電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真分析

王 偉，羅 瑜，羅艷蕾，杜 黎，陳 旺

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

引言

負(fù)載敏感是一種根據(jù)壓力反饋原理來匹配負(fù)載所需流量的技術(shù)，其目的是達到供需平衡，減少能量損耗，以實現(xiàn)節(jié)能的效果[1-3]。其具體原理為，通過反饋負(fù)載壓力以及泵源壓力至負(fù)載敏感系統(tǒng)中壓力控制閥，調(diào)定彈簧預(yù)緊力來設(shè)定泵源壓力與負(fù)載壓力之間的壓差，使泵源流量適應(yīng)負(fù)載流量需求，以達到根據(jù)負(fù)載壓力匹配輸出流量的目的。傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)是利用單獨控制油路的長管路反饋負(fù)載壓力至負(fù)載敏感泵的壓力控制口，在壓力傳輸過程中容易產(chǎn)生壓降以及傳輸數(shù)據(jù)滯后[4-6]。傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)采用負(fù)載壓力反饋至負(fù)載敏感泵的控制閥，從而使變量缸調(diào)節(jié)變量泵排量適應(yīng)負(fù)載變化，是一種機械-液壓反饋控制系統(tǒng)。這種典型的機械-液壓反饋控制系統(tǒng)具有魯棒性差、易振蕩等缺點，并且由于液壓管路帶來的壓降以及延時等問題會造成液壓系統(tǒng)響應(yīng)慢、作業(yè)效率降低，使負(fù)載敏感系統(tǒng)性能降低[7-8]。

由于傳統(tǒng)的機械-液壓負(fù)載敏感系統(tǒng)的上述缺點，許多學(xué)者利用壓力傳感技術(shù)以及電比例控制技術(shù)提出了電控負(fù)載敏感系統(tǒng)[9-15]。相比于傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)，電控負(fù)載敏感系統(tǒng)優(yōu)點明顯，省去壓力反饋管路，改用壓力傳感器來進行壓力反饋，減少了安裝時間以及安裝成本，減少了污染物進入的機率以及管路當(dāng)中的漏油點[9]。相對于傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)，電控負(fù)載敏感系統(tǒng)無需用長管來反饋壓力至壓力控制口，而是采用電信號來反饋負(fù)載壓力，大大增加了負(fù)載敏感系統(tǒng)的響應(yīng)速度；其次，電控負(fù)載敏感沒有傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)中的機-液反饋控制機構(gòu)，并且可以利用控制器來增加穩(wěn)定性，這使得負(fù)載敏感系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了極大地提升。林添良等[10]在純電動工程機械中使用電動機替代發(fā)動機，實現(xiàn)了良好的調(diào)速性能，提高了加速以及響應(yīng)性能，為了進一步實現(xiàn)節(jié)能效果，提出了基于變轉(zhuǎn)速控制的電控負(fù)載敏感系統(tǒng)，其原理是通過壓力傳感器測得最大負(fù)載與泵源壓力的壓差信號傳遞給控制器，控制器通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速達到改變定量泵轉(zhuǎn)速的目的來實現(xiàn)負(fù)載敏感。陳敏等[11]針對現(xiàn)有的負(fù)載敏感系統(tǒng)響應(yīng)慢、易振蕩的缺點，提出一種通過流量/壓力切換控制的電液負(fù)載敏感(Electro Load Sensing，ELS)系統(tǒng)，其中泵排量由流量控制器和壓力控制器的較小輸出控制。實際流量需求由流量前饋控制器計算，而壓力裕度由壓力反饋控制器保持為期望值。該系統(tǒng)具體原理是通過控制器輸出信號對電磁閥開度進行控制，以此控制變量缸調(diào)節(jié)軸向柱塞變量泵排量。付勝杰等[14]為了進一步提高電控負(fù)載敏感系統(tǒng)的節(jié)能性以及可操控性，對變轉(zhuǎn)速控制負(fù)載敏感系統(tǒng)變壓差控制進行了仿真以及實驗研究，結(jié)果表明系統(tǒng)變壓差控制策略能有效降低能耗，提高系統(tǒng)的操控性。LOVREC D等[17]利用1個定量泵與1個速度控制感應(yīng)電機相結(jié)合用于負(fù)載敏感系統(tǒng)并進行了試驗研究，結(jié)果表明，所提出的驅(qū)動概念相對于普通負(fù)載敏感系統(tǒng)，具有低能量損失、低噪聲排放、控制動態(tài)得到改善，穩(wěn)態(tài)誤差減少等優(yōu)點。HANSEN R H等[18]研究了如何利用電控負(fù)載敏感系統(tǒng)替代傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，開發(fā)了電控負(fù)載敏感系統(tǒng)的初步控制結(jié)構(gòu)，該控制器可以實現(xiàn)將壓力控制、流量分配和過壓保護等功能從液壓機械控制轉(zhuǎn)移到電子控制，降低了系統(tǒng)的機械復(fù)雜性。

