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电动液压负载传感采用成型机上的速度控制液压供应系统
Darko Lovrec＆Mitja Kastrevc和Samo Ulaga
收稿日期：2007年9月29日/接受日期：2008年4月29日/在线发布日期：2008年6月5日
#Springer-Verlag London Limited 2008
摘要：对于可变电液供应系统的工业应用，需要具有低能量损失，低噪声发射，高可靠性，易于维护以及便利的成本效益的高功率传输容量。只有使用可变供应系统和适当控制策略的体积控制液压能量的最新原则才能满足这些要求。本工作的目的是研究低速驱动概念的适用性，该概念使用速度控制感应电动机与负载感应控制策略中应用的恒定位移泵相结合。驱动概念的建议方法已经在驱动器的原型上进行了实验验证。考虑了用于汽车工业中的铸造产品的机械加工的液压制动器。
关键词：金属成型机，电液系统，负载感应，速控恒压泵，实验。
1介绍
减少驱动系统的能耗和噪音降低，以及成本效益是现代机械设计中越来越重要的因素。所有上述要求对于配备液压供应和驱动系统的机器尤其重要。
使用液压供应系统的工业应用需要在低能耗和高成本效益下的高功率传输能力。只有体积控制的液压能量（可变供应系统，例如，使用可变泵）的原理已被证明满足上述要求。在这方面，电液解决方案尤其可以利用现代电信号传输和控制器设计的所有优势。
原则上，这种可变供应系统可以液压或电动控制。恒速感应电动机与可变排量容积泵相结合是一种常用的解决方案，用于控制流量，或因此控制介质的压力。出于同样的目的，第二个概念代表恒定排量容积泵与可变转速电动机的组合的应用，由于其具有吸引力的价格，最近在实践中获得了重要性。与液压机械解决方案相比，这种系统提供了若干优点，例如经济地使用能量，用户友好的过程控制和易于维护。
特别地，电液变速恒速泵最近已成为一些基础研究工作的目标（参见例如[1-3]）和描述新控制原理的早期应用的工作（例如，用于塑料注塑机 [4,5]）。速度控制的泵驱动概念仍然是研究的一个有吸引力的主题[6-8]。
然而，在实践中，最先进的液压发电站通常配备有由液压机械控制装置控制的泵。这种情况的原因之一是使用传统驱动概念的习惯，尽管固定排量泵与可变泵的已知优点（简单设计，可靠性，低噪音，成本效益等）。通常提到的应用速度控制恒定泵的偏见是变频器和数字控制设备的额外成本。由于必要的电气设备价格下降，可靠性和用户友好性，这种责备无能为力。此外，它还提供重要功能，例如将控制器集成到转换器中，易于控制器参数化，易于监控等。操作变频器所需的数字设备和电子传感器也可用于显着改善系统动态 - 智能电液系统。数字控制设备可以将控制动态调整到电机极限，从而有助于最大化系统性能，并允许适应机器工作循环的实际负载条件 - 负载感应控制策略。
为了满足机械稳态和动态性能的高标准，设计人员（如果他们意识到所有上述优点）可以重新设计和更新现有的控制解决方案。在使用速度控制的恒定泵将驱动系统从液压机械系统重新设计到系统的同时，设计师经常会遇到一些问题，包括：速度控制常数的特性和比较优势或劣势是什么，特别是在动态特性方面和是否有可能用速度控制的恒定泵替换现有的由液压机械控制的变量泵驱动的液压供应系统，与变量泵的旋转斜盘相比，主要关注的是电动机旋转部件的高惯性。
为了回答上述问题，考虑了工业压弯机的情况，用于汽车工业中的铸造产品精加工。所讨论的液压折弯机的液压方案的一部分及其现有的液压机械控制的轴向柱塞泵需要更换，如图1所示。
本文的目的是研究速度控制感应电动机与在节能负载感应驱动概念中驱动的恒定排量泵的适用性，其中压力适应系统中的实际负载。建议的驱动概念在机器驱动器的原型上进行了实验验证。
为了实现这一目标，首先必须澄清当前状态，工作特性和机器参数，并确定工作阶段和机器的操作配置文件。然后通过使用速度控制的感应电动机和恒定泵在节能负载感应控制策略中应用的驱动器的等效原型来检查机器的操作过程。
2液压折弯的工作曲线
如文章中所述，建造了一个专门设计的试验台。
图3是为了检查速度控制的感应电动机与成形机或压力机领域中的恒定排量泵的组合的适用性。为了执行预期的任务，有必要在整个工作循环中建立机器的真实工作曲线及其压力特性。测量的压力曲线描述了现有液压供应系统和执行器的实际动态。选择了动态要求最高的加工的泵压力曲线。相关的压力曲线和相应的加工阶段如图2所示。
