液壓馬達數字調速系統的AMESim仿真研究

郝建軍，程昶，張志剛，葛帥帥

(1.重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054;2.重慶科學技術研究院，重慶 400050)

液壓馬達調速系統是工程上常用的控制系統，它具有負載剛度高、功率/質量比大、響應快和性價比高等特點，被廣泛用于冶金、機床、船舶等工程機械領域［1］。但隨著工業技術的發展，對其使用要求進一步提高:如高響應和高效率。目前，在閥控和泵控調速的基礎上，也出現閥泵聯合控制系統，該系統響應快，溢流損失較小，但制造成本高、控制復雜。

為使調速系統的動態響應快，同時避免溢流損失，文中研究的液壓調速系統采用高速開關閥控插裝閥，此調速機構結合高速開關閥和插裝閥各自優點，實現液壓系統的大流量高頻換向，具有響應快、效率高和維護方便等特點。

1 液壓回路系統工作原理

基于高速開關閥的液壓馬達調速系統如圖1所示:控制器發送脈沖電壓作為控制信號，直接輸出給高速開關閥，再以高速開關閥為先導閥控制插裝閥。當高速開關閥通電時，插裝閥閥芯處于關閉狀態，油泵輸出的流量通過單向閥，再驅動液壓馬達，此時蓄能器蓄能。當高速開關閥斷電時，插裝閥閥芯處于打開狀態，定量泵輸出流量經過插裝閥直接回到油箱，則定量泵停止向馬達供油，由于單向閥的存在，馬達進油端的流量不會倒流，并由蓄能器提供流量使馬達繼續轉動。高速開關閥按一定頻率，合理地分配占空比使閥體不停地打開與閉合，改變分流支路通、斷時間比例，就可以改變供給馬達流量的大小，實現調速。當通過旁路卸荷的流量越多，液壓馬達轉速就越慢;反之，則馬達轉速就越快。整個系統供油形式從動態看是脈動的，因此蓄能器除了作臨時動力外，另一個作用就是削弱壓力脈動。

圖1 液壓馬達調速回路原理圖

2 系統主要元件數學模型

2.1 高速開關閥的流量控制特性

高速開關閥是用數字量控制的開關閥，與伺服閥和比例閥相比，它具有工作穩定可靠、功耗小、重復性好、抗污染能力強和價格低廉等優點［2］。由于開關閥電磁鐵的響應能力及閥芯運動時間的影響，實際閥芯位移和脈沖信號之間存在一定的滯后。因此高速開關閥信號占空比一般控制在0.2～0.8線性區間范圍內。

2.2 高速開關閥控插裝閥的數學模型

目前的高速開關閥流量在10 L/min以下，要獲得高壓大流量的開關閥，通常需要以小流量高速開關閥作為先導控制一個插裝閥得到。由于高速開關閥和插裝閥都工作在全開或全關的狀態，功率損失小，效率高。整個系統采用脈沖流量供油方式，當高速開關閥工作頻率很高時，負載壓力一般不會出現不穩定振蕩情況［3］。

假設高速開關閥在占空比線性工作范圍內能夠完全跟蹤PWM控制信號，忽略閥芯動作滯后時間，則插裝閥的流量方程［4］:

式中:q1為插裝閥出口流量 (L);

D(t)為插裝閥脈寬調制信號函數;

CVd1為插裝閥的流量系數;

A0為插裝閥閥口的節流面積 (mm2);

ρ為油液密度，取0.85×103kg/m3;

ps為插裝閥進口壓力 (MPa)。

高速開關閥占空比0≤u(t)≤1，則插裝閥D(t)脈寬調制信號函數可表示為:

式中:T為高速開關閥脈寬調制信號周期。

3 仿真分析

為驗證液壓馬達數字調速系統的可行性，文中通過AMESim軟件建立液壓元件模型并對系統進行相關分析。

該系統采用開環控制仿真，其主要參數為:高速開關閥閥芯最大位移3 mm，進油口直徑2 mm，球閥直徑3 mm，閥芯質量1 g;插裝閥閥芯最大位移2 mm，進油口直徑14 mm，控制腔直徑16 mm，閥芯質量15 g;泵排量為50 mL/r，轉速1 500 r/min;馬達排量50 mL/r。

