機械式反饋電比例控制泵研究

許建清 黃忠華

摘 要：本文介紹了在A4VSO中采用機械式反饋，彈簧位置力閉環控制的簡單電比例EP控制，分析了其工作原理，建立AMESim仿真模型并對照實驗數據分析。結果表明：簡單電液比例EP控制在A4VSO上的控制精度符合設計要求，控制簡單，只需要輸入200～600 mA的直流電流信號，即可得到與之成比例的液壓泵輸出流量。

關鍵詞：機械式反饋；電比例控制；仿真；A4VSO

1 引言

液壓泵是液壓系統的動力元件，主要作用是將原動機（電動機、內燃機等）的機械能轉化為液體壓力能。隨著智能化發展，電比例控制使用越來越多，如振動壓路機、攤鋪機、擠壓機、注塑機等，均采用了電比例控制的液壓泵。對于采用位移傳感器反饋，閉環控制的電比例控制液壓泵，控制原理為典型的閥控缸液壓系統。本文論述了采用機械式反饋，彈簧位置力閉環控制的簡單電液比例EP控制在A4VSO上的應用分析。

2 控制模型：位移力——彈簧反饋

為了更好地論述簡單電液比例（EP）控制，本文首先對其采用的彈簧反饋、位置力閉環控制原理進行分析，如圖1所示，該模型由一個二通插裝閥和滑閥式先導級組成。先導級由先導滑閥的閥口構成的兩個可變液阻組成A型液壓半橋，液橋輸出控制對象為流量主閥芯上腔的壓力P2。

2.1 閥的工作原理

當閥的輸入電信號為零時，先導閥芯在反饋彈簧預壓縮力的作用下，處于圖1所示位置，即先導閥進油口為較小的正開口（0.3～0.4 mm），這是為了補償系統的泄露，使主閥上腔保持適當的壓力，而回油口為零開口，主閥芯兩端受力平衡，主閥芯處于關閉狀態。無論進油口壓力Ps有多高，均沒有主流量從A口流向B口。給電磁鐵一個電信號，將輸出一個電磁力推動先導閥芯向下移動x，先導閥口打開，先導級處于工作狀態，使得流量主閥上腔壓力低于下腔的壓力，流量主閥閥芯有一位移y，流量主閥閥口打開，流量閥工作。與此同時，主閥芯位移經反饋彈簧轉化為反饋力，作用在先導閥芯上，與輸入電磁力相平衡，使先導閥芯穩定在某一平衡點上，使輸出主閥芯位移與輸入電信號成比例。這就構成閥內主閥芯位移——力反饋的閉環控制。

在流量閥穩態時，流量先導閥芯的牛頓力平衡是：

FEM+P3A3-P2A4-Ffy-Kf（x0+x+y）=0

式中，

FEM——電磁力（N）；

A3——先導閥芯上端面面積（m2）；

A4——先導閥下端面面積（m2）；

Ffy——先導閥口穩態液動力（N）；

Kf——反饋彈簧剛度（N/mm）；

x0——反饋彈簧預壓縮量（m）；

x——先導閥閥芯位移（m）；

y——主閥芯位移（m）。

在穩態時，P2=P3，先導閥芯上下腔壓力相等（A3=A4）。如果忽略先導閥的穩態液動力，可推出主閥芯位移y的近似表達式：

主閥的位移僅與輸入電磁力成正比，與負載變化、電磁鐵行程以及主閥的液動力幾乎無關。在工程應用中，由于先導閥的穩態流量較小，它的穩態液動力可以忽略不計。

由閥的工作原理可知，主閥的液動力和摩擦力干擾受到位移——力反饋閉環的抑制。而先導閥芯和銜鐵上的摩擦力干擾，可通過合理選配材料，精確的加工及借助于疊加在主控制電流上的顫振信號加以約束。因此，它的穩態控制性能較好。

2.2 先導液橋中液阻R的作用

在主級與先導閥之間，設置了動態液阻R，它并不影響閥的穩態性能。而當主閥芯運動時，產生的動態流量A1×y，經過液阻R被轉化為動態壓差，此附加壓差作用在先導閥芯的兩端，調整了先導閥口的開度，改變了控制壓力P2的值，從而對主閥的運動產生明顯的動態阻尼作用，構成級間的速度——動壓負反饋控制。改變R的阻值，可以獲得不同的動態特性，其最佳值可通過仿真及實驗求得。

