本發(fā)明涉及液壓傳動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及一種雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

液壓伺服系統(tǒng)具有單位功率質(zhì)量比大、控制精度和性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械、冶金和機(jī)床等領(lǐng)域。液壓伺服系統(tǒng)有兩種基本控制類型：閥控式和泵控式，閥控式采用伺服閥或比例閥控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但存在節(jié)流及溢流損失，且因采用恒壓供油，系統(tǒng)效率低，適用于對(duì)快速性要求較高的中小功率場(chǎng)合；泵控式主要通過三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵或變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的方式來調(diào)節(jié)液壓泵的輸出流量，因沒有溢流和節(jié)流損失，且系統(tǒng)壓力隨負(fù)載而變化，所以系統(tǒng)效率高。但因變量泵變量機(jī)構(gòu)慣量較大，或因電機(jī)變速響應(yīng)過慢及過載能力受限，泵控系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題，適用于大功率、對(duì)快速性要求不高的場(chǎng)合。

雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)將閥控與泵控技術(shù)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可兼顧效率與響應(yīng)，適合于大功率且對(duì)快速性要求較高的場(chǎng)合，是大功率液壓控制技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)中，泵源系統(tǒng)與伺服作動(dòng)系統(tǒng)兩者之間的關(guān)聯(lián)性要求不高，可分別配置；但在雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)中兩者關(guān)系十分緊密，但目前雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件的選型還是沿用傳統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，這就造成了雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)配置的不合理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件參數(shù)優(yōu)化方法，以在滿足系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)小型化。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件參數(shù)優(yōu)化方法，本發(fā)明中所述的雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)，由永磁同步電機(jī)、單向定量泵、蓄能器、伺服閥和雙向?qū)ΨQ液壓缸組成。其中，壓力控制回路由永磁同步電機(jī)、單向定量泵和蓄能器組成，壓力控制回路把伺服閥前壓力作為控制量，當(dāng)伺服閥前壓力低于設(shè)定值時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，補(bǔ)充閥前壓力；當(dāng)伺服閥前壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，以滿足負(fù)載的流量需求。位置控制回路由伺服閥和雙向?qū)ΨQ液壓缸組成，位置控制回路通過比較設(shè)定值與輸出反饋值的大小，通過調(diào)節(jié)伺服閥的開口量來調(diào)節(jié)流量大小。

一種雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件參數(shù)優(yōu)化方法包括如下步驟：

1)確定雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)工作高效率區(qū)間；

2)根據(jù)負(fù)載壓力和步驟1)確定的工作高效率區(qū)間，確定壓力控制回路輸出壓力；

3)根據(jù)步驟2)確定的壓力控制回路輸出壓力和液壓伺服系統(tǒng)所要求的位移，確定雙向?qū)ΨQ液壓缸活塞面積和活塞桿伸出長(zhǎng)度；

4)根據(jù)步驟3)中計(jì)算結(jié)果，參考活塞桿直徑及活塞直徑尺寸系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定雙向?qū)ΨQ液壓缸尺寸；

5)根據(jù)負(fù)載運(yùn)動(dòng)最大速度和步驟2)、步驟4)中計(jì)算結(jié)果，確定雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)中蓄能器、液壓泵電機(jī)參數(shù)。

步驟1)所述的雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)工作高效率區(qū)間為：

P_L＝(1-K)P₁ ①

式中，P_L為負(fù)載壓力；P₁為壓力控制回路輸出壓力；K取值范圍為0.177～0.223。

進(jìn)一步地，雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)工作最優(yōu)效率點(diǎn)為：

P_L＝0.8P₁ ②

進(jìn)一步地，雙向?qū)ΨQ液壓缸活塞面積計(jì)算公式為：

式中，A為液壓缸活塞面積；F_fmax為最大慣性負(fù)載力。

進(jìn)一步地，蓄能器參數(shù)中有效體積計(jì)算公式為：

式中，ΔV為蓄能器有效容積；β為液壓油壓縮系數(shù)；Q_n為位置控制回路額定需求流量；為壓力梯度。

進(jìn)一步地，液壓泵電機(jī)為永磁同步電機(jī)。

進(jìn)一步地，永磁同步電機(jī)參數(shù)中過載系數(shù)計(jì)算公式為：

T_acc＝T_Lk_ov ⑤

式中，T_acc為電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度轉(zhuǎn)矩；T_L為泵的轉(zhuǎn)矩；k_ov為電機(jī)過載系數(shù)；w_max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t₂為設(shè)定壓力上升到壓力波動(dòng)最大值的響應(yīng)時(shí)間；J_M為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

附圖說明

圖1是雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)原理圖。

圖2是本發(fā)明雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)效率與K關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

一種雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)元件參數(shù)優(yōu)化方法具體實(shí)施方式，包括下列步驟：

1確定雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)工作高效率區(qū)間

1.1恒負(fù)載功率下位置控制回路分析

雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)的流量適應(yīng)于負(fù)載的流量需求，系統(tǒng)效率取決于伺服閥前壓力與負(fù)載壓力的比值，在本發(fā)明中提高負(fù)載壓力值以提高系統(tǒng)的效率。

在負(fù)載不變的情況下，采用傳統(tǒng)負(fù)載壓力設(shè)計(jì)方法P_L1＝2P₁/3，所選伺服閥負(fù)載流量為：

$Q_{f1}=C_d{w}_1{x}_{v1}\sqrt{\frac{P_1}{3\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

式中，P_L為負(fù)載壓力；P₁為壓力控制回路輸出壓力；C_d為伺服閥流量系數(shù)；w為伺服閥面積梯度；x_v為電液伺服閥閥芯位移；ρ為液壓油密度；P_L1、w₁和x_v1中的下標(biāo)1表示為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)的參數(shù)。

提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后P_L2＝(1-K_s)P₁(0＜K_s＜1/3)，此時(shí)所選伺服閥負(fù)載流量為：

$Q_{f2}=C_d{w}_2{x}_{v2}\sqrt{\frac{K_s{P}_1}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

式中，P_L2、w₂和x_v2中的下標(biāo)2表示提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后的參數(shù)。

在負(fù)載不變情況下，兩種方法所選擇的伺服閥關(guān)系為：

$\frac{Q_{f1}{P}_{L1}}{Q_{f2}{P}_{L2}}=\frac{2w_1{x}_{v1}}{3(1-K_s)w_2{x}_{v2}\sqrt{3K_s}}=1---\left(3\right)$

從式(3)可得：

$K_s{(1-K_s)}^2=\frac{4}{27}{\left(\frac{w_1{x}_{v1}}{w_2{x}_{v2}}\right)}^2---\left(4\right)$

從式(4)中可以看出，在負(fù)載不變的情況下，隨著K_s的減小，即負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值的增大，所需伺服閥的開口面積增大，即所需伺服閥的額定流量增大。

1.2伺服閥內(nèi)耗流量與負(fù)載壓力的關(guān)系

伺服閥除輸出流量外，還有推動(dòng)級(jí)工作和閥芯泄漏的內(nèi)耗流量，內(nèi)耗流量Q_L與伺服閥額定流量Q_N的關(guān)系為：

Q_L＝0.5+0.04Q_N (5)

提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后，由式(1)、式(2)和式(4)得到其與傳統(tǒng)負(fù)載壓力設(shè)計(jì)方法的伺服閥額定流量比為：

$\frac{Q_{N2}}{Q_{N1}}=\frac{1}{3(1-K_s)\sqrt{3K_s}/2}---\left(6\right)$

由式(5)和式(6)可得提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后，內(nèi)耗流量比為：

$Q_{L2}=0.5+\frac{0.04Q_{N1}}{3(1-K_s)\sqrt{3K_s}/2}---\left(7\right)$

1.3定量泵輸出流量及泄漏與負(fù)載壓力關(guān)系

定量泵輸出流量由負(fù)載流量、伺服閥內(nèi)耗流量和泵泄漏流量三部分構(gòu)成，提高負(fù)載壓力值后定量泵的輸出流量為：

Q_p2＝Q_f2+Q_L2+0.1Q_p2 (8)

當(dāng)提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后，由式(1)、式(2)和式(4)得到其與傳統(tǒng)負(fù)載壓力設(shè)計(jì)方法的負(fù)載流量比為：

$\frac{Q_{f2}}{Q_{f1}}=\frac{\sqrt{K_s}}{3(1-K_s)\sqrt{3K_s}/2}---\left(9\right)$

由式(8)和式(9)可得提高負(fù)載壓力設(shè)計(jì)值后，定量泵輸出總流量為：

$Q_{p2}=\frac{5}{9}+\frac{10}{9}\frac{Q_{N1}(0.04+\sqrt{K_s})}{3(1-K_s)\sqrt{3K_s}/2}---\left(10\right)$

對(duì)式(7)和式(10)分析可知，泵的輸出流量及系統(tǒng)總的損耗流量隨負(fù)載壓力值的增大先減小后增大。隨負(fù)載壓力逐漸增大時(shí)，減小的負(fù)載流量和減少的泵的泄漏流量大于伺服閥內(nèi)耗增加的流量，所以此時(shí)總流量和總的損耗流量減小，系統(tǒng)的效率增大；但隨著伺服閥內(nèi)耗流量的增大其將大于減小的負(fù)載流量和減少的泵的泄露流量，此時(shí)系統(tǒng)所需總流量開始增加，系統(tǒng)的效率開始下降。因此，伺服閥的最大輸出功率點(diǎn)并不是液壓伺服系統(tǒng)最優(yōu)效率工作點(diǎn)，且由于系統(tǒng)中伺服閥工作在零位附近，系統(tǒng)總損耗流量影響較大，從圖2中可以看出，K取范圍為0.177～0.223時(shí)，雙控制回路液壓伺服系統(tǒng)處于工作高效率區(qū)間，故液壓伺服系統(tǒng)最優(yōu)效率點(diǎn)在P_L＝0.8P₁。

2雙向?qū)ΨQ液壓缸活塞面積

在本發(fā)明中，將液壓伺服系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載看作慣性負(fù)載和黏性負(fù)載的合成負(fù)載。

設(shè)負(fù)載中慣性負(fù)載力F_f為：

$F_f=m_f\frac{{\mathrm{dv}}_f}{dt}---\left(11\right)$

式中，m_f為負(fù)載質(zhì)量；v_f為負(fù)載速度。

設(shè)負(fù)載作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度方程為：

v_f＝v_fmsinω_ft (12)

式中，v_fm為負(fù)載運(yùn)動(dòng)最大速度；ω_f為振動(dòng)角頻率。

由式(11)和式(12)可得到慣性負(fù)載軌跡方程為：

${\left(\frac{v_f}{v_{fm}}\right)}^2+{\left(\frac{F_f}{m_f{\mathrm{\ω}}_f{v}_{fm}}\right)}^2=1---\left(13\right)$

設(shè)系統(tǒng)負(fù)載中黏性負(fù)載F_v為：

F_v＝B_fv_fmsinω_ft (14)

式中，B_f為黏性系數(shù)。

由式(13)和式(14)得到合成的負(fù)載軌跡方程為：

${\left(\frac{v_f}{v_{fm}}\right)}^2+{\left(\frac{F_f-B_f{v}_{fm}{\mathrm{sin\ω}}_{f}t}{m_f{\mathrm{\ω}}_f{v}_{fm}}\right)}^2=1---\left(15\right)$

要使系統(tǒng)效率最高，便要使液壓伺服系統(tǒng)最優(yōu)效率點(diǎn)與負(fù)載軌跡的最大功率點(diǎn)相重合。當(dāng)液壓伺服系統(tǒng)在最優(yōu)效率點(diǎn)P_L＝0.8P₁時(shí)，得此時(shí)伺服閥的流量為：

$Q_f=C_d{\mathrm{wx}}_v\sqrt{\frac{P_1-P_L}{\mathrm{\ρ}}}=\frac{Q_0}{\sqrt{5}}---\left(16\right)$

式中，Q₀為伺服閥空載流量。

由于負(fù)載中黏性阻力較小，故忽略黏性阻力，令負(fù)載特性方程中F_f＝P_LA，v_f＝Q_f/A，則負(fù)載軌跡方程可寫為：

${\left(\frac{Q_f}{{\mathrm{Av}}_{fm}}\right)}^2+{\left(\frac{P_L}{F_{fmax}/A}\right)}^2=1---\left(17\right)$

式中，A為液壓缸活塞面積；F_fmax為最大慣性負(fù)載力。

則伺服閥負(fù)載流量可寫為：

$Q_f={\mathrm{Av}}_{fm}\sqrt{1-{\left(\frac{P_L}{F_{fmax}/A}\right)}^2}---\left(18\right)$

負(fù)載功率方程為：

$N_L=P_L{Q}_f=P_L{\mathrm{Av}}_{fm}\sqrt{1-{\left(\frac{P_L}{F_{fmax}/A}\right)}^2}---\left(19\right)$

令dN_L/dP_L＝0，可得：

$P_L=F_{fmax}/\left(A\sqrt{2}\right)---\left(20\right)$

式(20)表明此時(shí)有最大負(fù)載功率，將其代入式(18)可得最大功率點(diǎn)的負(fù)載流量為：

$Q_f=v_{fm}A/\sqrt{2}---\left(21\right)$

將式(20)與液壓伺服系統(tǒng)最優(yōu)效率點(diǎn)相結(jié)合，得到：

$A=5F_{fmax}/\left(4\sqrt{2}{P}_1\right)---\left(22\right)$

3根據(jù)步驟2中計(jì)算的液壓缸活塞面積和液壓伺服系統(tǒng)所要求的位移，參考活塞桿直徑及活塞直徑尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)，確定雙向?qū)ΨQ液壓缸尺寸；

4伺服閥開口面積

將式(21)與式(16)聯(lián)合可得：

$Q_0=\sqrt{5}{v}_{fm}A/\sqrt{2}---\left(23\right)$

由式(23)進(jìn)一步得到：

${\mathrm{wx}}_v=\sqrt{5\mathrm{\ρ}}{v}_{fm}A/\left(\sqrt{2P_1}{C}_d\right)---\left(24\right)$

根據(jù)式(24)在已知負(fù)載運(yùn)動(dòng)最大速度情況下，確定伺服閥結(jié)構(gòu)尺寸。

5蓄能器參數(shù)

5.1蓄能器容積

為使位置控制回路正常工作，液壓伺服系統(tǒng)對(duì)壓力控制回路的動(dòng)態(tài)性能會(huì)有一定的要求。設(shè)當(dāng)壓力控制回路為設(shè)定壓力P₁時(shí)，P_max和P_min分別為壓力控制回路允許的壓力波動(dòng)最大值和最小值；t₁和t₂分別為設(shè)定壓力下降到壓力波動(dòng)最小值和設(shè)定壓力上升到壓力波動(dòng)最大值的響應(yīng)時(shí)間，且設(shè)t₁＝t₂；Q_n為位置控制回路額定需求流量；當(dāng)位置控制回路需求流量從零階躍到額定流量作用到壓力控制回路時(shí)，會(huì)引起壓力控制回路壓力的下降，為了表示壓力與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，引入壓力梯度響應(yīng)時(shí)間可被壓力梯度決定。

忽略泄漏且不考慮蓄能器的作用，假設(shè)液壓伺服系統(tǒng)負(fù)載流量需求階躍變化之前，液壓油處于封閉管路中，則液壓油體積與所受外力關(guān)系為：

$\mathrm{\β}=-\frac{1}{V}\frac{dV}{dP}---\left(25\right)$

式中，β為液壓油壓縮系數(shù)；V為封閉管路中受壓液壓油的初始體積；dV為液壓油受壓力作用后體積變化量；dP為液壓油受壓力后壓力變化量。

由式(25)推得：

dV＝-βVdP (26)

將式(26)兩邊同時(shí)除以時(shí)間的變化量dt得：

$\frac{dV}{dt}=-\mathrm{\β}V\frac{dP}{dt}---\left(27\right)$

觀察式(27)兩邊，可以看到式(27)左邊為液壓油體積流量，右邊為壓力梯度，將上節(jié)壓力控制回路動(dòng)態(tài)需求的Q_n和代入式(3-3)，可得液壓油體積為：

$V=\frac{Q_n}{\mathrm{\β}\stackrel{\·}{P}}---\left(28\right)$

式(28)中所需液壓油體積V便可看作蓄能器有效容積ΔV。

設(shè)蓄能器在壓力P_max和P_min下對(duì)應(yīng)的氣體容積分別為V_a和V_b，則根據(jù)氣體狀態(tài)方程有如下關(guān)系：

$P_0{V}_0^k=P_{max}{V}_a^k=P_{min}{V}_b^k---\left(29\right)$

式中，k為空氣絕熱指數(shù)，一般取1.4。

蓄能器有效容積為：

ΔV＝V_b-V_a (30)

聯(lián)合式(29)和式(30)，得蓄能器容積：

$V_0=\frac{\mathrm{\Δ}V}{{\left(\frac{P_0}{P_{\min }}\right)}^{1/k}-{\left(\frac{P_0}{P_{max}}\right)}^{1/k}}---\left(31\right)$

