工程機械典型液壓容積調速系統的應用及控制要點

張傳娟

（江蘇聯合職業技術學院徐州經貿分院，江蘇 徐州 221004）

0 引言

液壓傳動技術以其優越的傳動平穩性、良好的調速性以及較大的功率體積比等優點在工程機械中運用廣泛。由于節流調速始終存在較大的溢流損失和節流損失，造成系統的效率低，發熱大，不適合工程機械的大功率場合。而容積調速沒有溢流損失和節流損失，效率高，發熱少，因而在工程的行走系統，提升系統等子系統中應用廣泛。本文以工程機械中常用的斜盤變量泵A11V和斜軸變量馬達A6V的容積調速搭配方式為例，分析其動態特性，并在此基礎上，研究調速控制策略。

1 工程機械液壓容積調速系統的控制要點

容積調速利用變量機構的位置控制作用改變泵或馬達的排量來調節執行機構的運動速度，一般采用變量泵控制定量馬達的調速方式。為了提高系統運行效率，拓寬輕載工況下的速度上限，可以采用變量泵和變量馬達組合的調速方式，工程機械中典型搭配A11V泵和A6V馬達就是采用這種方式。

1.1 A11V斜盤變量泵的控制要點

國內外的A11V系列泵的變量機構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，這三種控制方式還可以相互疊加，共同組成復雜的、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現系統調速，而流量控制方式在發動機轉速不變的情況下，直接調節泵的排量來實現系統調速。圖1是帶比例電磁鐵的電控變量泵結構原理圖，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-力反饋環節，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。穩態控制特性曲線如圖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值（通常情況下，并非最大值），為了在控制起點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載壓力或外部油口G口獲得。

圖1 A11V變量泵結構原理

圖2 A11V排量控制特性曲線

1.2 A11V斜盤變量泵的控制要點

A6V斜軸變量馬達按照變量方式可分為兩類，自動變量和外部控制變量（液壓控制和電氣控制）：自動變量是在控制活塞上引入工作壓力，當工作壓力從控制起點開始增加△p時，馬達排量從Vgmin增加到Vgmax；而外部控制變量的標準配置是控制起點位于Vgmax，控制終點位于Vgmin，通過外部信號控制排量變化。圖3所示即為電控變量馬達的結構圖，其排量控制特性曲線如圖4所示，變量過程是扭矩減小，轉速增加的過程。為了實現在滿足動作要求的前提下追求系統運行效率，往往需要壓力切斷功能。這樣，變量過程中當扭矩不足而壓力上升到一定值時，壓力切斷功能啟動，馬達排量不再隨控制信號的增加而增加，從而保證馬達輸出扭矩滿足負載要求。

圖3 A6V變量馬達結構原理

圖4 A6V排量控制特性曲線

2 PLC控制的容積調速系統的結構及特點

容積調速系統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的變量控制活塞輸入逐漸變化的電信號，而變量活塞的開口變化控制變量缸實現泵和馬達改變排量，從而改變液壓馬達的轉速大小和旋轉方向。這種控制方式為開環控制，對于對調速性能要求不高的場合，可以基本滿足系統要求。但當對調速動態過程和穩態精度提出更高要求時，需要采用閉環控制，控制框圖如圖5。系統設定速度曲線由PLC程序設定，也可以通

圖5 液壓容積調速PLC閉環控制原理框圖

過觸摸屏或外部電位器實時給出。從馬達輸出軸反饋回來的實際轉速信號經處理后和設定信號做差，經PLC的PID控制器后，得到控制量，通過放大器，相應的電流信號作業在變量泵和變量馬達的變量機構的比例電磁鐵上，從而改變泵、馬達排量，進而現速度控制。

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計的,其PID調節的離散公式為：

式中參數是PID運算所需的系統過程變量和PID常量，其意義見表1，每個參數從首地址開始，依次占用雙字空間，用戶使用時只需要設置這些參數,使用起來非常方便。

由于在整個控制過程中，控制元件都存在較大的死區等非線性因素，液壓泵、馬達的容積效率也隨系統的壓力、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動態性能，控制過程值得注意：

（1）泵和馬達的控制起點電流為200mA，實際控制中，如果直接以階躍方式供給200mA，往往會引起系統沖擊，不利于系統調速，因此需要通過斜坡延時提供初始電流，以抑制沖擊；

（2）馬達切斷功能起到了安全作用，但同時也使馬達排量有了一定的穩定區域，通過控制電流設定馬達最小排量時，需要注意Vgmin的設置不要過低，一般為0.6Vgmax；

（3）泵排量增大和馬達排量減小都可以增加系統運行速度，而兩者同時變量可以縮短系統達到穩態速度的時間，提高運行效率，但為了系統動態性能，泵首先變量，而后馬達變量。

3 結論

在工程機械液壓系統中，特別是大流量大功率系統中，往往采用液壓容積調速的方式。目前，A11V泵和A6V馬達的組合方式為各工程機械廠家廣泛采用，本文分析了其結構特征和控制要點，并以PLC為控制器，搭建了閉環控制系統框架，為工程運用提供參考。

表1 PID參數及地址分配

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