由上述可知，目前對于電控負(fù)載敏感系統(tǒng)方案主要有兩種，一種是采用定量泵控電機轉(zhuǎn)速方案，一種是采用負(fù)載敏感泵控電磁比例閥方案。為實現(xiàn)純電控負(fù)載敏感以及快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)泵排量以適應(yīng)負(fù)載敏感系統(tǒng)的負(fù)載變化，本研究提出了一種電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)。

1 電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

圖1為直線電機控泵斜盤傾角結(jié)構(gòu)圖，通過直線電機與軸向柱塞變量泵之間的機械結(jié)構(gòu)將直線電機伸出桿位移轉(zhuǎn)換為變量斜盤的角位移。電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)工作時，由控制器輸出的電流信號控制直線電機伸縮來調(diào)整軸向柱塞泵排量。直線電機調(diào)整軸向柱塞泵排量，相對于傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)中的變量缸配合負(fù)載敏感閥調(diào)整軸向柱塞泵排量的工作方式來說，省去了負(fù)載敏感閥，并用直線電機代替變量缸，其機械結(jié)構(gòu)更加簡化，響應(yīng)速度更快。直線電機控制為純電控，相對機-液反饋控制，其穩(wěn)定性、魯棒性以及不易振蕩的特性更加優(yōu)越。

圖1 直線電機接泵三維模型圖

1.軸向柱塞泵 2.電機 3、4.閥前壓力補償閥5、6.電磁比例閥開口 7、8.執(zhí)行器圖2 電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)原理如圖2所示，圖中包括軸向柱塞變量泵1、驅(qū)動泵的電機2、直線電機、帶有閥前壓力補償?shù)闹骺刂崎y5，6、液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件以及分布于電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)中的壓力傳感器。位于主控制閥前端的壓力補償閥限制主閥5，6前后壓差恒定，以實現(xiàn)負(fù)載波動與主閥輸出流量無關(guān)。采用直線電機控制軸向柱塞變量泵的斜盤傾角，實現(xiàn)調(diào)整變量泵排量的目的。由于負(fù)載敏感系統(tǒng)中電磁比例閥所需流量僅僅與閥口開度有關(guān)，與負(fù)載變化無關(guān)，所以通過閥芯位移ui可得閥口開度作為直線電機前饋控制信號的輸入，利用閥芯位移信號ui預(yù)測電磁比例閥所需流量，并將預(yù)測流量需求轉(zhuǎn)換為直線電機位移信號以控制軸向柱塞泵排量。閥芯位移與電磁比例閥所需流量關(guān)系為：

(1)

式中，Cd為流量系數(shù)；Max(u1……ui)為電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)中控制閥閥芯最大位移；Δp1為壓力補償閥前設(shè)定的比例閥前額定壓差；A為比例閥過流面積。

軸向柱塞泵排量與斜盤傾角之間的關(guān)系為:

(2)

式中，V為軸向柱塞泵排量；d為軸向柱塞泵柱塞直徑；R為軸向柱塞泵分度圓半徑；γ為斜盤傾角。

由式(1)、式(2)可知，若要軸向柱塞泵排量滿足比例閥所需流量，軸向柱塞泵斜盤傾角為:

(3)

式中，n為電機轉(zhuǎn)速。

軸向柱塞泵斜盤傾角γ與直線電機位移x關(guān)系為：

xcosα=Rsinγ

(4)

式中,α為直線電機安裝角度。由式(1)～式(4)可知，直線電機前饋控制信號表達式為：

x=Rcosαsin[120CdA(Max(u1……ui))×

(5)

