省略了压力、流量控制阀，具有节能及制造成本降低等优势，如在注塑机上已大面积推广应用。然而在许多高精度的控制场合尚未应用，原因在于目前现有的油泵及如伺服电机控制精度的局限性。

1、执行机构：

在实际应用中的油缸、液压马达等都存在不同程度的渗漏，而且这种渗漏是不确定的，渗漏的大小随着系统压力、温度的高低产生很大的变化，而且是非线性的。

2、油泵特性：

任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。

3、伺服电机：

目前国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性还存在一定的局限性。在较高转速时则非常平稳。

有基于此，申请人作出本实用新型。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种灵活性和控制精度更高，且效率高、成本低的泵控系统。

本实用新型为实现上述目的采取的技术方案如下，一种高精度的泵控系统，包括：油泵、伺服电机、伺服驱动器，补偿系统，油箱，其中油箱与油泵的进油口相连，油泵与伺服电机相连，伺服电机与伺服驱动器相连，油泵的出油口与补偿系统的进油口相连接后一起作用于控制对象，补偿系统的回油口与油箱相连。补偿机构一直处于回油态，在泵控系统中所起的作用为泵控系统提供额定的回油流量，使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。

本实用新型的进一步的设置如下：

补偿系统可以由多种结构，如调速阀、油缸加位移控制装置，但都必须满足回油流量可控。

补偿装置为调速阀，调速阀的进油口与油泵的出油口相连后连接于控制对象，调速阀的回油口与油箱相连，调速阀根据工作情况调整流量且流量不会因系统压力的大小而改变，从而使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。

补偿装置由液压缸、活塞移动装置，卸荷阀组成，液压缸与油泵的出油口相连后连接于控制对象，液压缸与卸荷阀相连，卸荷阀与油箱相连，液压缸的活塞与活塞移动装置相连，通过调节活塞移动装置的移动速度使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型动态调节伺服电机的转速、转矩来驱动油泵，不浪费电机功率，节能效果显著；

2、由于对油泵采取了回油补偿，使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范可实现对执行机构的力、位移的高精度控制；

3、本实用新型结构简单，生产成本低，适用范围广，易于实现批量化生产制造。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明：

图1本实用新型的结构示意图。

图2采用调速阀作为补偿系统的结构示意图。

图3采用油缸作为补偿系统的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本实用新型的一种高精度的泵控系统包括：油泵1、伺服电机2、伺服驱动器3，补偿系统4，油箱5，其中油箱5与油泵1的进油口相连，油泵1与伺服电机2相连，伺服电机2与伺服驱动器3相连，油泵1的出油口与补偿系统4的进油口相连接后一起作用于控制对象，补偿系统4的回油口与油箱5相连。

工作时，调整补偿机构4，使其一直处于回油态，回油流量的大小根据工作情况设定，使油泵1和伺服电机2始终处于最佳的工作区域范围内；此时启动伺服电机，即可使泵控系统正常运行。

本实用新型的控制原理如下：

在理想状态下伺服电机直接驱动油泵，伺服电机的转速、转矩，与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系：

P＝p×Q    (1)

Q＝n×q    (2)

由式(1)、(2)可得

P＝p×n×q    (3)

由于：

$\mathrm{Tw}=\frac{P}{2\mathrm{\π}\×n}---\left(4\right)$

将式(3)代入式(4)得

$\mathrm{Tw}=\frac{q}{2\mathrm{\π}}\×p---\left(5\right)$

式中P-系统功率(W)

p-系统压力(Pa)

Q-流量(m³/s)

Tw-转矩(N·m)

n-电机转速(r/s)

q-油泵排量(m³/r)

根据

在理想的一套系统中

为常数，所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据Q＝n×q，可知伺服电机的转速与系统的所需流量成正比。

由此可以推理：在控制对象需要保压时，考虑系统渗漏况下，伺服电机和油泵的转速接近于零(特别是在低压状态下)，此时伺服电机和油泵的性能极不稳定，导致液压波动增大。

我们在一台500kN的油缸上做控制精度试验：采用内啮合齿轮泵，排量为1ml/r，齿轮泵内为100齿/r，伺服电机采用1kW，额定转速1000r/min，用500kN的负荷传感器及仪表做反馈，闭环控制。

表1未采用补偿机构50次试验后的平均值

根据上述数据分析，我们可以发现，当伺服电机转速(油泵转速)很低时，力值波动大，随着转速提高，趋于稳定。为了使低力值的测力点时伺服电机能在较高的转速范围内运行，我们曾采用过扩大油缸和活塞的间隙，通过增加渗漏量的办法试图在低力值时能提高伺服电机的转速，试验时在低力值时取得了较好的效果，但力值较高时，渗漏量剧增，导致在伺服电机(油泵转速)在最大时尚不能达到目标力值。

经过反复的试验、分析，我们发现主要是以下因素导致控制精度不够：

①执行机构：

在实际应用中的油缸、液压马达等都存在不同程度的渗漏，而且这种渗漏是不确定的，渗漏的大小随着系统压力、温度的高低产生很大的变化，而且是非线性的。

②油泵特性：

任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。

③伺服电机：

目前国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性还存在一定的局限性。在较高转速时则非常平稳。

根据前述的试验分析和理论，我们重新开发了采用补偿系统。采用该方案从理论分析可解决以下问题：

①任何油泵都有一个工作区域，低于此工作区油泵的输出量非线性加大，且油泵的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。这是油泵的结构所决定的。

在前述的500kN油缸控制系统中，我们采用的为内啮合齿轮泵，排量为1ml/r，齿轮泵内为100齿，这样在理想状态下，一个齿轮泵的最小出油分度值为1ml/100＝0.01ml；根据表一数据，在20kN测力点，平均转速为3.1r/min，也就是油缸对油泵的供油要求为：1ml/r*3.1r/min＝3.1ml/min而我们采用的控制速度为100HZ(每秒钟调整100次)，即60*100＝6000次/min，这就要求流量的最小分度为：3.1/6000＝0.00052ml，显然，用一个油泵很难满足这种高精度的控制要求。

为此我们采用补偿系统，补偿系统为90ml/min，这样在20kN测力点进油油泵的转速理论上为303.1r/min，这时油泵对油缸的供油量还是3.1ml/min，但在这种状态下油泵的转速为300r/min，最小分度为：3.1/100/300＝0.00001ml，这样就完全能满足流量的最小分度0.00052ml的要求。

②由于采用补偿系统，油缸在采取用密封圈等方法处理后，其渗漏远远小于采用补偿系统回油的速度，这样就相当于制造了一个渗漏相对恒定的环境，由于伺服电机和油泵在300r/min左右速度运行，而且伺服电机和油泵在什么转速运行可以通过补偿系统的调节来实现。

总之采用采用补偿系统可以解决(1)根据控制要求将液压动力源的流量细分，提高分辨率。(2)使伺服电机、油泵在理想的工作区域内运行。(3)将油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏。

本实用新型在实际中应用及对比效果分析：

本实用新型采用补偿系统后重新试验，取得了超过预期的效果(详见表2)。

表2为双伺服电机控制双油泵50次试验后的平均值

实施例1：

如图2所示：补偿机构为调速阀4，调速阀4的进油口与油泵1的出油口相连后连接于控制对象，调速阀4的回油口与油箱5相连，调速阀4可根据工作情况调整流量且流量不会因系统压力的大小而改变，从而使油泵1和伺服电机2始终处于最佳的工作区域范围内；此时启动伺服电机，即可使泵控系统正常运行。

实施例2：

如图3所示：补偿机构为液压缸4-1、活塞移动装置4-2，卸荷阀4-3组成，液压缸4-1与油泵1的出油口相连后连接于控制对象，液压缸4-1与卸荷阀4-3相连，卸荷阀4-3与油箱5相连，液压缸4-1的活塞与活塞移动装置4-2相连，工作时启动控制活塞移动装置4-2，活塞移动速度决定回油流量的大小，因此可以通过调节活塞移动装置4-2的移动速度使油泵1和伺服电机2始终处于最佳的工作区域范围内；此时启动伺服电机，即可使泵控系统正常运行。

Claims (3)

1.一种高精度的泵控系统，包括：油泵、伺服电机、伺服驱动器，油箱，其中油箱与油泵的进油口相连，油泵与伺服电机相连，伺服电机与伺服驱动器相连，其特征在于：还包括补偿装置，补偿装置的进油口与油泵的出油口相连接，补偿装置的回油口与油箱相连。

2.根据权利要求1所述的一种高精度的泵控系统，其特征在于：补偿装置为调速阀，调速阀的进油口与油泵的出油口相连后连接于控制对象，调速阀的回油口与油箱相连。

3.根据权利要求1所述的一种高精度的泵控系统，其特征在于：补偿装置由液压缸、活塞移动装置，卸荷阀组成，液压缸与油泵的出油口相连后连接于控制对象，液压缸与卸荷阀相连，卸荷阀与油箱(5)相连，液压缸的活塞与活塞移动装置相连。 

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