变频闭式液压动力单元的PID控制研究

　　变频液压技术是一种新型节能传动技术,在机床、液压提升机械、注塑机等许多机械装备中有着广泛的应用。该技术采用电机变频调速的方式改变液压泵的输入转速来调节液压泵的输出流量达到调节系统执行元件的速度,可以用定量泵来代替原来的变量泵。变频液压传动系统具有元件数目少,容易进行系统集成,体积小、重量轻、效率高等优点。该传动系统是一种全局型的节能系统,系统中的电动机与执行元件的液压缸或马达可以达到较为理想的功率匹配,节能效果显著。

　　1　变频闭式液压动力单元的组成原理

　　1.1　系统的液压原理结构

　　变频闭式液压动力单元的液压结构原理图如图1所示。该动力单元主要由主液压回路和补油回路两部分组成。主油路采用双向液压泵2,通过由变频器控制电动机1的转速来调节双向液压泵2的转速从而控制液压泵吸入的流量。通过改变双向液压泵的油液输出方向来改变执行元件双向马达6的转动方向。主液压回路中的油液泄漏由补油回路通过梭阀3进行补充,主液压回路中溢流阀5对系统起安全保护作用。补油回路主要由补油电机、补油泵、蓄能器和压力继电器等组成,通过压力继电器7的动作可以给主液压回路补充油液。

　　1.2　系统数学模型

　　根据变频闭式液压动力单元的驱动和控制原理及各环节元件的特点,建立该系统总的数学模型如式(1)。

　　式中,fs为电机定子侧电流频率;Kint为变频器的增益系数;u为输入变频器的控制电压;UA为电机定子侧电压; b为常数;Te为电动机磁转矩; KT1为与电动机极对数和转子折算电阻相关的系数;KT2为与电动机极对数和转子折算电阻相关的系数; np为泵的转速;JT为折合到电机轴上的转动惯量; qp为泵的排量;Pp为泵的出口压力;ηmp为泵的机械效率;BT为电机转轴阻尼系数;Vm为泵到马达之间封闭容腔的体积;βe为油液的体积弹性模量;nm为马达输出转速;Cp为泵的泄漏系数;Cm为马达的泄漏系数;Jm为折算到马达轴上的转动惯量;ηmm为马达的机械效率;Bm为马达轴阻尼系数;TL为马达轴上的负载转矩。

　　2　系统的控制原理

　　系统的控制原理如图2所示。异步电机轴端采用光电式编码器进行转速反馈,将电机的转速实时地反馈给变频器。泵的出口压力通过压力传感器检测出压力信号,经A/D转换后,进入计算机控制器;同时马达的转速同样通过光电式编码器测出经转换后进入控制器。控制器经过比较处理后在将信号传给变频器,变频器再调节电动机的转速。

　　由系统的控制原理和数学模型可以得到系统总的仿真结构图,如图3所示。整个系统由控制器子系统、变频器子系统、电机环节子系统、泵环节子系统和执行元件(液压马达环节)子系统组成。系统中,计算机控制器主要用来控制马达的输出转速,考虑其响应的快速性,调速精度和系统的动态品质。