工程機(jī)械典型液壓容積調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用及控制要點(diǎn)

張傳娟

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州經(jīng)貿(mào)分院，江蘇 徐州 221004）

0 引言

液壓傳動(dòng)技術(shù)以其優(yōu)越的傳動(dòng)平穩(wěn)性、良好的調(diào)速性以及較大的功率體積比等優(yōu)點(diǎn)在工程機(jī)械中運(yùn)用廣泛。由于節(jié)流調(diào)速始終存在較大的溢流損失和節(jié)流損失，造成系統(tǒng)的效率低，發(fā)熱大，不適合工程機(jī)械的大功率場(chǎng)合。而容積調(diào)速?zèng)]有溢流損失和節(jié)流損失，效率高，發(fā)熱少，因而在工程的行走系統(tǒng)，提升系統(tǒng)等子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。本文以工程機(jī)械中常用的斜盤變量泵A11V和斜軸變量馬達(dá)A6V的容積調(diào)速搭配方式為例，分析其動(dòng)態(tài)特性，并在此基礎(chǔ)上，研究調(diào)速控制策略。

1 工程機(jī)械液壓容積調(diào)速系統(tǒng)的控制要點(diǎn)

容積調(diào)速利用變量機(jī)構(gòu)的位置控制作用改變泵或馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，一般采用變量泵控制定量馬達(dá)的調(diào)速方式。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，拓寬輕載工況下的速度上限，可以采用變量泵和變量馬達(dá)組合的調(diào)速方式，工程機(jī)械中典型搭配A11V泵和A6V馬達(dá)就是采用這種方式。

1.1 A11V斜盤變量泵的控制要點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外的A11V系列泵的變量機(jī)構(gòu)有多種控制方式可供選擇，概況起來包括壓力控制，流量控制和功率控制，同時(shí)，這三種控制方式還可以相互疊加，共同組成復(fù)雜的、多種功能的變量控制方式。一般來講，壓力控制和功率控制的變量方式需要通過閥控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速，而流量控制方式在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，直接調(diào)節(jié)泵的排量來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速。圖1是帶比例電磁鐵的電控變量泵結(jié)構(gòu)原理圖，電磁力直接作用于控制活塞的閥芯上，控制活塞和變量缸之間通過反饋彈簧組成位移-力反饋環(huán)節(jié)，共同控制泵的排量變化，而泵的排量和外部控制電流大小成正比。穩(wěn)態(tài)控制特性曲線如圖2所示。值得一提的是，泵的初始排量在上壓前處于較大排量的某個(gè)值（通常情況下，并非最大值），為了在控制起點(diǎn)將泵的排量擺回最小排量，需要施加30bar的控制壓力，所需控制控制壓力可從負(fù)載壓力或外部油口G口獲得。

圖1 A11V變量泵結(jié)構(gòu)原理

圖2 A11V排量控制特性曲線

1.2 A11V斜盤變量泵的控制要點(diǎn)

A6V斜軸變量馬達(dá)按照變量方式可分為兩類，自動(dòng)變量和外部控制變量（液壓控制和電氣控制）：自動(dòng)變量是在控制活塞上引入工作壓力，當(dāng)工作壓力從控制起點(diǎn)開始增加△p時(shí)，馬達(dá)排量從Vgmin增加到Vgmax；而外部控制變量的標(biāo)準(zhǔn)配置是控制起點(diǎn)位于Vgmax，控制終點(diǎn)位于Vgmin，通過外部信號(hào)控制排量變化。圖3所示即為電控變量馬達(dá)的結(jié)構(gòu)圖，其排量控制特性曲線如圖4所示，變量過程是扭矩減小，轉(zhuǎn)速增加的過程。為了實(shí)現(xiàn)在滿足動(dòng)作要求的前提下追求系統(tǒng)運(yùn)行效率，往往需要壓力切斷功能。這樣，變量過程中當(dāng)扭矩不足而壓力上升到一定值時(shí)，壓力切斷功能啟動(dòng)，馬達(dá)排量不再隨控制信號(hào)的增加而增加，從而保證馬達(dá)輸出扭矩滿足負(fù)載要求。

