径向柱塞变量泵电液恒功率控制的仿真研究

　　1 引言

　　当今人们对于节能极为重视,希望最大限度地提高原动机的效率,恒功率控制的研究就受到关注。数字控制技术在液压技术领域中的渗入,使得液压控制系统性能得以提高,结构更为简单,调节更为灵活。本文提出了一种电液径向柱塞变量泵恒功率控制方案并用MATLAB语言进行仿真研究,为设计和实验提供理论指导。

　　2 结构原理

　　恒功率控制是使泵的总输出功率具有与负载无关维持恒定的性质,即液压功率N为压力p与流量Q之积为恒值。本文所述数字阀控径向柱塞变量泵的恒功率控制原理如图1所示。

　　系统采用流量和压力直接检测--电反馈方式,由电控器将从系统采样的压力值p与设定的功率值N作除法运算,得到期望的流量值Qr=N/p,而后将Qr与采样的实际流量值Q作比较,得到偏差$Q,偏差的正负号决定变量机构的运动方向,偏差的大小决定变量机构运动的大小。由于变量机构为一阀控缸的位置随动机构,阀芯的位移量等于变量泵的偏心改变量,由流量公式QL=2AZnx (式中符号意义为:QL为泵流量的改变量;A为泵柱塞横截面积;Z是泵柱塞个数;n是泵的转速;x为泵偏心改变量)可知,泵的理论流量改变量QL与阀芯的位移量x成线性关系,在不考虑泵的容积效率情况下QL=Q,故可由Q经电控器运算得到与其成线性关系的输出x,该信号传给以步进电机为电机转换器的增量式数字阀,就可将阀芯的位移量与泵的流量一一对应,从而实现根据负载的变化而自动调整泵的流量Q,使得N=pQ为恒值。

　　3 数学模型与仿真

　　在工程实践中,工况的变化频率都较低,故电机转换部分的动态可以简化为比例环节,影响系统动态的主要环节在于伺服变量机构,它为大系统下的一个子系统。对该子系统运用功率键合图进行建模,图2a为该子系统原理图,图2b为其功率键合图。

　　图2b中半箭头线表示功率键,半箭头方向表示功率流向,线上分别标有功率的两个变量即力变量和流变量。0结点表示流变量汇集点,1结点表示力变量汇集点,TF为转换器表示能量的转换关系,此外有3种对动态特性起影响作用的元,即:阻尼元R,惯性元I和容性元C。

　　由于在键合图的诸元中只有惯性元和容性元各自的两个变量之间才有微积分关系,故取I元和C元上的自变量的积分为状态变量,即自变量的积分Hm,Vc1,Y,Xc为状态变量,其含义为:Hm为变量机构动量;Vcl为因油液压缩而引起的控制腔油液容量的变化;Y为变量机构的位移量;Xc为动压反馈装置中活塞的位移量。

　　由键合图可推导出子系统的状态变量方程如下: