變轉速變排量復合調速液壓系統監控平臺設計

田晴晴　谷立臣

西安建筑科技大學，西安，710055

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變轉速變排量復合調速液壓系統監控平臺設計

田晴晴谷立臣

西安建筑科技大學，西安，710055

以泵控馬達變轉速變排量復合容積調速液壓系統為研究對象，完成了其監控平臺的設計。在介紹系統工作原理及監控平臺設計思路的基礎上，結合LabVIEW技術，完成了監控平臺軟件開發。運行結果表明：該平臺對模擬量數據及串口數據進行統一采集、保存及處理，并通過變轉速、變排量方式實現泵控馬達液壓系統的無級調速，以及通過調節比例溢流閥實現電液負載模擬加載。監控平臺人機界面友好，運行可靠，具有良好的開放性和可擴展性，能更好地滿足液壓系統動態參數監測和自動控制的需要。

變轉速；變排量；容積調速液壓系統；監控平臺

0　引言

近年來，在固定式液壓設備中，采用變轉速和變排量組合泵驅動成為一種趨勢。該驅動單元通常由變頻器及電動機、變排量泵組成，是繼變排量泵驅動單元、變轉速泵驅動單元之后的又一節能型液壓動力源，在相關的能量效率研究中也顯現出較前兩種高的功率效率優勢[1-4]。但在變轉速變排量泵性能及其復合調速液壓系統性能方面,目前還鮮見研究報道。

系統的性能研究及安全運行通常通過相關特征參數來表征和調整控制完成，如在變轉速變排量復合調速液壓系統中，流量、壓力、溫度、電動機及變量馬達的轉速和轉矩等參數反映了系統的工況及運行狀態，而電動機轉速、泵排量等參數影響著系統的性能，所以對這些參數進行實時監控是十分必要的[5-6]。筆者以泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統為研究對象，完成了其監控平臺的設計及軟件實現。

1　泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統

1.1液壓系統組成

泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統是由變頻器、電動機、變量泵和變量馬達構成的一種液壓傳動系統，圖1是其液壓系統原理圖。系統主要由動力源、液壓傳動系統、加載系統三部分組成。其中：

(1)系統動力源為交流電動機調速系統，由異步電動機1及變頻器組成，可將電能轉換為機械能。交流調速系統采用矢量控制，通過控制信號完成系統自動調速。

(2)液壓傳動系統為典型的閉式系統，主要包括主泵4、補油泵5、沖洗閥組10和變量馬達11四個部分。主泵4的進油口、出油口分別與馬達11的出油口、進油口通過液壓管道直接相連，液壓油在主泵4、馬達11和管路組成的封閉腔中進行循環。油泵4輸出的高壓油直接進入馬達11的進油腔，推動馬達11旋轉，進而帶動負載運動。其中，沖洗閥組10對系統工作油液進行冷卻和過濾。對于變量泵-變量馬達調速系統，一般先將馬達排量調節到最大，然后通過調節泵的排量來調速，當泵的排量調節到最大時，通過調節馬達排量來進一步完成調速。

(3)加載系統由慣性輪、制動器和加載液壓系統組成，可實現多種負載形式的組合。其中慣性負載可通過增減慣性輪的數量(調節重量)實現；制動器可以實現制動和打滑工況的模擬；加載液壓系統通過電液比例技術實現數字化模擬加載，可完成典型負載工況的模擬加載[7]。其中，電磁溢流閥13在加載液壓系統中起安全閥作用，防止模擬負載突變引起的系統高壓沖擊。

1.電動機　2.柴油機　3.轉速轉矩傳感器　4.主泵　5.補油泵　6.補油溢流閥　7.補油單向閥　8.先導比例溢流閥　9.組合傳感器10.沖洗閥組　11.變量馬達　12.齒輪泵　13.電磁溢流閥　14.截止閥　15.過濾器　16.冷卻器　17.驅動系統油箱　18.加載系統油箱圖1　泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統原理圖

1.2液壓系統調速原理

液壓泵4的轉速是通過調節變頻器的控制電壓從而改變電機的轉速來實現的。

變量泵4的參數穿過調節死區后，其輸出流量為

qVp=Dpnp-qVlp=Dpnp-Cip(p-pb)-Cepp

(1)

式中，qVp和qVlp分別為泵的輸出流量、泵的泄漏流量，m3/min；Dp為泵的排量，m3/r；np為泵轉速，亦即電動機轉速(忽略機械效率)，r/min；Cip、Cep分別為變量泵的內泄漏系數和外泄漏系數，m3/(min·MPa)；p、pb分別為液壓系統壓力和低壓油路的補油壓力，MPa。

