变频液压调速系统的一种磁场定向解耦控制方法

　　在液压调速技术领域,节流调速、容积调速以及其派生的各种调速回路占据主导地位。随着环境意识日益加强和流体传动机械竞争日趋激烈,能源消耗量和环境污染程度已经成为评价设备性能的重要标准[1, 2]。然而,传统的液压控制技术同这种/绿色环保型设备0概念的矛盾日益突出,采用“变速泵”[3.6]可有效控制液压定量泵的流量。“变速泵”基于容积调速的原理,通过改变电动机的转速改变液压定量泵的流量。目前,大量使用的电液伺服系统,普遍采用交流电动机作为原动机。根据“变速泵”的调速原理,如何有效地控制交流电动机成为推广该技术的关键。由于交流电动机的数学模型是一个多变量输入多变量输出的高阶强耦合非线性方程[7],将交流电动机调速系统成功应用于液压控制系统的实例较少。文献[8]中介绍了变频液压遗传PID控制算法,经过多次学习之后,系统能很好地跟踪输入,但系统的调整时间过长,动态特性较差。近年来,随着高性能数字处理器的出现,交流电动机磁场定向解耦控制方法获得了飞速发展。磁场定向解耦控制方法通过一系列的坐标转换,将交流电动机的数学模型等效成为直流电动机模型,从而获得和直流电动机一样的调速性能。在此,作者将交流电动机磁场定向解耦控制方法应用于变频液压调速系统,以改善变频液压调速系统的动态特性。

　　1 变频液压调速系统的构成原理

　　本系统采用典型的泵控马达闭式回路,系统原理图如图1所示。双向液压变量泵1( Parker公司PV015R1K8S1NP)和液压变量马达6 (力士乐A2FM1061WPBB010)组成闭式回路(本系统中液压变量泵和液压变量马达不改变排量,且工作在最大排量位置);电磁换向阀3和5与比例溢流阀4构成系统的加载回路,改变比例溢流阀的模拟电压信号能够改变执行马达的负载;安全阀2防止系统发生意外和系统压力过高;齿轮泵8和溢流阀7为闭式回路低压侧补油。交流电动机磁场定向解耦控制需要检测电机定子侧的电流、转子的位置和电机转速。当三相交流电动机接成星型(Y),三相电流中有一相电流不独立,只需测量其中的二相电流Ia和Ib,则另一相电流Ic=-(Ia+Ib);转子的位置由交流电机内置光电编码器来检测;转速的反馈信号直接取自液压马达的转速。将检测信号分别送至AT89C51和TMS320F240处理器,通过数学运算处理, TMS320F240的比较捕捉功能产生空间矢量PWM波形,控制智能功率模块PM25RSB120的通与断,电源驱动模块6RI100G-120/160输出二相直流电为功率驱动模块供电,至此智能功率模块输出电压和频率可控的三相交流电压,获得对交流电动机的转速控制。根据液压泵的理论流量公式Q=Dp.np,改变泵的转速np也就改变了泵的输出流量,从而控制了马达的转速。这种控制系统由于引入液压马达转速负反馈,抑制了负载扰动液压系统泄漏和交流电动机转速降落对液压马达转速的影响。