一种新型液压控制系统及其应用研究

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为适应质量计量、尤其是国防军工质量计量不断向极值量发展的需要，北京航天计量测试技术研究所采用液压力源研制了50t吊钩秤校准装置。该装置采用差动流量细分技术、电机转速特性适配技术和恒渗漏技术等创新技术，克服了常见液压控制系统存在的油泵在低转速下压力波动较大，伺服电机在低转速下运行不平稳，高压条件下油缸压力保持困难等技术难点。研制完成的吊钩秤校准装置力值重复性达到0.015%，远高于此前液压力源力值重复性约为0.5%的水平。

2 液压控制理论理想状态下，伺服电机直接驱动油泵，系统功率、系统压力及流量之间的关系为P：P×Q (1)收稿 日期：2012-03-22，修回日期：2013-06-26作者简介：王小三(1976-)，男，高级工程师，主要研究方向：质量、质量特性计量及计量测试设备研究。

第4期 -种新型液压控制系统及其应用研究 ·25·式中：P-系统功率，w；P-系统压力，Pa；Q-流量，m /s。

电机转速、油泵排量与流量的关系为Qn×q式中：n-电机转速，r/s；q-油泵排量，m /r。

由式(1)，(2)可得P P ×n ×q电机转矩与转速的关系为- ” 2叮T×凡式中： -电机转矩 ，Nm。

将式(3)代人式(4)，得(2)(3)(4) ×P (5)二 II理想系统中， 为常数，根据式(5)，伺服电机二 ，rr的转矩与系统所需的压力成正比。由式(2)可知，伺服电机的转速与系统所需流量成正比，只要动态地调整伺服电机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力和流量。

3 液压控制执行机构3.1 单电机驱动单油泵的执行机构根据上述控制原理，采用单伺服电机驱动单油泵提供液压力源(如图 1所示)，研制了吊钩秤校准装置。该装置的控制方式如下：根据被测对象12需要的校准点(可以多点)，在计算机 15上设定标准力值-始试验后，计算机15通过标准传感器仪表l3采集标准传感器11的实际信号，通过运算，向伺服电机2发送速度、转矩指令，伺服电机2控制油泵l的转速、转矩，通过换向阀4对油缸 9进油；油泵 1的转速和转矩决定油缸 9的进退、压力、速度。油缸9通过标准传感器11、标准传感器仪表 13实时向计算机15发送信号，计算机 15实时通过运算向伺服电机2发送速度、转矩指令，如此形成-个闭环控制；直到标准传感器 1l的力值达到设定的力值。若有多个力值点需要校准，则继续以上循环。

使用该液压执行机构，研制样机并实验时发现以下情况：(1)小力值保压时力值波动较大。此时伺服电机波动范围也较大，随着力值增加，波动缩小；l1l2l3141-伺服油泵；2-伺服电机；3-溢流阀；4-换向阀；5-压向空间；6-移动梁；7-拉向空间；8～主机框架；9-主油缸；10-反向架；11-标准传感器；12-被测对象 ；13-标准传感器仪表；14-被测仪表；15-计算机。

图 1 单伺服电机驱动单油泵的执行机构原理示意图(2)力值过冲∠大力值时，加载到达目标力值时会过冲，波动-段时间后趋于相对稳定，实验数据见表1。

对表 1数据分析的结论是：伺服电机转速(油泵转速)较低时，力值波动较大的主要原因是转速不稳定，随着转速提高，转速趋于稳定。为使伺服电机能在较高的转速范围内运行，采用扩大油缸和活塞间隙以增加渗漏量的方法。这种方法在低力值时取得了较好效果，但力值较高时，渗漏量剧增，导致不能达到目标力值。

通过反复实验，分析产生以上问题的主要原因有三点：(1)油泵特性。任何油泵都有-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。这将导致液压系统失去稳定；(2)伺服电机。目前伺服电机在低转速运行时的平稳性还存在-定的局限性，在较高转速时则非常平稳；(3)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，这种渗漏是不确定的，渗漏的大小随着系统压力、温度的变化产生很大的非线性变化。

