V/F控制模式下恒壓泵動力源特性研究

閆 政

(晉中學院機械系， 晉中 030619)

0 引言

液壓動力源具有高能效、流量變化范圍大，控制方式多變等特點[1-3]，廣泛應用在工程機械、礦山設備、軍工航天等領域[4-5]。電液動力源由原來定轉速驅動定量泵發展到變排量液壓泵，通過控制閥實現了恒定壓力、恒定流量、恒定功率的輸出，在工作周期大大降低了噪聲，提高了能效。為此，有學者通過改變配流盤卸荷槽結構，設計新的卸荷槽降低脈動，提高泵的動態響應[6-12]，也有建立斜盤動態數學模型分析變量泵動態特性[13-14]，該控制模式下雖降低了系統能耗，實現了壓力、流量和功率的復合控制，但所有研究只在變量泵部分。在工作過程中，無論執行機構是否處于運行狀態，電機一直處于額定轉速下運行，能耗大，噪聲大。

通過降低驅動定量泵轉速達到節能降噪[15-16],也有變頻控制電機和變量泵組合實現流量、壓力控制[17-18],變頻驅動的變量泵控制壓力存在滯后，帶載啟動動態特性差。隨著伺服電機的快速發展，通過伺服電機與定量泵、變量泵組合實現流量、壓力和功率的控制是新的發展趨勢[19-23],但變轉速控制不能解決低流量、高壓力條件下的節能降噪，同時伺服電機控制存在性價較低、只能適用于功率較小的系統和對壓力控制采用積分閉環控制存在系統運行不穩定的問題[24-26]。

利用變量泵控制閥實現了壓力、流量和功率的復合控制，但恒定轉速存在非工作周期能耗大的問題。變速異步電機驅動存在壓力控制滯后帶載啟動動態特性差；伺服電機驅動存在積分控制壓力不穩定、性價比低，變速驅動也未對恒壓模式和非工作周期的能效開展研究。本文提出采用變頻V/F控制模式，變頻器驅動異步交流電機提供恒壓泵的動力，設計電液動力源，利用恒壓泵解決壓力控制滯后不穩定的問題，利用流量反饋變頻控制轉速實現流量控制，同時對壓力和流量控制實現功率控制，對帶載啟動滯后問題采用蓄能器輔助啟動，同時對非工作周期和高壓小流量下工況開展試驗。

1 動力源工作原理與仿真模型

1.1 工作原理

變頻器壓頻比(V/F控制模式)為額定電壓和額定頻率的比，設定基準電壓為380 V，基準頻率為50 Hz，在預置啟動模式下，可以充分利用低功率大轉矩的機械特性實現驅動控制和電機帶載啟動。變頻器設置為V/F控制模式，將液壓系統的壓力和流量信號轉換為電壓信號，設置為控制器輸入參數，初始信號直接轉換為電壓信號對變頻器的頻率進行控制，實現以設定的轉速驅動電機。

V/F控制模式下變轉速驅動恒壓泵系統主要由變頻器、三相異步交流電機、恒壓泵、壓力先導閥、蓄能器、dSPACE硬件及軟件部分、壓力流量傳感器、功率儀等組成，工作原理如圖1所示。負載壓力低于恒壓泵壓力先導閥設定壓力時，恒壓泵全排量輸出流量；當負載壓力達到設定壓力時，斜盤會隨著負載流量需求進行擺動調節排量，滿足負載需求。蓄能器主要作用系統在啟動過程中補償泵供油不足所需流量，提供大扭矩反拖電機實現快速啟動。驅動轉速由變頻異步電機控制，滿足負載所需壓力、流量。在V/F控制模式下，當負載壓力達到設定恒壓泵壓力時，此時處于恒壓模式工作，通過驅動轉速和排量兩個變量乘積決定流量的變化。如果恒壓模式無法滿足負載功率要求時，驅動轉速降低保護液壓系統過載。當處于非工作模式時驅動電機設定最低轉速降低額外功耗。如果工況需要突然進入工作模式，通過蓄能器輔助液壓泵驅動實現快速啟動。

圖1 V/F控制模式下恒壓泵工作原理圖Fig.1 Operating principle diagram of constant pressure pump under V/F control mode

1.2 電機及變頻器組成的數學模型

變頻器驅動三相交流電機的電機定子側電壓u1和電流頻率f1。變頻器的控制電壓uf到恒壓泵轉速的轉換過程為：信號電壓uf為0～1 V，對應的變頻器輸出頻率f1為0～50 Hz，電機對應轉速np為0～1 500 r/min。

控制電壓和頻率關系可表示為

f1=Kuuf

(1)

電機轉速和頻率關系可表示為

np=Kpf1

(2)

異步電機電磁轉矩公式為

(3)

電機軸轉矩平衡公式為

(4)

電機負載轉矩公式為

(5)

