專利名稱：：用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明公開了一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，屬于液壓動力控制裝置，可廣泛應用于對各種對力、位移、速度有高精度控制要求的
技術領域：
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背景技術：
：眾所周知，液壓動力源已廣泛應用于各個領域，主要是采用普通電機帶動普通定量泵往工作缸里輸油，通過調節(jié)閥(流量閥)或溢流閥(壓力閥)來調節(jié)動力裝置的輸出壓力和動作速度，優(yōu)點是維護單易，所以到現(xiàn)在還有大量的液壓動力源采用此方法，缺點是油泵始終在大流量出油導致液壓油溫升過高，從而導致液壓系統(tǒng)必須采用冷卻設備才能連續(xù)運行。后來隨著油泵工藝的進步出現(xiàn)了變量泵，在前述的液壓系統(tǒng)的基礎上，去掉定量泵和調節(jié)閥，采用變量泵，通過調節(jié)變量泵的流量達到調整液壓裝置的動作速度，但此方法調節(jié)范圍受變量泵的調節(jié)范圍太小且流量調節(jié)精度不高，所以只有在流量調節(jié)要求不高的情況下使用。鑒于以上情況，又出現(xiàn)了以變量泵為基礎采用流量閉環(huán)控制方法來擴大調節(jié)范圍，但效果不大?，F(xiàn)有的比較先進和精密的液壓動力源一般采用電液比例閥或伺服闔等閥組合的控制系統(tǒng)，采用計算機控制，其控制效果和精度比變量泵要高。但是，比例閥或伺服閥等的加工精度和對液壓油介質的要求都比較高，液壓動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)發(fā)熱量大。上述最本質的一點，無論是調節(jié)閥控制系統(tǒng)、變量泵控制系統(tǒng)、電液比例閥、伺服閥等控制系統(tǒng)的液壓動力裝置中，不論其控制輸出的動力執(zhí)行機構工作與否，電機及液壓動力裝置始終處于工作狀態(tài)，能源消耗大?；谏鲜鲈?，申請人于2007年4月開始提出了申請?zhí)枮?00710068074.9的一種用伺服電機控制的液壓動力系統(tǒng)的發(fā)明專利申請，并將該項專利申請應用于注塑機、壓力機、材料試驗機等領域，其較原有的液壓動力源，具有節(jié)能、低成本等優(yōu)勢，已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。2007年10月申請人將該項專利應用于500kN、0.03級疊加式力標準機的研制，該機是一種高精度的測力機，測力范圍20-500kN，在測力范圍內(nèi)要求力值誤差《0.03%，力值波動度《0.03%;對液壓動力源的要求為系統(tǒng)壓力20MPa，在0.8-20MPa范圍內(nèi)力源波動度《0.01%(《0.00008MPa),第一次試機時發(fā)現(xiàn)以下情況(具體見表l所示)1、低力值保載時力值波動較大，此時伺服電機波動范圍也較大，隨著力值增加，波動縮小；2、力值過沖較大力值時，加載到達目標力值時會過沖一定的力值，經(jīng)一定時間的波動后趨于相對穩(wěn)定。表1單伺服電機控制單油泵50次試驗后的平均值油泵<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，當伺服電機轉速(油泵轉速)很低時，力值波動大，隨著轉速提高，趨于穩(wěn)定。為了使低力值的測力點時何服電機能在較高的轉速范圍內(nèi)運行，我們曾采用過擴大油缸和活塞的間隙，通過增加滲漏量的辦法試圖在低力值時能提高伺服電機的轉速，試驗時在低力值時取得了較好的效果，但力值較高時，滲漏量劇增，導致在伺服電機(油泵轉速)在最大時尚不能達到目標力值。經(jīng)過反復的試驗、分析，我們發(fā)現(xiàn)主要是以下因素導致控制精度不夠1、執(zhí)行機構在實際應用中的油缸、液壓馬達等都存在不同程度的滲漏，而且這種滲漏是不確定的，滲漏的大小隨著系統(tǒng)壓力、溫度的高低產(chǎn)生很大的變化，而且是非線性的。2、油泵特性任何油泵都有一個工作區(qū)域，低于此工作區(qū)油泵的輸出量非線性加大，且油泵的脈動會變得很大。這將導致液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定。3、伺服電機目前國內(nèi)外生產(chǎn)的伺服電機在很低轉速運行時的平穩(wěn)性還存在一定的局限性。在較高轉速時則非常平穩(wěn)。
