直驱式容积控制电液伺服系统动态性能研究

　　1 引言

　　直驱式容积控制电液伺服系统具有伺服电动机控制的灵活性和液压大出力的双重优点,凭借其可靠性高、节能高效、操作与控制简单、小型集成化及环保等优势已经在多个领域中得到应用并取得了很高的经济效益[1、2],但这类系统的动态性能不高限制了其更广泛的应用。因此,对直驱式容积控制电液伺服系统动态性能进行研究具有重要意义。本文在建立直驱式容积控制电液伺服系统数学模型的基础上,通过大量的计算机仿真与试验研究,对系统动态性能进行分析并提出提高系统动态性能的措施。

　　2 直驱式容积控制电液伺服系统的组成原理及特点

　　如图1所示,直驱式容积控制电液伺服系统主要由3部分组成:计算机控制部分、电动机伺服调速部分及液压动力机构。计算机控制部分对位移传感器的采集信号进行信号处理,由系统主控制器比较处理后,经D/A数模转换为电压信号输出到伺服控制器,驱动伺服电动机控制液压动力机构,从而控制负载。通过改变伺服电动机的正反转、运动速度和运转时间控制液压执行机构的正反向、运动速度和位置,这样可以充分地发挥伺服电动机的优势,在系统中不采用电液伺服阀。因此这类系统抗污能力强,可靠性高,寿命长,节能高效,调速范围宽,可以实现高度集成化[3、4]。但是这类系统的动态性能不高,虽然在小幅值伺服控制时,频率可略高[5],但也只能应用于对系统动态特性要求不高的场合。所以有必要研究这类系统的动态性能。

　　3 直驱式容积控制电液伺服系统的数学建模

　　对电动机调速部分和液压动力机构分别分析列方程,结果见方程组(1)和方程组(2)。

　　方程组(1):

　　将上述方程进行拉式变换后,可得到直驱式容积控制电液伺服系统的方块图,简化后如图2所示(假设负载弹簧刚度为零,系统为单元反馈)。

　　上述各符号含义:Ks为系统控制器传递函数;KPIKu为电动机伺服调速部分控制器参数;Kt为电动机转矩增益,Kt=Tfd/Ifd;Ld为电动机定子电感,H;Rd为电动机定子电阻,8;Td为电动机电磁转矩,N.m;J1为折算到电动机转子轴上的转动惯量,主要是电动机与液压泵的转动惯量,即J1=Jd+Jp,kg.m²;D为黏滞摩擦系数,N/(rad/s);Ke为反电动势系数,V/(rad/s);Kw为电动机转速增益,(rad/s)/V;Dp为定量泵的排量,m³/rad;Ctc为液压动力机构总的泄漏系数,Ctc=Cic+015Cec,Cic、Cec为总的内泄漏、外泄漏系数,(m³/s)/Pa;Be为液压油液的有效体积弹性模量,N/m²;V0为液压传动机构单腔体积(包括控制管道),m³;Z为液压执行机构(液压缸或液压马达)的参数,对应液压缸有效作用面积A0或液压马达排量Dm,m²或m³/rad;M为液压执行机构及负载的总质量m或转动惯量J2,kg或kg.m²;Bc为负载阻尼系数,N/(m/s)或N/(rad/s);T为外负载,对应作用力F或作用力矩TL,N或N.m;X为液压执行机构输出位移,对应线位移Y或角位移,m或^o。系统对输入位置信号的开环传递函数为: