基于高速开关阀的转速控制系统建模与仿真

    二次调节是液压传动领域近年来发展起来的一种新型静液驱动技术.其特点是系统的压力基本恒定，通过调节液压泵 / 马达（称为二次元件）排量的变化来适应负载转矩的变化[1- 3].二次元件排量的变化通过阀控制液压油缸改变二次元件斜盘倾角来实现[4- 6].而高速开关阀作为新型的数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，直接根据脉冲电信号进行开关动作，与计算机有直接相连的接口，可以很方便的控制二次元件的排量变化，从而改变二次元件输出的转速、转矩、功率等[7- 8].作者提出的转速控制系统，是利用高速开关阀调制信号的占空比 - 流量特性来实现对二次元件变量油缸的位置控制，改变二次元件的排量，从而达到调节转速的目的.由于排量的调节是通过控制缸来实现，所以二次元件转速控制实际上也是位置控制环节.本文建立了系统的数学模型，并进行了仿真研究和试验分析，充分论证说明了系统的可行性.

    1  系统建模

    1.1 系统的组成及工作原理

    图 1 为基于高速开关阀的转速控制系统. 图中液压缸活塞杆的位移可以改变斜盘倾角，从而改变二次元件的转速. 二次元件的转速及执行器活塞杆的位移通过传感器和 A/D转换反馈到计算机. 计算机将这些反馈值采样、比较后，得到控制信号，经放大器对脉冲信号幅值放大后，分别控制两个高速开关阀.高速开关阀采用 PWM方式工作，通过调节占空比控制高速开关阀的输出流量和压力，从而控制活塞杆的位移，最终控制二次元件的转速到目标值.图中Ps为恒压网络压力，一路驱动二次元件，另一路通过减压阀控制两个高速开关阀.PWM高速开关阀转速控制机构的主要组成部分是高速开关阀、阀控液压缸动力机构和二次元件，下面分别建立其数学模型.

    1.2 高速开关阀的特性分析

    高速开关阀是借助于控制电磁铁所产生的吸力，使得阀芯高速正、反向运动，从而实现液流在阀口处的交替通、断功能的电液控制元件.其采用脉冲流量控制方式，开关阀直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作，再出口输出一系列的脉冲流.在一个脉冲周期内，导通时间为 tp，脉宽周期为 T，占空比.当高速开关阀工作频率很高时，负载压力不会出现不稳定振荡情况[9- 10]

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    高速开关阀工作油口的平均流量为

    对其进行线性化，得

    q_L=n_qD+n_cP_L       . （2）

式中，C_d为高速开关阀的流量系数；AV为高速开关阀的阀口面积，m2；ps1为高速开关阀控制油口压力，Pa；PL为高速开关阀的工作油口压力，Pa；nq为高速开关阀的零位流量增益；nc为高速开关阀的流量 - 压力系数.