PWM控制信號頻率分別為20、10 Hz，蓄能器初始壓力為2 MPa時，仿真結果如圖2。

圖2 液壓馬達響應圖

由圖2可知:在相同蓄能器預壓力的條件下，PWM控制信號頻率對液壓馬達工作影響較小;在高頻控制信號下，液壓馬達工作壓力脈動更小。在一定頻率下，占空比越大，插裝閥泄油量就越少，馬達進油量越多，因而轉速越快，反之馬達轉速越慢。在PWM有效占空比內，馬達調速范圍較寬。

通過仿真分析，高速開關閥控插裝閥調速液壓系統的快速性較好，能夠滿足工程調速控制要求，同時系統的穩定性好。

影響調速系統速比變化特性的主要為吸振蓄能器，蓄能器初始壓力與體積是影響速比變化特性的關鍵，且主要針對降速比影響較大。如圖3所示:體積越大，升降速比越緩慢;增加泵、馬達排量會提高系統速比控制精度。

圖3 調速系統速比變化特性曲線

由圖4可知:高速開關閥開環控制調速的精度高，在0.2～0.8占空比調節范圍內，速比接近于4，線性度高，誤差較小，系統剛度大;而伺服閥開環調節由于溢流損失大，剛度相對較小，速度與占空比呈非線性關系。

理論上只要高速開關閥和單向閥動態性能接近于理想的高速開關閥和插裝閥，數字調速的壓力變換效率可達100%，即輸出功率等于輸入功率［5］，因此高速開關閥溢流損失小，效率高。通過效率計算公式:

圖4 開環控制傳動比與占空比關系

其中:泵、馬達仿真效率為100%，D為PWM控制占空比。因此系統主要為開關閥節流損失，各占空比下開關閥節流損失效率見圖5。

圖5 開關閥調速效率

通過仿真計算可得開關閥調速系統節流損失只有2%左右，因此系統效率高。數字調速系統的損耗主要有動態損耗和瞬態損耗［5］。

動態損耗是由于高速開關閥上的節流損耗、液容上的附加液阻和附加液感以及液感上的附加液容引起的損耗。改進措施:進一步提高閥通油能力，降低液感。

瞬態損耗則是由于高速開關閥的啟閉時間、液壓馬達的困油和管路內液壓油的彈性等引起的損耗。改進措施:需要提高高速開關閥、液壓泵、馬達的頻響。

圖6 液壓變速器試驗樣機

4 總結

(1)通過分析目前液壓馬達調速系統調速方式及特點，設計了由高速開關閥控插裝閥進行PWM控制的液壓調速系統。

(2)分析了該系統響應、速比特性及整體效率，研究表明:系統具有速比特性響應快、系統剛度大、調速范圍寬、節流損失低等特點。

(3)系統整體設計合理、結構嚴謹、便于維護，故障的處理也得到簡化，具有進行更深入研究和應用的價值。

［1］馬俊功，王世富.液壓馬達速度伺服系統研究［J］.機床與液壓，2002(6):98-101.

［2］曾文武.基于PWM高速開關閥控制的旋轉平臺液壓系統的研究［J］.液壓氣動與密封，2009(3):40-42.

［3］岑順鋒，吳張永，王嫻，等.基于高速開關閥的數字式變量泵研究［J］.中國機械工程，2012，23(6):671-675.

［4］張永強，施光林.一種基于PWM的無閥口損失的液壓位置控制系統［J］.液壓與氣動，2012(6):13-16.

［5］顧臨怡，邱敏秀，金波，等.由液壓總線和開關液壓源構成的新原理液壓系統［J］.機械工程學報，2003，39(1):84-88.