由于通過閥芯位移信號預(yù)測比例閥所需流量是一種前饋控制方法，前饋控制預(yù)測的方式難以考慮系統(tǒng)中除了閥芯位移之外的其他因素，所以為了避免過流匹配以及欠流匹配，實現(xiàn)動態(tài)的流量匹配，采用流量前饋控制混合壓力反饋控制的方式。其中壓力反饋控制器采用PID控制，通過對直線電機位移信號進行調(diào)整進而修正軸向柱塞變量泵排量，使泵出口壓力始終跟隨最大負(fù)載壓力變化并保持負(fù)載壓力與泵出口壓力之間壓差恒定。

圖2中壓力傳感器檢測負(fù)載壓力信號以及主控制閥閥前壓力信號，電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)各回路負(fù)載前都需要安裝有壓力傳感器以測定負(fù)載壓力。負(fù)載壓力信號(p1……pi)由壓力傳感器輸出給控制器，控制器比較出最大負(fù)載壓力pmax與主控制閥閥前壓力傳感器測得的壓力pp做差得到主控制閥前后壓差Δp，即，

Δp=pp-Max(p1……pi)

(6)

通過設(shè)定壓力裕度py來對直線電機位移進行修正，從而調(diào)整軸向柱塞泵斜盤傾角達到對變量泵輸出流量進行修正的目的，壓力裕度誤差為：

ep=py-[pp-Max(p1……pi)]

(7)

由式(7)可知，通過PID控制器后壓力反饋控制信號upid表達式為：

upid=kpep+kiep+kdep

(8)

式中，kp，ki，kd分別為比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)。

由式(2)、式(8)可得直線電機控制信號為:

(nπRd2)]+(kpep+kiep+kdep)

(9)

2 直線電機數(shù)學(xué)模型

音圈電機是一種具備良好動態(tài)特性的直線直流電機，主要應(yīng)用于高頻響、行程要求較短的場合，將音圈電機代替負(fù)載敏感系統(tǒng)中的變量缸，可以使軸向柱塞變量泵具有良好的頻響特性以及排量調(diào)節(jié)特性，并且大大提升了軸向柱塞泵的可控制性能以及響應(yīng)速度。由于AMESim中并沒有現(xiàn)成的音圈電機模塊搭建AMESim仿真模型，所以通過在Simulink環(huán)境下搭建音圈電機數(shù)學(xué)模型并通過AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真接口實現(xiàn)音圈電機控制信號的輸入以及位移信號的輸出，音圈電機數(shù)學(xué)模型為：

1) 音圈電機電壓平衡方程

音圈電機等效電路圖如圖3所示，電樞端電壓為ua，回路中電阻為Ra，電機端產(chǎn)生的反電動勢為ea，電樞回路電感為La。

圖3 直線電機等效電路圖

當(dāng)給音圈電機線圈施加直流電時，電流ia產(chǎn)生磁場力使電機產(chǎn)生直線運動的同時產(chǎn)生反電動勢，反電動勢大小為：

ea=BeLv

(10)

式中，v為電樞切割磁力線的速度，m/s；Be，L為力常數(shù)，其值取決于電機結(jié)構(gòu)以及材料。

根據(jù)克希霍夫第二定律ΣE=ΣU，電流流過回路中導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢、導(dǎo)體本身電阻產(chǎn)生的電壓、在外部磁場作用下回路中線圈產(chǎn)生的電壓這三部分電壓，與輸入電壓平衡，表達式為：

(11)

2) 音圈電機力平衡方程

在音圈電機的工作過程中，電機需要克服摩擦力帶動負(fù)載直線運動，即電磁力要克服摩擦力使負(fù)載運動，且在實際工況下需要負(fù)載做加速或減速運動，所以電磁力還需要克服動子部分的慣性力Fm，所以：

(12)

式中，m為動子部分的總質(zhì)量，kg;a為動子運動的加速度，m2/s；v為動子直線運動的速度。

動子運動時會受到與其運動方向相反的動摩檫力的作用，動摩擦力系數(shù)為k。將電機看作一個質(zhì)量-阻尼運動系統(tǒng)，電機動態(tài)力平衡方程式為：

(13)

3) 音圈電機數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式(11)以及式(12)，可得：

(14)

對式(14)進行拉氏變換得到音圈電機位移與輸入電壓之間傳遞函數(shù)為：

(15)