5.2蓄能器充氣壓力

5.2.1從使蓄能器結(jié)構(gòu)體積V₀最小而單位容積儲(chǔ)存能量最大的角度選擇P₀

設(shè)有效容積ΔV＝λV₀，由于時(shí)間很短，蓄能器中氣體膨脹和壓縮可看作絕熱過程，則有：

$\frac{P_0}{P_{max}}={\left(\frac{V_a}{V_0}\right)}^k={(1-\mathrm{\λ})}^k---\left(32\right)$

式中，λ為常數(shù)。

由于蓄能器放油量ΔV與最終膨脹壓力P₀成反比，故有：

${\mathrm{\λV}}_0=\frac{C}{P_0}---\left(33\right)$

將式(32)代入式(33)中得：

$V_0=\frac{C}{P_{max}\mathrm{\λ}{(1-\mathrm{\λ})}^k}---\left(34\right)$

由式(34)可知，當(dāng)λ＝0.416時(shí)(P_max＝常數(shù))V₀有最小值。此時(shí)，由式(32)得：

P₀＝(1-0.416)^1.4P_max＝0.47P_max (35)

5.2.2使蓄能器重量最小來選擇P₀

前面方法選擇的P₀雖使蓄能器結(jié)構(gòu)容積最小，但由于液壓油的密度比空氣大許多，所以結(jié)構(gòu)體積最小并不等于蓄能器重量最輕。因此，為了使蓄能器重量最小，取λ＝0.25～0.35，即：

P₀＝[1-(0.25～0.35)]P_max＝(0.65～0.75)P_max (36)

5.2.3保護(hù)膠囊并延長(zhǎng)其使用壽命來選擇P₀

為了延長(zhǎng)膠囊壽命，對(duì)于活塞式蓄能器?。?/p>

P₀≈(0.8～0.9)P_min (37)

6液壓泵參數(shù)

液壓泵的最大工作壓力為：

P_pmax＝1.25P_L+ΔP (38)

式中，ΔP為液壓管路中損失的壓力。

液壓泵的最大流量為：

Q_pmax＝k_pAv_fm (39)

式中，k_p為考慮系統(tǒng)泄漏時(shí)的系數(shù)，通常取k_p＝1.1～1.3。

根據(jù)式(38)和式(39)確定液壓泵的規(guī)格參數(shù)。

7永磁同步電機(jī)參數(shù)

液壓泵輸入功率，即所需電機(jī)的功率為：

$N_m=\frac{P_{p\max }{Q}_{p\max }}{60{\mathrm{\η}}_m}---\left(40\right)$

式中，η_m為泵機(jī)械效率。

電機(jī)除了功率滿足外，還需動(dòng)態(tài)性能滿足壓力控制回路動(dòng)態(tài)要求。泵的輸入轉(zhuǎn)矩可表示為：

$T_L=\frac{Q_n{P}_1}{w_{max}{\mathrm{\η}}_v{\mathrm{\η}}_m}---\left(41\right)$

式中，w_max為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；η_v為泵容積效率。

忽略摩擦轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩由泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速加速度轉(zhuǎn)矩組成，可表示為：

$T_e=T_{acc}+T_L=J_M\frac{{\mathrm{dw}}_{rm}}{dt}+\frac{Q_n{P}_1}{w_{max}{\mathrm{\η}}_v{\mathrm{\η}}_m}---\left(42\right)$

式中，T_e為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；T_acc為電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度轉(zhuǎn)矩；dw_rm/dt為轉(zhuǎn)速加速度，它滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速在不大于t₂的時(shí)間內(nèi)由w_rm＝0到w_max。

由于T_acc只在t₂時(shí)間內(nèi)起作用，且t₂時(shí)間很短，可認(rèn)為由電機(jī)的過載來提供轉(zhuǎn)速加速度轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可由泵的輸入轉(zhuǎn)矩來決定。電機(jī)的過載系數(shù)的選擇由以下方程確定：

T_acc＝T_Lk_ov (43)

$w_{max}\≤\frac{T_{acc}{t}_2}{J_M}---\left(44\right)$

式中，k_ov為電機(jī)過載系數(shù)。

根據(jù)式(40)、式(43)和式(44)確定永磁同步電機(jī)的規(guī)格參數(shù)。