根據流量平衡方程，變量馬達11的輸出流量為

Dmnm=qVp-qVlm-qVld=

(2)

式中,qVlm、qVld分別為變量馬達的泄漏流量、泵和馬達間的管路與液壓閥的容積損失，m3/min；Dm為馬達的排量，m3/r；nm為馬達轉速，r/min。Cim、Cem分別為變量泵的內泄漏系數和外泄漏系數，m3/(min·MPa)；V為變量泵、變量馬達、高壓油路等組成的腔體容積，m3；βe為油液彈性模量，MPa；t為時間，min。

不計變量馬達的機械效率，由式(1)和式(2)得馬達的輸出轉速為

(3)

式(3)中分子的第2項至第4項為泵和馬達的流量損失，液壓系統采用林德HPV-02變量柱塞泵和HMV-02變量柱塞馬達，容積效率較高，在忽略流量損失的情況下，液壓系統執行元件的轉速(馬達輸出轉速)可以通過改變驅動電動機轉速、液壓泵排量或液壓馬達排量實現復合調速。

2　監控平臺設計

一個完整的監控系統包括：傳感器、執行元件、信號調理設備、數據多功能卡(或裝置)、驅動程序、硬件配置管理軟件、應用軟件和工控機等[8-9]。所設計的監控系統結構如圖2所示，監控系統的組成框圖見圖3。

圖2　監控系統結構圖

(1)傳感器是一種將被測量信息轉化為電信號或其他所需輸出形式信號的檢測裝置，所以，在選擇傳感器時，必須要對被測量信息和測量需求作詳細分析，應從測量范圍、精度、頻響范圍等方面并結合實際需求加以選擇。泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統的主要監測信號包括：變量泵輸入轉速、轉矩；變量泵出入口的流量、壓力、溫度；變量馬達輸出轉速、轉矩等。本系統所涉及的傳感器，除2個轉速轉矩分析儀的轉速、轉矩信號通過RS-232串口通信外，其他7個傳感器均輸出4～20mA的抗干擾能力強的電流信號。

(2)本系統的執行元件為：變頻器、變量泵、變量馬達、驅動系統比例溢流閥和加載系統比例溢流閥，其控制信號為0～10 V的電壓信號。

(3)信號調理設備對輸入信號和控制信號進行調理，旨在將它們轉化成符合采集設備讀取要求的信號及執行元件所需的控制信號。本系統中的變頻器屬于強電磁干擾源，因此對于傳感器信號選擇加光電隔離模塊，在切斷干擾的傳播途徑的同時，也完成對信號的調理。控制部分(如變量泵、變量馬達、比例溢流閥等的控制)與相應的放大板配合使用，完成電液比例控制。

圖3　監控系統組成框圖

(4)對于數據多功能卡(或裝置)，主要關心的是模擬量的輸入/輸出。在模擬量輸入板卡選擇時，工程中通常會對如下一些參數比較關注：輸入模式(單端輸入或者差分輸入)、輸入范圍、分辨率、采樣速率、精度和噪聲等。在模擬量輸出板卡選擇時，通常關注：輸出范圍、分辨率等。①差分輸入方式下，每個信號源的兩個端子可以有不同的接地參考點(更強調兩個端子間的相對值)，消除了共模噪聲產生的誤差，故精度較高。由于測控現場信號源與采集端之間的距離較遠(約為4～5 m)，并且很難保證信號源有公共接地端，所以選擇了差分輸入的接線方式。然后，由采集信號數量和輸入方式決定采集卡的通道數量。②輸入范圍或量程是指數據采集卡能夠量化處理的最大、最小輸入電信號值。③分辨率表明采集板卡對模擬信號的最小可辨識度。通常，輸入范圍和A/D轉換器位數決定了分辨率。④采樣率，也稱采樣頻率或采樣速度，決定了A/D轉換的速率。為了避免混疊現象，根據奈奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號最高頻率的2倍以上。而在實際應用中，數據板卡設置的采樣率一般為信號最高頻率的4倍以上。一般在產品樣本中給出的是最大采樣率值。根據以上I/O卡的選擇原則，本系統選擇研華公司的PCI-1715U模擬輸入卡和PCI-1727U模擬輸出卡。

(5)軟件部分包括驅動程序引擎、編程接口、應用程序及用戶的測控應用程序，是用戶和實際系統之間的翻譯器。監控系統采用LabVIEW圖形化編程語言，可以按照工作要求靈活地搭建不同性能的虛擬儀器，使得工作效率大大提高。