3 原理圖設計與分析

上述的位置力——彈簧反饋模型為典型的應用，結合A4VSO的變量機構特點。筆者設計的A4VSO簡單電比例EP控制原理圖如圖2所示，其中EP閥右側的電磁鐵對應于圖1序號6的比例電磁鐵，左側的彈簧對應圖1序號7的反饋彈簧，EP閥對應圖1序號5的先導閥，變量油缸對應圖1序號3的二通插裝閥。

如圖2所示，在電磁鐵不得電的情況下，控制油液經過EP控制閥推動變量桿至左極限位置，液壓泵處于最小排量（外控油壓力至少大于變量桿的彈簧力，約3 MPa）。當電磁鐵的電流逐漸由200 mA增大至600 mA，則變量泵的排量由0（由于實際為了滿足潤滑和泄露需要，需要調定略大于零）變化到最大排量。

對變量桿進行受力分析可知，在電磁鐵不通電時，變量桿右側的液壓力克服左側的液壓力和彈簧力，將變量桿推至最左側，此時泵處于小排量；當電磁鐵開始通電，并由200 mA開始逐漸增大至600 mA，則此時的控制閥從左位逐漸過渡到右邊的位置。隨著變量油缸位置的變化，反饋作用在EP控制閥左側的彈簧上，電磁力與EP控制閥左側的彈簧力構成位置力——彈簧力反饋的閉環控制系統。

變量桿的受力方程如（2）所示：

P×A1+F彈簧=P×A2 （2）

式中，

P——EP控制閥壓力（MPa）；

A1——有桿腔面積（mm2）；

A2——無桿腔面積（mm2）；

F彈簧——變量桿彈簧力（N）。

EP控制閥的受力方程如（3）式所示：

F電磁力=F反饋彈簧=K反饋彈簧×△x （3）

式中，

F電磁力—電磁鐵在電流作用下產生的電磁力（N）；

F反饋彈簧—EP控制閥反饋彈簧的力（N）；

K反饋彈簧—EP控制閥反饋彈簧的彈簧剛度（N/mm）；

△x—變量桿與EP控制閥的相對運動位移量（mm）。

綜上所述可知，變量桿與EP控制閥的相對位移量△x（即變量泵的排量變化），與電磁力的大小成正比（即電磁鐵控制電流的大小）。

4 AMESim仿真模型的建立與分析

根據上述分析并結合圖2所示的A4VSOEP控制原理圖，利用液壓仿真軟件AMESim建立圖3所示的簡單電液比例EP控制的AMESim仿真模型。

通過改變反饋彈簧的剛度，可以在AMESim批處理下得到不同反饋彈簧剛度下的電流——流量曲線，如圖4所示。由圖4可知，如果反饋彈簧的剛度太小，在電流信號較小的情況就得到最大流量，而反饋彈簧的剛度太大，則在電流信號到達600 mA最大值時仍未達到最大流量，并可知在反饋彈簧剛度大約為10 N/mm時，參數匹配最佳，滿足設計要求。

5 試驗驗證

圖5為采用簡單電液比例EP控制的A4VSO180液壓泵實物圖，其中簡單電液比例控制閥的右側即為比例電磁鐵，零位調節螺釘為調節彈簧力與輸入起步電流（200 mA）的一個匹配微調旋鈕。

改變電磁鐵的輸入電流，從200 mA逐漸增加至

600 mA，然后從600 mA逐漸減少至200 mA，并同步記錄對應的流量值（轉速1000 r/min），繪制簡單電液比例EP控制測試曲線，如圖6所示。

6 結語

綜上所述，簡單電液比例EP控制在A4VSO上的控制精度符合設計要求，控制簡單，只需輸入200～600 mA的直流電流信號，即可得到與之成比例的液壓泵輸出流量。主要產品優勢如下：

1）采用機械式反饋，在保證控制性能要求的基礎上，減少了傳統采用控制器方案的位移傳感器和控制器電器元件，大幅提高了產品性價比；

2）液壓泵上減少了位移傳感器、控制信號放大器等電器元件，適應了要求使用電比例控制但又不允許采用較多電器元件的應用場合。

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