發(fā)明內(nèi)容基于申請?zhí)枮?00710068074.9的在先申請所存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于通過對上述申請進一步改進，提供一種靈活性和控制精度更高，且效率高、成本低的用調速電機直接驅動油泵的液壓動力源。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采取的技術方案如下，一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，包括執(zhí)行機構、換向閥、油箱、伺服驅動單元、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、反饋單元，換向閥與執(zhí)行機構相連，伺服驅動單元與換向閥相連，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)與伺服驅動單元相連，反饋單元與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)相連，執(zhí)行機構與反饋單元相連，其特征在于伺服驅動單元設置有兩組，并聯(lián)聯(lián)接于換向閥上，一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構的進油，另一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構的出油。本發(fā)明采用兩組伺服驅動單元，一組負責控制執(zhí)行機構進油的伺服驅動單元由油泵、調速電機、電機驅動器組成，油泵進油口與油箱相連，油泵出油口與換向閥的進油口相連，調速電機與油泵相連，電機驅動器與調速電機相連，電機驅動器與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)相連；一組負責控制執(zhí)行機構出油的伺服驅動單元由油泵、調速電機、電機驅動器,的，油泵進油口與換向閥的進油口相連，油泵的出油口與油箱相連，調速電機與油泵相連，電機驅動器與調速電機相連，電機驅動器與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)相連。本發(fā)明的進一步的設置如下執(zhí)行機構優(yōu)選為油缸或液壓馬達；調速電機為伺服電機、變頻電機、步進電機等可以通過電機驅動器來調節(jié)轉速的電機。電機驅動器為伺服電機驅動器、變頻器、步進電機控制器等可以用來調節(jié)電機轉速的驅動器。數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)優(yōu)選為計算機或單片機；反饋單元選自位移測量裝置、力測量裝置的至少一種，單獨用位移測量裝置為高精度位移控制，單獨用力測量裝置為高精度力控制，本實施例中，同時采用位移測量裝置、力測量裝置，為高精度位移、力復合控制。本發(fā)明具有如下有益效果1、本發(fā)明根據(jù)執(zhí)行機構控制目標要求，動態(tài)調節(jié)調速電機的轉速、轉矩，不浪費電機功率，節(jié)能效果顯著；2、由于采用二個油泵來控制執(zhí)行機構，一個進油，一個回油，通過動態(tài)調二個油泵的轉速差可實現(xiàn)對執(zhí)行機構的力、位移的高精度控制；3、本發(fā)明結構簡單，生產(chǎn)成本低，適用范圍廣，易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)制造。以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。圖l本發(fā)明的結構示意圖。具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，包括執(zhí)行機構1，執(zhí)行機構1可根據(jù)需要采用油缸或液壓馬達，換向闊2的出油口與執(zhí)行機構1相連，換向閥2的回油口與油箱6相連，油泵3-l的進油口與油箱6相連，油泵3-l的出油口與換向閥2的進油口相連，調速電機4-l與油泵3-l相連，電機驅動器5-l與調速電機4-l相連；油泵3-2的進油口與換向閥2的進油口相連，油泵3-2的出油口與油箱6相連，調速電機4-2與油泵3-2相連，電機驅動器5-2與調速電機4-2相連，油泵3-l、調速電機4-1、電機驅動器5-1、油箱6組成的伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構1的進油，油泵3-2、調速電機4-2、電機驅動器5-2、油箱6組成的伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構l的出油。電機驅動器5-l、電機驅動器5-2分別與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7相連，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7可選擇采用計算機或單片機，反饋單元8—端與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7相連，另一端與執(zhí)行機構1相連，反饋單元8可根據(jù)需要選擇采用位移測量裝置8-1、力測量裝置8-2，位移測量裝置8-1、力測量裝置8-2可同時采用或單獨采用，單獨用位移測量裝置8-1為高精度位移控制，單獨用力測量裝置8-2為高精度力控制，本實施例中，同時采用位移測量裝置8-l、力測量裝置8-2，為高精度位移、力復合控制。