對應(yīng)音圈電機數(shù)學(xué)模型框圖如圖4所示。

圖4 音圈電機數(shù)學(xué)模型框圖

3 聯(lián)合仿真模型搭建

用MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真，在AMESim中搭建電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)模型，以及電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)控制器，并將控制信號輸出給音圈電機模型，通過兩個軟件之間的接口，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建音圈電機以及音圈電機控制器模型。在軸向柱塞變量泵出口以及主控制閥閥后安裝壓力傳感器，并將壓力信號以及主控制閥控制信號傳輸給電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)控制器，電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)控制器通過MATLAB與AMESim之間的接口將直線電機位置指令信號傳遞給在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建的音圈電機模型及其控制器，再由Simulink下的音圈電機輸出位移信號給AMESim中的軸向柱塞泵，達到通過直線電機位移控制軸向柱塞泵排量的目的，其中AMESim模型中各種參數(shù)如表1所示。

表1 電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)液壓元件參數(shù)

3.1 AMESim仿真模型搭建

在AMESim仿真環(huán)境下搭建電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)圖2所示原理圖搭建AMESim 系統(tǒng)仿真模型。利用AMESim液壓元件庫以及HCD庫搭建電磁比例閥、壓力補償閥以及軸向柱塞泵。根據(jù)信號發(fā)生器以及理想力源對執(zhí)行元件施加負(fù)載并利用AMESim中的Interface block搭建MATLAB-AMESim聯(lián)合仿真接口，得到聯(lián)合仿真模型如圖5所示。

3.2 Simulink系統(tǒng)模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，根據(jù)音圈電機搭建音圈電機及其控制器仿真模型以及傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型。傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型在參數(shù)上與電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)保持一致，其對軸向柱塞泵控制部分采用負(fù)載敏感閥以及作用缸來實現(xiàn)。對音圈電機采用雙閉環(huán)控制，其中位置環(huán)采用PID控制，電流環(huán)采用PI控制，并對音圈電機各項參數(shù)進行取值，具體參數(shù)值如表2所示。采用Simulink工具箱中的S函數(shù)將AMESim模型封裝在S-function中，根據(jù)表2參數(shù)在Simulink環(huán)境下搭建音圈電機控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

表2 音圈電機主要參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 變負(fù)載情況下系統(tǒng)特性分析

由于負(fù)載敏感系統(tǒng)常應(yīng)用于工程機械、農(nóng)業(yè)機械等工況復(fù)雜多變的場合。對電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)在變負(fù)載工況下進行仿真分析。AMESim仿真模型中，設(shè)定電磁比例閥閥芯位移為4 mm；設(shè)定液壓缸1負(fù)載在0～10 s內(nèi)從0上升至50000 N。給定壓力裕度值為30，即維持最大負(fù)載壓力與泵源壓力之間差值為3 MPa。設(shè)定液壓缸2負(fù)載保持10000 N恒定不變；設(shè)定仿真時間為10 s，仿真步長為0.0001 s，得到電磁比例閥(主控制閥)前后壓力與流量曲線如圖7與圖8所示。電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)中，在液壓缸1回路與液壓缸2回路電磁比例閥閥口開度保持4 mm不變的情況下，通過調(diào)定壓力補償閥保持電磁比例閥前后壓差恒定。電控直線電機控制系統(tǒng)通過測得的壓差信號以及閥口開度信號調(diào)整軸向柱塞變量泵斜盤傾角來控制排量，達到使泵源壓力與最大負(fù)載壓力之差為3 MPa，使軸向柱塞泵排量適應(yīng)負(fù)載需求。

圖5 電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)與傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型，左1為電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)

圖6 音圈電機數(shù)學(xué)模型

圖7 變負(fù)載情況下系統(tǒng)壓力曲線

由圖7可知，經(jīng)過系統(tǒng)最初的振蕩后，由于液壓缸1負(fù)載在0～10 s內(nèi)由0上升至50000 N，液壓缸2負(fù)載保持5000 N恒定不變，所以在最初的0～1.5 s內(nèi)，最大負(fù)載壓力為液壓缸2處負(fù)載壓力，此時泵源壓力與液壓缸2處壓力之間壓差維持3 MPa不變。在1.5～10 s時，最大負(fù)載壓力變?yōu)橐簤焊?處負(fù)載壓力，此時泵源壓力跟隨液壓缸1處壓力變化呈直線上升且兩者之間壓差維持在3 MPa左右，電磁比例閥前后壓差維持不變。由圖8可知，兩電磁比例閥閥口開度都維持在4 mm，即兩液壓缸流量需求保持一致時，經(jīng)歷最初振蕩之后，經(jīng)過兩電磁比例閥的流量維持恒定且大致相等，不受兩液壓缸外負(fù)載力變化的影響。

