基于虚拟样机技术的数字式柱塞泵控制特性研究

    变量柱塞泵具有压力等级高、变量灵活等特点,因而广泛应用于工业和工程机械领域.传统的柱塞泵变量机构通常依靠复杂的控制阀组构成的回路和机械弹簧系统来实现多功能控制,结构复杂,体积大,成本高,并且由于零件增多致使系统的非线性因素增多,可靠性降低.随着自动化装备的发展和复杂控制要求的提出,基于脉宽调制(PWM)控制的压力-流量反馈的高速开关阀控液压泵被开发出来.高速开关阀具有“通”和“断”2个工作状态,也被称作数字阀,因此高速开关阀控的液压泵也被称作数字式液压泵(简称数字泵).数字泵不仅结构简单、控制精度高,而且可以通过用户编程的方式实现多种复杂控制方式.相对于比例阀或伺服阀控液压泵,数字泵成本低,而且对系统污染度要求较低,适于广泛的推广和应用.

    虚拟样机(virtual prototype)技术是一项新的工程技术,它以对象的动力学/运动学模型为核心,以其他相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统.由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机[1],近年来逐渐成为研究热点.Deeken[2]采用商业软件结合液压模型和动力学模型进行柱塞泵的虚拟样机仿真,随后分析了关键摩擦副的摩擦力等液压特性[3].Peter等[4]采用虚拟样机的方法,对斜轴式柱塞泵的倾斜角度进行了优化分析.Zhang等[5]提出了柱塞泵的虚拟样机的概念,并对柱塞泵进行了仿真分析.

    数字泵的虚拟样机是在虚拟环境下建立数字泵的多体动力学模型和液压模型,实现数字泵的虚拟工作.本文以数字泵为研究对象,耦合数字泵的各三维部件的多体动力学模型和高速开关阀液压控制模型,构成数字泵的虚拟样机.利用该虚拟样机对数字泵结构和控制策略进行设计和优化.

    1　数字泵控制原理分析

    1.1　数字泵工作原理

    数字式柱塞泵是一种新型的液压泵,其基本原理如图1所示.柱塞泵斜盘的倾角(用于表征泵输出流量)与负载端的压力信号被检测并转化为电信号传送到控制器,用于与设定的控制信号进行比较,比较得到的偏差信号通过PID矫正后转化为控制高速开关阀的占空比信号,形成闭环控制,从而逼近预先设定的控制信号,实现流量控制或相关参数的控制.

   根据上述原理分析可知,高速开关阀是变量活塞位移的直接控制元件,其“通”、“断”两位功能虽然决定了不同的工作状态,但是由于高速开关阀在工作中是高频开关的,真正决定其控制效果的是由占空比τ确定的一定时间内的平均输出流量-qτ.在该变量控制系统中采用的是两位三通阀(如图1所示),所以输入到控制缸控制大腔的流量为