针对以上问题，采取以下措施：采用两个伺服电机分别控制两个油泵、两个油泵分别控制油缸的进回油，通过两个油泵的转速差决定油缸压力增减。

· 26· 宇航计测技术 2013焦表1 单伺服电机控制单油泵5O次试验后的平均值加载点 力值波动范围 伺服电机转速 力值 力值趋于过冲量 相对稳定 kN kN 范围r/minkN 时间s20 19.850-20.163 -1O.1-13.2 0.508 6050 49.914-50.102 -1.6～17.5 0.250 47100 99.975～5O.O27 18.2～22.5 0.114 3020o 199.995-200.004 39.4～40.1 0.O67 213oo 299.998-300.002 65.2-65.7 0.054 13500 499.999-5o0.002 101.3 101.5 O.O48 103.2 双伺服电机驱动双油泵的执行机构双伺服电机驱动双油泵的液压执行机构完全针对单电机驱动单油泵的缺点，具有差动流量细化分度特性、电机转速适配特性、恒渗漏特性等诸多优点。

3.2.1 差动流量细化分度特性以500kN吊钩秤校准装置为例，采用内啮合齿轮泵，单油泵时，排量 1ml/r，齿轮泵为 100齿。理想状态下，齿轮泵出油分度为 0.01ml，根据表 l数据，在 20kN点，平均转速为 3.1r/min，即对油泵的供油要求为：1ml/rx3.1 r/min3.1ml/min，控制频率为100Hz(每秒钟调整 100次)，即60x1006 000次/min，即流量响应控制的最小分度要求为：3.1÷6 000 0.000 52ml，显然，难度极大。采用双油泵后 ，为系统设计了差动流量细化分度的技术方案，具体做法是：采用两个伺服电机分别控制两个油泵、两个油泵分别控制油缸的进回油，两个油泵的转速差乘以油泵排量等于油泵对油缸供油量～回油油泵转速定为 300r/min。这样，在 20kN测力点，进油油泵的转速理论值为303.1r/min。虽然两个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，两个油泵流量迭加后的最小分度为：3.11003000.000 01(m1)，这就能满足流量的最小分度0.000 52ml的要求。

3.2.2 电机转速适配特性由于采用差动控制，可驱动两台电机，使其在额定转速范围内以任意转速进行工作。因此，可根据电机的工作特性，控制其转速，如当电机工作于300r/rain时，其转速最平稳，即可控制电机，使其工作于该转速附近。

3.2.3 恒渗漏特性恒渗漏特性，油缸密封处理后，其渗漏远小于油泵回油速度，且渗漏可通过油泵回油速度的降低加以解决。

3.2.4 执行机构工作流程双伺服电机驱动双油泵的吊钩秤校准装置如图2所示。其控制方式为：计算机 17根据被测对象 l4的检测点(可以多点)，设定标准力值，开始试验后，计算机 17通过标准传感器仪表 15采集标准传感器l3的实际信号，通过运算，向伺服电机4发送速度、转矩指令，控制油泵3的转速、转矩，通过换向阀6对油缸 l1进油，伺服电机2控制油泵 l的转速、转矩，通过换向阀 6对油缸 11回油；油泵 3与油泵 1的转速差决定油缸 11的进退、压力、速度。油缸 11通过标准传感器仪表 15、标准传感器 13实时向计算机 17发送信号，计算机 17实时通过运算向伺服电机4、伺服电机2发送速度、转矩指令，如此形成- 个闭环控制，直到标准传感器13的力值达到设定的力值。若有多个力值点需要校准，则继续。研制完成双伺服电机驱动双油泵的吊钩秤校准装置后进行了试验，试验数据如表 2∝制方框图如图3所示 。

1-伺服油泵2；2-伺服油泵 1；3-伺服电机2；4-伺服电机 1；5-溢流阀；6-换向阀；7-压向空间；8-移动梁；9-拉向空间；10-主机框架 ；11-主油缸；12-反向架；13-标准传感器；14-被测对象；15-标准传感器仪表；16-被测仪表 ；17-计算机。