1.液壓缸1電磁閥流量 2.液壓缸2電磁閥流量圖8 變負(fù)載情況下系統(tǒng)電磁閥流量曲線

4.2 傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)與電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)對比分析

為了進行傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)與電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)對比分析，對兩種負(fù)載敏感系統(tǒng)進行仿真，觀察二者在相同負(fù)載條件下的響應(yīng)情況。通過分別設(shè)定傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)負(fù)載敏感閥彈簧剛度以及電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)壓力裕度，使兩系統(tǒng)泵源壓力以及負(fù)載壓力之間壓差為3 MPa。通過給定兩種負(fù)載敏感系統(tǒng)施加階躍負(fù)載為150000 N，并在3 s處施加10000 N的擾動，觀察二者在階躍負(fù)載以及負(fù)載擾動情況下的響應(yīng)情況。圖9為電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)與傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力與泵源壓力曲線。圖10為兩種負(fù)載敏感系統(tǒng)在正弦負(fù)載力情況下的壓力曲線，通過給定均值為150000 N，幅值為40000 N的負(fù)載力，觀察兩種負(fù)載敏感系統(tǒng)對于負(fù)載外負(fù)載的跟隨與響應(yīng)情況。

1.電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力2.電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)泵源壓力3.傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力4.傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)泵源壓力圖9 階躍負(fù)載條件下兩種負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力與泵源壓力曲線

由圖9可知，傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)在階躍負(fù)載情況下，泵源壓力從初始時刻至達到穩(wěn)態(tài)需要約1.4 s，期間需要經(jīng)歷超調(diào)與振蕩，其超調(diào)量為8.6%,達到穩(wěn)態(tài)后泵源壓力維持在23 MPa。在3 s處受到10000 N負(fù)載擾動后，產(chǎn)生了約2.3 MPa振幅，泵源壓力產(chǎn)生衰減振蕩并在4.6 s處達到穩(wěn)態(tài)。傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力曲線與泵源處壓力曲線類似，經(jīng)過液壓系統(tǒng)回路中產(chǎn)生液阻的液壓元件后，其振蕩的幅值有所衰減，與泵源壓力之間插值維持在3 MPa左右。電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)在相同負(fù)載條件下，泵源壓力從初始時刻至達到穩(wěn)態(tài)需要約0.25 s，其超調(diào)量為4%，達到穩(wěn)態(tài)后泵源壓力維持在23 MPa左右。在經(jīng)過負(fù)載擾動后，產(chǎn)生了約2.1 MPa 振幅，電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)回復(fù)穩(wěn)態(tài)時間需要約0.65 s。在圖10中，傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)與電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)都經(jīng)歷了一段時間的振蕩后逐漸達到穩(wěn)態(tài)，觀察兩者的最大負(fù)載壓力曲線可知，傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)需要約0.9 s，電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)需要約0.3 s。由此可知，相對于傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)，電控直線電機的快速響應(yīng)性以及魯棒性都有明顯提高。

1.傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力2.傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)泵源壓力3.電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力4.電控直線電機負(fù)載敏感系統(tǒng)泵源壓力圖10 正弦負(fù)載下壓力曲線

4.3 變壓差控制研究分析

傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)采用機-液控制的方法保持最大負(fù)載壓力與泵源壓力之間壓差恒定，使得負(fù)載敏感系統(tǒng)在負(fù)載大范圍變化時的操控性以及節(jié)能性不好。通過調(diào)整壓力裕度變化的方式可以實現(xiàn)電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)變壓差控制，使負(fù)載敏感系統(tǒng)適應(yīng)大范圍的負(fù)載變化。兩電磁比例閥閥口開度保持0.4 mm不變。設(shè)定壓力裕度在0～6 s時間段為10；6～12 s時間段為20；12～20 s時間段為30，即電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)最大負(fù)載壓力與泵源壓力差值在0～6 s，6～12 s，12～20 s 3個時間段分別為1，2，3 MPa。給定液壓缸1負(fù)載為50000 N恒定不變，液壓缸2負(fù)載為5000 N恒定不變。圖11為在變壓差條件下泵源壓力曲線、液壓缸1回路以及液壓缸2回路電磁比例閥前后壓力曲線。