图2中显示了两个压力值，即气缸压力（pcyl）和泵压力（p1）。气缸压力提供有关工作进度和气缸上相应力的信息。泵压力曲线对于提供所需系统的动态性具有决定性作用。泵必须为机器的所有子系统供电，而不仅仅是由气缸驱动的工作工具。它必须对所有负载变化做出反应，例如转动，固定和弹出装置的活动。图2所示的泵压力曲线来自供应所有上述子系统活动。所提出的泵压曲线p1用作进一步研究的起点。
所获得的泵压力曲线已经简化，只是动态地在工作曲线中再现了最需要的压力变化。所有重要的时间参数和压力振幅都得到了保留：开始时间和压力变化结束（例如，切换额外负载的开/关），压力变化的持续时间，压力幅度等。只有动态不重要的阶段被忽略了。此外，应用了压力幅值的阶跃变化，代表了用于测试控制概念动态的最苛刻案例的动态。通过在负载感应控制概念中使用速度控制的恒定泵，产生了动态可比的压力曲线。简化剖面图如图3所示。
使用比例压力阀（图4）生成简化的压力曲线，使用Visual Designer软件控制。所有该过程的其他控制和调节功能也在同一环境中生成。Visual Designer是一种软件工具，可用作数据采集，控制和过程管理以及测试和状态监视领域的编程工具。 Visual Designer已用于生成参考压力曲线，泵压力和EM速度数据采集。根据采集的数据进一步计算泵的体积流量和消耗的EM功率。 Visual Designer也用于可视化结果。
3试验台设计
如图4所示，一个特殊的试验台设计用于真实模拟机器上的实际情况，考虑了现有动力装置的驱动能力。
这些部件的将用于建议的驱动概念的用于介绍试验台。选择市场上可用的低成本工业部件被有意用于
图1现有的液压机械控制泵
建造钻机。
现有的液压机械控制轴向柱塞泵由恒定内啮合齿轮泵（PGF3 31 / 032RE07VE4，Bosch-Rexroth）取代，由一台15千瓦的速度控制感应电机驱动，该电机将用于新的驱动概念。电动机由适当的变频器（Midimaster vector 6SE32，Siemens）驱动[12]。该泵提供等效长度和尺寸的液压管道系统（相当于液压容量和电感[9]），并且对应于现有的压弯机管道系统。
额外的减压阀可防止系统过载。其余测试台的组成部分是装载单元，压力传感器，以及控制和信号采集系统。装载单元由两个节流阀TV1和TV2组成，它们与比例压力阀一起使用，构成压力机的负载，液压缸。加载单元的组件可以实际模拟真实系统的工作负载。通过安装在节流阀TV2前面的方向阀模拟控制装置的干扰，例如打开/关闭附加执行器，从而几乎可以立即改变液压流量。在泵出口（p1）处和管道系统（p2）的末端施加两个额外的压力传感器，用于获取压力变化。控制恒压泵和变速电动机所需的所有装置（控制结构，控制器等的设定）集成到变频器中。使用个人计算机进行参考值，数据采集，监视和图形接口的设置。
4负载感应控制概念
液压能量控制有两个主要原则：通过使用阀门节流原理对发电机部件（泵）和电机部件（执行器）之间的流体流量进行节流，或者使用具有可调节扫气量的液压泵 - 原理容量控制。有利的高动态性，由于节流导致的大量能量损失以及因此差的运行效率是第一原理的特征。
图2工作循环中的压力曲线，带有工作阶段
图3简化的压力曲线
图4 试验台的结构
但对于体积控制原理，可以预期实质上更好的电力效率。
负载感测（LS）概念表示上述两种原理的有利特性的组合。在使用单个泵提供多个具有不同负载的独立阀控制执行器时，在负载感应概念中，调整供应压力以适应执行器的最高压力值。图5显示了不同供电原理的使用功率和浪费功率之间的比较。
当使用恒定泵（图5，左）时，压力释放阀上设置的压力p1必须始终设置为高于所施加负载的最高压力，同样泵的体积流量必须足够大，以供应所有执行器。当由于节流而导致的控制阀压力分别从p1减小到p2或p3时，会导致能量损失 - 与压力有关的损失。额外的损失取决于泵通常供应的力超过致动器所需的量。多余的液体通过减压阀排出。一些能量是由于节流转化为热流依赖的能量损失。它不仅导致更高的能耗，而且还需要安装更大的泵和更复杂的冷却设备。
如果使用变量泵，例如液压机械控制的轴向活塞泵。如在所讨论的成形机的情况下，可以调节流量，并因此减少（图5，中间）的能量损失。在其作为压力控制泵的功能中，该可变泵仅提供可用于所需恒定供应压力的量。