(6)工控機提供了可視化操作平臺，它將上述各個部分按照要求搭建成具有監控功能的平臺，通過數據模擬采集卡完成數據測量，并根據需要完成控制目標，最終以圖表及數據等方式進行顯示與存儲。

3　監控平臺軟件實現

基于前文所述關于監控平臺的設計思路，根據泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統的監控需要，選擇合適的傳感器、工控機系統等并合理布置測點，完成了監控平臺硬件配置，其后，主要完成監控平臺軟件程序設計[10]。本監控平臺軟件程序按其功能大致分為數據I/O、參數設置、數據計算顯示等功能模塊。程序采用LabVIEW2013圖形化編程語言，并在Windows 7操作系統下執行。

3.1數據I/O

數據I/O是整個監測系統的靈魂，其功能的實現如圖4監控系統程序框圖所示，模擬量數據輸入通過DAQNavi函數庫中的CreateChannel、Timing、Read、ClearTask等Vi及多態Vi的設置，在While循環中實現7路信號的連續采集，并由“隊列”功能模塊保證數據的實時無丟失傳輸，如圖4a所示；模擬量數據輸出通過CreateChannel、Write、ClearTask等Vi實現，如圖4b所示。其中，RS-232串口數據通過VISA函數庫的端口認證、寫入、讀取、關閉等Vi并在平鋪式順序結構下實現信號提取，具體程序實現見圖4c。

(a)模擬量數據輸入(b)模擬量數據輸出

(c)RS-232串口數據采集圖4　監控系統程序框圖

3.2參數設置

參數設置包括了I/O通道的選擇、接線方式、范圍、標定轉換等，詳見圖5的前面板參數設置區。

3.3數據計算顯示

數據計算顯示主要包括流量、壓力、溫度的原始信號波形控件顯示，及標尺轉換后傳至儀表中的顯示，如圖5中原始波形顯示區及傳感器顯示區所示。另外，RS-232串口數據如圖5中轉矩轉速傳感器顯示區所示。

監控平臺運行結果表明：該平臺對模擬量數據及串口數據進行統一采集、處理及保存，并通過改變電動機轉速、泵和馬達排量實現了泵控馬達液壓系統的無級調速，同時，完成了基于電液比例溢流閥的工況模擬加載。

圖5　監控平臺前面板

4　結語

本文介紹了泵控馬達變轉速變排量復合容積調速液壓系統，根據泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統的工作原理，從數據測控系統設計角度提出了其監控平臺的解決方案。

該監控平臺已經應用于泵控馬達變轉速變排量復合調速液壓系統的在線實時監控中，系統運行穩定可靠，各參數測量準確，符合系統實際要求，可靠性和可擴展性良好。在以后的實際應用中，只需根據所測傳感器參數的要求略加修改，增減模擬通道，即可應用于其地工業生產參數的實時監測上。

怎樣選擇液壓系統的調速控制策略，使系統在滿足工程要求的情況下，響應快、節能且高效的課題尚有待深入研究。

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(編輯盧湘帆)

DesignofSupervisoryControlPlatformforCompositeHydraulicSpeedControlSystemwithVariableFrequencyandDisplacement

TianQingqingGuLichen

Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,710055

Thesupervisorycontrolsystemforapump-control-motorcompositehydraulicvolumetricspeedcontrolsystemwithvariablefrequencyanddisplacementwasresearched.Basedonthefullintroductiontotheworkingprinciplesabouttheexperimentalsystemandthesupervisorycontrolsystem’sstructure,thesupervisorycontrolplatformwasimplementedwithLabVIEWtechnology.Theresultsindicatethatthesupervisorycontrolsystemrealizestheacquisition,preservationandprocessingofthedata,includinganalogdata,serialdataandsoon.Atthesametime,thecontrolforthespeedofhydraulicsystemwasrealizedbyadjustingfrequencyorvariabledisplacement，andtheelectro-hydraulicloadsimulationwasachievedbyadjustingtheproportionalreliefvalve.Thesupervisorycontrolplatformwithfriendlyman-machineinterfacehasagoodopennessandextensibility，andperformsreliably,whichisabletomeettheneedsofdynamicparametermonitoringandautomaticcontrolforthehydraulicsystembetter.

variablespeed;variabledisplacement;hydraulicvolumetricspeedcontrolsystem;supervisorycontrolplatform

2015-11-09

國家自然科學基金資助項目(51275375);陜西省教育廳自然科學研究項目(15JK1412)

TH137；TP391.8

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.017

田晴晴，女，1989年生。西安建筑科技大學機電學院博士研究生。主要研究方向為機電液一體化設計。發表論文2篇。谷立臣，男，1956年生。西安建筑科技大學機電學院教授、博士研究生導師。