由圖11可知，電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定最大負(fù)載壓力與泵源壓力壓差變化，泵源壓力跟隨最大負(fù)載壓力升高且壓差保持不變。當(dāng)調(diào)定壓力裕度為10時，泵源壓力在穩(wěn)態(tài)時維持在7.72 MPa上下浮動，最大負(fù)載壓力維持在6.74 MPa上下浮動，壓差維持在1 MPa。當(dāng)壓力裕度由10切換至20時，經(jīng)過約3 s的超調(diào)與振蕩后，泵源壓力在穩(wěn)態(tài)時維持在9 MPa上下浮動，最大負(fù)載壓力維持在7 MPa上下浮動，壓差維持在2 MPa。壓力裕度從20切換至30時，系統(tǒng)壓力變化趨勢與壓差由1 MPa切換至2 MPa大致相同，泵源壓力在穩(wěn)態(tài)時維持在10.4 MPa上下浮動，最大負(fù)載壓力維持在7.4 MPa左右，壓差維持在3 MPa。給定液壓缸2的負(fù)載為5000 N保持不變，當(dāng)壓力裕度切換時，由于壓差變化造成泵源壓力的超調(diào)與振蕩，使得液壓缸2回路中電磁比例閥前后壓力也會產(chǎn)生相應(yīng)的超調(diào)與振蕩。但是由于液壓缸2負(fù)載壓力不為最大負(fù)載壓力，所以液壓缸2回路中電磁比例閥前后壓力除泵源壓力波動造成的波動外，液壓缸2回路負(fù)載壓力基本維持在1.44 MPa不變，電磁比例閥閥前壓力維持在3.35 MPa左右不變，說明電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)采用閥前壓力補償?shù)姆绞娇梢詫崿F(xiàn)單泵多執(zhí)行器同時工作，且各執(zhí)行器之間獨立工作互不影響。

1.泵源壓力 2.液壓缸1回路電磁閥閥前壓力3.液壓缸1回路電磁閥閥后壓力4.液壓缸2回路電磁閥閥前壓力5.液壓缸2回路電磁閥閥后壓力圖11 變壓差情況下系統(tǒng)壓力曲線

圖12為在變壓差條件下兩回路電磁比例閥流量曲線以及最大負(fù)載壓力與泵源壓力之間壓差變化曲線。由圖12可知，泵源壓力與最大負(fù)載壓力之間壓差變化時，最大負(fù)載回路即液壓缸1回路中，過電磁比例閥前后流量同時也產(chǎn)生相應(yīng)變化。壓差增大，電磁比例閥流量也相應(yīng)增大。當(dāng)壓差為1 MPa時，液壓缸1回路電磁比例閥流量穩(wěn)態(tài)時為13.6 L/min左右。當(dāng)壓差由1 MPa切換至2 MPa，液壓缸1回路電磁比例閥流量穩(wěn)態(tài)時為18.5 L/min左右。當(dāng)壓差為3 MPa 時，液壓缸1回路電磁比例閥流量穩(wěn)態(tài)時為22.9 L/min左右。由圖10可知液壓缸2回路電磁比例閥流量，除了在壓差切換時刻會產(chǎn)生波動，其余時刻基本保持在18.75 L/min。這說明壓差變化并不會影響較小負(fù)載回路的正常工作，并且會使最大負(fù)載回路流量增大、壓力增大。

1.小負(fù)載回路電磁閥流量 2.最大負(fù)載回路電磁閥流量3.泵源壓力與最大負(fù)載之間壓差圖12 壓差與兩回路負(fù)載流量曲線

5 結(jié)論

提出一種電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)，利用直線電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)中變量缸，來調(diào)整軸向柱塞變量斜盤傾角達到調(diào)整軸向柱塞泵排量的目的，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。采用流量前饋以及壓差反饋控制，實現(xiàn)了電控負(fù)載敏感的功能，避免了傳統(tǒng)機-液負(fù)載敏感系統(tǒng)的缺點。通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真驗證了電控直線電機變排量負(fù)載敏感的可行性，并與傳統(tǒng)機-液反饋負(fù)載敏感系統(tǒng)進行了對比研究，得出電控直線電機可以實現(xiàn)負(fù)載敏感功能，相對于傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度以及魯棒性，電控直線電機變排量負(fù)載敏感系統(tǒng)還可以通過壓力裕度的調(diào)整，來改變最大負(fù)載與泵源壓力之間壓差，實現(xiàn)變壓差控制，通過改變壓力裕度方式適應(yīng)不同的工況，擴大系統(tǒng)適應(yīng)負(fù)載的范圍。