工作時，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7根據(jù)執(zhí)行機構1的目標和位移測量裝置8-1、力測量裝置8-2的實際信號，通過運算，向電機驅動器5-1、電機驅動器5-2發(fā)送速度、轉矩指令，電機驅動器5-1通過調速電機4-1控制油泵3-1的轉速、轉矩，通過換向閥2對執(zhí)行機構1進油，電機驅動器5-2通過調速電機4-2控制油泵3-2的轉速、轉矩,通過換向閥對執(zhí)行機構1回油；油泵3-1與油泵3-2的轉速差決定執(zhí)行機構1的進退、壓力、速度。執(zhí)行機構1通過連接在其上的位移測量裝置8-l、力測量裝置8-2實時向數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7發(fā)送信號，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)7實時通過運算向電機驅動器5-1電機驅動器5-2發(fā)送速度、轉矩指令，如此完成一個閉環(huán)控制，執(zhí)行實際工作的本發(fā)明的控制原理如下在理想狀態(tài)下調速電機直接驅動油泵，調速電機的轉速、轉矩，與執(zhí)行機構所需的壓力、流量，通過推導符合以下關系Q=nXq由式(l)、(2)可得pXnXq由于Tr丄將式(3)代入式(4)得2;r(1)(2)(3)(4)(5)式中/^系統(tǒng)功率(W)p—系統(tǒng)壓力(Pa)Q"流量(mVs)Tw"轉矩(N-m)n—電機轉速(r/s)q—油泵排量(m7r)根據(jù)TW=^XP，在理想的一套系統(tǒng)中^為常數(shù)，所以調速電機的轉矩與系統(tǒng)所需的壓力成正比。根據(jù)Q^nXq，可知調速電機的轉速與系統(tǒng)的所需流量成正比。由此推導出只要動態(tài)地調整調速電機的轉矩、轉速，就能提供執(zhí)行機構所需的壓力、流量。這就是本控制系統(tǒng)的基本原理。本發(fā)明在實際中應用及對比效果分析根據(jù)前述的試驗分析和理論，本發(fā)明在實際應用中采用兩個伺服電機分別控制兩個油泵、兩個油泵分別控制油缸的進回油，通過兩個油泵的轉速差決定油缸壓力的增減。采用該方案可解決以下問題1、任何油泵都有一個工作區(qū)域，低于此工作區(qū)油泵的輸出量非線性加大，且油泵的脈動會變得很大。這將導致液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這是油泵的結構所決定的。在前述的500kN、0.03級疊加式力標準機中，iHH采用的為內(nèi)嚙合齒輪泵，排量為lml/r,齒輪泵內(nèi)為100齒，這樣在理想狀態(tài)下，一個齒輪泵的最小出油分度值為lml/100=0.01ml;根據(jù)表一數(shù)據(jù)，在20kN測力點，平均轉速為3.lr/min，也就是油缸對油泵的供油要求為1ml/r*3.1r/min二3.1ml/min而我們采用的控制速度為100HZ(每秒鐘調整100次)，即60*100=6000次/min，這就要求流量的最小分度為3.1/6000=0.00052ml，顯然，用一個油泵很難滿足這種高精度的控制要求。為此我們采用兩個伺服電機分別控制兩個油泵、兩個油泵分別控制油缸的進回油，兩個油泵的轉速差乘以油泵的排量等于油泵對油缸的供油量，我們在控制上將回油的油泵轉速定為300r/min，這樣在20kN測力點進油油泵的轉速理論上為303.1r/min，這時雖然兩個油泵對油缸的供油量還是3.1ml/min，但在這種狀態(tài)下油泵的轉速為300r/min,兩個油泵流量迭加后的最小分度為3.1/100/300=0.00001ml，這樣就完全能滿足流量的最小分度0.00052ml的要求。2、由于兩個伺服電機在300r/min左右速度運行，可以非常平3、由于有一個油泵在控制回油，油缸在采取用密封圈等方法處理后，其滲漏遠遠小于油泵回油的速度，而且這種滲漏可以通過油泵回油速度的降底來解決，這樣就相當于制造了一個滲漏相對恒定的環(huán)境o綜上，采用兩個伺服電機分別控制兩個油泵、兩個油泵分別控制油缸的進回油可以解決:(l)根據(jù)控制要求將液壓動力源的流量細分，提高分辨率；(2)使伺服電機、油泵在理想的工作區(qū)域內(nèi)運行；(3)將油缸不確定的滲漏控制成相對恒定的滲漏。采用該方案后重新試驗，取得了超過預期的效果(詳見表2)。表2為雙伺服電機控制雙油泵50次試驗后的平均值測力點(kN)力值波動范圍(kN)進油伺服電機轉速(r/鵬in)回油伺服電機轉速(r/鵬in)兩伺服電機轉縫(r/rain)力值過沖量(kM)力值穩(wěn)定時間(s)2019.999"20.000301.52993.5075049.999-50.000304.22959.20610099.999-100.000310.129020.106200199.999-200.004321.428041.406300299-998-300-000335.327065.305500499.998-500.000358.2250108-20權利要求1、一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，包括