全数字液压驱动单元设计与仿真

　　将传统液压系统的电动机、液压泵、油箱、液压阀组、油缸/油马达、检测元件和控制器集成于一体后得到的封闭式液压系统,最早源于飞机电传系统PBW中 的电动静液压作动器(EHA)的研究。由于取消了传统意义上的油箱,整个集成系统的体积小并质轻高效,是近年来液压领域重要的发展方向之一,在航空、车 辆、阀门控制等方面具有广阔的应用前景[1]。封闭式液压系统的调速方式主要有节流调速和容积调速两种模式。同节流调速相比,传统容积调速的主要特点是: 系统效率高,但变量机构复杂、响应速度慢、油泵工作噪声大。没有阀参与控制时,按照控制方式的不同可将容积调速系统分为以下3种形式:定排量变转速型、变 排量定转速型和变排量变转速型[2-3]。无阀容积控制系统较传统的阀控系统效率高,但其液压固有频率只有阀控系统的1/2,因此其动特性较阀控系统差, 为了使封闭式系统既能够兼顾系统效率和响应快速性,又不会导致系统结构和控制复杂度的大幅度增加,考虑到降低成本的需要,在典型容积控制系统的基础上,作 者提出了一种变频器+交流电机+定量泵+开关阀+蓄能器的全数字液压驱动单元设计方案。此方案中电机单向旋转,回避了电机换向或泵换向的非灵敏区及大惯 量,相对于双向旋转电机提高了系统的频宽;通过适当牺牲系统的效率来达到提高系统频响的目的。这样既可以满足系统高工况时的频响要求,又可以在低工况时具 有很高的效率。

　　1　系统结构与工作原理

　　封闭式全数字液压驱动单元的工作原理如图1所示。通过改变变频器驱动的交流电机1的转速,可以控制定量泵2产生的流量输出,进而实现单出杆油缸8位置和速 度的控制。高速工况下,高速开关阀4和5用作普通换向阀,阀口全开,系统通过泵控方式实现调速;由于泵的最低转速的限制,在低速工况下,泵2维持产生额定 压力的最低转速,通过PWM信号13和14控制高速开关阀,实现阀控。一般情况下,可根据实际应用的需要选择泵控、阀控或泵阀联合控制工作方式。在系统中 设置了补油和蓄能用的蓄能器9,通过蓄能器进出的油量大小由液控单向阀10和11控制。整个系统中变频器、高速开关阀的控制由控制器15根据位移传感器的 检测数据结合控制器15中的控制算法实现。

　　2　流量平衡策略及器件选择

　　2·1　流量平衡策略

　　考虑到安装空间的限制,驱动单元中的液压缸采用单出杆差动缸,有关参数如图2所示。由于差动缸的非对称性,在活塞杆伸出和缩回时,进出油缸的液压油的流量不一致,具体情况如下:

　　(1)活塞杆伸出时