图2 双伺服电机驱动双油泵的执行机构原理示意图第4期 -种新型液压控制系统及其应用研究表2 双伺服电机控制双油泵 50次试验后的平均值加载 进油伺 回油伺 两伺服 力值 力值点 力值波动范围 服电机 服电机 电机转 过冲 稳定kN 转速 转速 速差 量 时间 kNt，min r/min t，min N S20 19.999-2O.000 301.5 299 3.5 O 750 49.999～5O.O00 304.2 295 9.2 0 6100 99.999～1o0.O00 310.1 290 20.1 0 6200 199.999～20o.004 321.4 280 41.4 O 630o 299.998～300.oo0 335.3 270 65.3 O 550o 499.998～500.000 358.2 250 108.2 0 5图3 液压控制系统控制方框图4 测试结果采用上述液压控制技术研制的吊钩秤校准装置的测试结果见表3。

表 3 50t吊钩秤校准装置测试结果标准测力仪型号： 出厂编号： 指示仪表： 通道： 室温： 2. 相对湿度：垫。

负荷 0。(mV/V) (mV/V)(压) x% x% ×%kg 1 2 3 90。 180。 270。

0 0.Oo0 00 0.Ooo oo 0.O00 0o 0.0oO 0o ， 0.0oO 0o 0.0oO 0o 0.O00 0o 0.Oo0 oo 0.00o oo ，5 O0o O.20o 18 O.20o 19 0.20o 19 0.20o 19 O.oo5 O.20O 18 O，20o 17 0.20o 18 O.200 18 O.20o l8 O.0o0 0.o510 O00 0.400 39 0.400 38 O.4oO 39 0.400 39 0.0o2 0.400 36 0.4oo 35 0.400 38 0.400 37 0.400 34 0.0o7 0.01015 0oO 0.60o 44 0.6oo 45 0.600 46 0.60o 45 O.003 0.600 43 0.60o 40 0.600 45 O.600 43 0.60o 40 O.0o5 0.0O82O 00O O.80o 54 O.80o 54 O.8o0 55 0.800 54 O.0o1 0.80o 53 0.80o 51 O.800 55 O.80o 53 O.80o 44 0.012 0.00525 O00 1.000 58 1.Ooo 57 1.O0o 58 1.O00 58 0.00l 1.0oO 54 1.0oO 53 1.O00 57 1.O00 56 1.0o0 44 0.0l1 O.0o530 0oO 1.200 62 1.200 60 1.200 6l 1.20o 61 0.002 1.200 58 1.20o 56 1.20o 6l 1.200 59 1.20o 44 0.012 O.oo540 0oO 1.600 65 1.60o 66 1.6o0 66 1.6o0 66 0.0o1 1.60o 63 1.60o 6l 1.6o0 65 1.60o 64 I.600 46 O.0ll 0.0o25O Oo0 2.0o0 65 2.Oo0 65 2.O00 65 2.O00 65 0.O0o 2.0oO 62 2.0o0 61 2.O00 63 2.O0o 63 2.0oO 47 0.o08 0.0o2方位 0。 90。 180。 270。 ， ， ， ， ， ， ，逐级 每次至预加荷 3 1 l 1 50t ， ， ， ， ， ， 少 60s次数60s负荷 3x10- ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，波动性5 结束语采用液压力源研制 50t吊钩秤校准装置，是-次有益的尝试。它将凭借安全、快速、可靠等特性，在吊钩秤校准领域发挥重要作用。同时，由于差动流量细分技术、电机转速特性适配技术和恒渗漏技术的应用，克服了常见液压控制系统存在的油泵在低转速下压力波动较大、伺服电机在低转速下运行不平稳、油缸压力难以保持等技术难点。该技术还可方便扩展应用于叠加式力标准机，对我国力值计量，尤其是大力值计量具有重要意义。