圖3 A6V變量馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理

圖4 A6V排量控制特性曲線

2 PLC控制的容積調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

容積調(diào)速系統(tǒng)的速度指令通常由操作手柄給定，手柄位移的改變向變量泵和變量馬達(dá)的變量控制活塞輸入逐漸變化的電信號(hào)，而變量活塞的開口變化控制變量缸實(shí)現(xiàn)泵和馬達(dá)改變排量，從而改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向。這種控制方式為開環(huán)控制，對(duì)于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，可以基本滿足系統(tǒng)要求。但當(dāng)對(duì)調(diào)速動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)精度提出更高要求時(shí)，需要采用閉環(huán)控制，控制框圖如圖5。系統(tǒng)設(shè)定速度曲線由PLC程序設(shè)定，也可以通

圖5 液壓容積調(diào)速PLC閉環(huán)控制原理框圖

過觸摸屏或外部電位器實(shí)時(shí)給出。從馬達(dá)輸出軸反饋回來的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)處理后和設(shè)定信號(hào)做差，經(jīng)PLC的PID控制器后，得到控制量，通過放大器，相應(yīng)的電流信號(hào)作業(yè)在變量泵和變量馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)的比例電磁鐵上，從而改變泵、馬達(dá)排量，進(jìn)而現(xiàn)速度控制。

PID控制器使用過程控制模塊，這種模塊的控制程序是廠家設(shè)計(jì)的,其PID調(diào)節(jié)的離散公式為：

式中參數(shù)是PID運(yùn)算所需的系統(tǒng)過程變量和PID常量，其意義見表1，每個(gè)參數(shù)從首地址開始，依次占用雙字空間，用戶使用時(shí)只需要設(shè)置這些參數(shù),使用起來非常方便。

由于在整個(gè)控制過程中，控制元件都存在較大的死區(qū)等非線性因素，液壓泵、馬達(dá)的容積效率也隨系統(tǒng)的壓力、油液粘度及溫度等變化而變化，加之液壓油的可壓縮性、管路的彈性、液壓元件的泄漏等因素，因此為了獲得良好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，控制過程值得注意：

（1）泵和馬達(dá)的控制起點(diǎn)電流為200mA，實(shí)際控制中，如果直接以階躍方式供給200mA，往往會(huì)引起系統(tǒng)沖擊，不利于系統(tǒng)調(diào)速，因此需要通過斜坡延時(shí)提供初始電流，以抑制沖擊；

（2）馬達(dá)切斷功能起到了安全作用，但同時(shí)也使馬達(dá)排量有了一定的穩(wěn)定區(qū)域，通過控制電流設(shè)定馬達(dá)最小排量時(shí)，需要注意Vgmin的設(shè)置不要過低，一般為0.6Vgmax；

（3）泵排量增大和馬達(dá)排量減小都可以增加系統(tǒng)運(yùn)行速度，而兩者同時(shí)變量可以縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度的時(shí)間，提高運(yùn)行效率，但為了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，泵首先變量，而后馬達(dá)變量。

3 結(jié)論

在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，特別是大流量大功率系統(tǒng)中，往往采用液壓容積調(diào)速的方式。目前，A11V泵和A6V馬達(dá)的組合方式為各工程機(jī)械廠家廣泛采用，本文分析了其結(jié)構(gòu)特征和控制要點(diǎn)，并以PLC為控制器，搭建了閉環(huán)控制系統(tǒng)框架，為工程運(yùn)用提供參考。

表1 PID參數(shù)及地址分配

[1]Quartus II Handbook Version 9.1.Copyright by Altera Corporation.2001

[2]岡薩雷斯 數(shù)字圖像處理(第2版) 電子工業(yè)出版社2005年9月

[3]王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL(第4版).北京：電子工業(yè)出版社，2011

[4]尹偉.基于FPGA的JPEG編解碼芯片設(shè)計(jì).大連理工大學(xué)碩士論文.2004

[5]張益貞 流滔.Visual C++實(shí)現(xiàn)MPEG/JPEG編解碼技術(shù)人民郵電出版社 2002年11月

[6]劉元偉 劉彥隆 基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像壓縮算法研究《電子設(shè)計(jì)工程》 2010年02期

[7]EDA先鋒工作室 王誠(chéng) 蔡海寧 吳繼華 Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）人民郵電出版社 2011年2月

[8]吳厚航 深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA 北京航空航天大學(xué)出版社2010年5月

[9]Tinku Acharya.Ping-Sing Tsai .JPEG 2000 standard for image compression

[10]Charles Poynton .Digital Video and HDTV Algorithms and Interfaces