執(zhí)行機構(1)、換向閥(2)、伺服驅動單元、油箱(6)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(7)、反饋單元(8)，換向閥(2)與執(zhí)行機構(1)相連，伺服驅動單元與換向閥(2)相連，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(7)與伺服驅動單元相連，反饋單元(8)與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(7)相連，執(zhí)行機構(1)與反饋單元(8)相連，其特征在于伺服驅動單元設置有兩組，并聯(lián)聯(lián)接于換向閥(2)上，一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構(1)的進油，另一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構(1)的出油。2、如權利要求1所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于所述兩組伺服驅動單元中，負責控制執(zhí)行機構(1)進油的一組伺服驅動單元由油泵(3-1)、調速電機(4-1)、電機驅動器(5-1)組成，油泵(3-1)的進油口與油箱(6)相連，油泵(3-1)的出油口與換向閥(2)的進油口相連，調速電機(4-1)與油泵(3-1)相連，電機驅動器(5-1)與調速電機(4-1)相連；負責控制執(zhí)行機構(1)出油的一組伺服驅動單元由油泵(3-2)、調速電機(4-2)、電機驅動器(5-2)、油箱(6)組成，油泵(3-2)的進油口與換向閥(2)的進油口相連，油泵(3-2)的出油口與油箱(6)相連，調速電機(4-2)與油泵(3-2)相連，電機驅動器(5-2)與調速電機(4-2)相連，電機驅動器(5-1)、電機驅動器(5工2)分別與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(7)相連。3、如權利要求1或2所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于執(zhí)行機構(1)為油缸或液壓馬達。4、如權利要求1或2所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于調速電機(4-1)選自伺服電機、變頻電機、步進電機的任意一種。5、如權利要求1或2所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于調速電機(4-2)選自伺服電機、變頻電機、步進電機的任意一種。6、如權利要求1或2所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于電機驅動器(5-1)選自伺服電機驅動器、變頻器、步進電機控制器的任意一種。7、如權利要求1或2所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于電機驅動器(5-2)選自伺服電機驅動器、變頻器、步進電機控制器的任意一種。8、如權利要求1所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(7)為計算機或單片機。9、如權利要求1所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于反饋單元(8)為位移測量裝置(8-1)、力測量裝置(8-2)的至少一種。10、如權利要求9所述的一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，其特征在于:反饋單元(8)同時采用位移測量裝置(8-l)、力測量裝置(8-2)。全文摘要本發(fā)明公開了一種用調速電機直接驅動油泵的高精度液壓動力源，屬于液壓動力裝置
技術領域：
，包括執(zhí)行機構、換向閥、油箱、伺服驅動單元、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、反饋單元，換向閥與執(zhí)行機構相連，伺服驅動單元與換向閥相連，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)與伺服驅動單元相連，反饋單元與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)相連，執(zhí)行機構與反饋單元相連，伺服驅動單元設置有兩組，并聯(lián)聯(lián)接于換向閥上，一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構的進油，另一組伺服驅動單元負責控制執(zhí)行機構的出油。本發(fā)明具有節(jié)能、控制精度高的優(yōu)點。文檔編號F15B9/00GK101392769SQ20081012169公開日2009年3月25日申請日期2008年10月17日優(yōu)先權日2008年10月17日發(fā)明者勝劉,李招海,李海根申請人:紹興市肯特機械電子有限公司