在负载感应系统中，供应压力是可变的。它会发生变化以适应最高的负载压力。它位于高于最高负载压力的值Delta;pLS处。当使用带变量泵的LS系统时，压力和流量相关的损失会减少（图5，右图）。在最负载的致动器p2处测量压力，同时根据增加一定Delta;pLS（实际泵控制压力为：p2 Delta;pLS）的压力来控制泵，以满足液压管路系统中的损失。在负载感应操作期间使用可变排量泵为多个阀控制执行器提供了最经济的能量供应类型。
LS（HMLS）的液压机械设计在移动液压领域已经有一段时间了解，作为具有高运行效率的驱动概念。 HMLS设计由于其主要的液压机械信号流而具有某些缺点，如在这种系统中所应用的那样。以下是液压系统设计的限制，不利的动态特性，振荡和不稳定的操作，以及有限的控制器选择，这些控制器通过引入负载传感是不容易避免的。
图5不同供应原则的使用和浪费功率的比较
通过使用具有电子执行的信号传输的电动液压设计可以解决该问题。电液负载感应（EHLS）通过使用控制工程措施提高了负载感应中阀控制执行器的动态性，这些措施可实现高动态信号传输，并在系统设计和减轻重量方面提供更多自由度。使用速度控制电动机和恒定泵实现EHLS系统,可变供应系统，如图6所示。需要电子压力传感器，电控阀和过程电子设备来创建电液负载感应系统。执行器通常由比例阀控制;因此需要在每个执行器上添加压力传感器。流量控制，因此压力以电液方式进行。电液控制（相对昂贵）的可变泵通常用于此目的。建议采用变速恒速泵的解决方案可实现更低的价格和稳健的设计。传感器信号处理，控制通过过程电子设备或计算机执行致动器和压力控制。对于具有更多阀控制执行器的HMLS，可以通过选择阀确定最高压力。对于每个执行器需要使用压力补偿器,它们通过控制阀提供恒定的压力水平。通过控制阀。以这种方式，具有较低负载的致动器的体积流量仅取决于阀芯位移而不取决于当前的负载压力。它可以保持恒定流量和恒定速度[10]。
在EHLS的情况下，整个控制以电子方式实现，因此，一些传统的液压元件是冗余的，因为它们的功能可以通过现有的阀门或信号校正来执行。
压力传感器收集压力信号并通向控制电子设备。它执行合适的控制策略，并在我们的情况下将控制信号发送到变频器和不同执行器的阀门。如前所述，在同时操作的情况下，必须区分负载最大和其他负载较小的致动器。在LS概念的情况下，泵的控制总是先于最大负载执行器的压力。控制最负载执行器的阀门上的压降由可变转速电机和恒定泵控制到一定值Delta;pLS（根据实际经验和文献[4]Delta;pLS= 20 bar的典型值，这足以覆盖回路和应用比例阀的损耗。
用于最大负载执行器和相关信号流的控制系统的简化液压方案如图7所示。所需值是系统压力（泵压力）p1，入口侧负载的执行器压力和控制信号J ，（根据执行器的速度要求）转发到相应的控制阀。该过程的控制值是变频器UP的控制电压和致动器UV的控制阀的电压。
图6电液LS系统（EHLS系统）
图7 EHLS控制系统和信号流的液压方案
系统压力p1和执行器压力pload之间的压力差异表示由于负载Delta;pLS引起的当前压力差：
p1- pload =Delta;pLS ne;konst
作为压力控制器的输入值的控制误差eDelta;pLS由给定的参考值Delta;pLS，ref定义。在我们的例子中，集成在变频器中的控制器用于控制压力，整个控制结构根据应用的变速电动机和恒定泵控制概念设计。
5恒泵控制概念的特点
当恒压泵和速度控制感应电机用于压力（或流量和功率）控制时，有两个主动控制回路：感应电机的速度控制回路作为辅助（内部）控制回路，和压力控制作为主要控制回路。这种解决方案被称为“级联控制”[11]。
在级联控制的情况下，监测两个变量，压力p和电动机转速n。测量和控制两个值在恒定泵的情况下的压力控制图如图8所示。
在级联控制的情况下，应特别注意选择适当类型的控制器（参见例如[11]）。重要的是要确保所选的辅助控制器提供足够的控制回路动态，在整个预期的工作范围内必须尽可能快速和稳定。因此，使用P控制器，提供无延迟的比例动态。主控制器必须允许最佳的压力控制行为。在所考虑的情况下，在次级回路中使用P控制器，在主控制回路中使用PID控制器。当应用辅助和主要控制器时，可以预期更合适的动态行为。辅助控制器的应用允许在次
资料编号：[4151]
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