式中Ku——變頻器增益系數

Kp——頻率變轉速增益系數

mp——電機的磁極對數

R′2——折算后每相電阻

u1——異步電機相電壓

Kf——頻率電壓轉換系數

np——電機實際轉速

Dp——泵排量

pd——泵出口壓力

ηpm——泵機械效率

t——時間

1.3 壓力先導閥數學模型

電液動力源恒轉速驅動下，恒壓泵輸出流量由排量變化去實現。通過高壓油流過壓力先導閥，流入控制活塞腔與反饋活塞腔、兩腔壓力差與彈簧建立動力學平衡方程，實現排量的改變，恒壓功能壓力取決于壓力先導閥壓力。利用壓力先導閥的電磁力對閥芯進行控制，實現先導控制壓力的設定。對于壓力先導閥模型的建立，磁滯回線對控制影響較大。

磁滯回線特性方程為

(6)

(7)

式中Hed——渦流磁場強度

Hex——剩余損耗磁場強度

σ——材料導電率

В——磁感應強度

d——疊后厚度

G——材料橫截面積

V0——磁場分布統計參數

目前四肢手術時首選氣壓止血帶作為止血工具，目的是為有效地控制術中出血，保持手術視野清晰，縮短手術時間。但在臨床工作中常發現有部分患者因氣壓止血帶的使用不當導致皮膚損傷、止血帶麻痹、筋膜間隙綜合征和深靜脈栓塞等止血帶損傷等并發癥，其中以皮膚的損傷為最常見［1-2］。不僅給患者增加額外的身心創傷，影響了疾病的康復進程，而且容易誘發醫患矛盾，給臨床工作帶來一系列負面效應。如何正確認識氣壓止血帶使用時對皮膚形成的損傷因素，采取合理的護理對策，減少因此產生的再次損傷是護理人員須認真面對的問題。為預防氣壓止血帶對皮膚的損傷，我們采用手術貼膜加紙棉的方法，取得了較好的效果，現報道如下。

壓力先導閥動力學平衡方程為

(8)

式中y1——變量活塞位移

pc——控制活塞腔壓力

Ah——反饋活塞面積

Bc——阻尼系數

m——活塞和負載總質量

Ks——彈簧負載剛度

F——變量機構負載力

1.4 變量機構數學模型

變量泵通過斜盤兩邊控制活塞和反饋活塞建立力矩平衡方程，實現變量機構旋轉達到變量需求。反饋活塞缸內安裝壓縮彈簧，在壓力先導閥沒有和控制活塞連通時，泵處于最大排量。當負載壓力達到壓力先導閥給定壓力，高壓控制活塞通過杠桿作用推動彈簧活塞腔縮回，斜盤擺角變小。

變量機構動力學方程為

(9)

式中J——斜盤轉動慣量

θ——斜盤擺角M——斜盤阻力矩

M1——剛體內柱塞不平衡力矩

M2——斜盤摩擦力矩

M3——滑靴柱塞摩擦副阻力矩

M4——斜盤重力矩L——力臂

公式中當θ擺角增大取“-”運算符號，反之取“+”符號。

1.5 電液動力源仿真模型

建立完整的電液動力源仿真模型，須先建立變量泵、壓力先導閥、變頻器驅動電機子模型，見圖2，恒壓泵主要參數如表1所示。變量泵子模型由單柱塞模型、斜盤動力學模型、變量機構機液力學模型、配流盤配流面積程序設計模型組成。柱塞旋轉一周完成吸排油各一次，9個柱塞之間的角度差為40°。圖2右上角為變頻驅動三相異步電機的控制模型，基頻電壓信號和給定電壓信號為變頻部分的設定初始信號，壓力和流量反饋電壓信號為液壓模型和變頻模型的關聯部分。仿真模型中K1、K2、K3、K4、K5對應等效系數分別為：1.61、0.82、8.72×10-3、2.19、4.61×10-5。左上角為先導壓力閥模型。電磁溢流閥和比例方向閥組合完成負載加載。蓄能器、電磁換向閥和二位三通換向閥回路完成轉速提升、吸油壓力補給，實現電機快速啟動。

表1 主要參數Tab.1 Main parameters

圖2 動力源仿真模型Fig.2 Power source simulation model

2 電液動力源動態特性試驗測試

電液動力源特性試驗參數主要包括負載輸出壓力、流量和功率。試驗平臺主要包括變頻器、電機、恒壓泵液壓系統、dSPACE信號處理器、碩華工控機、各種傳感器。控制器對比例方向閥、壓力先導閥、電磁換向閥進行控制。變頻器輸出功率(電機輸入功率)采用WT3000型高精度功率測試儀進行測試，功率信號通過處理器集中采集到工控機，現場試驗如圖3所示。

圖3 現場試驗圖Fig.3 Test diagram1.變頻驅動及液壓系統 2.控制及功率儀 3.控制界面

3 動力源動態特性分析

3.1 恒壓特性

當電液動力源處于恒壓模式時，比例方向閥開口度設置方波信號，變頻頻率50 Hz控制信號設為1，線性關系。試驗時控制信號分別設為0.4、0.8、1共3個電壓，對應的轉速為450、1 200、1 500 r/min。比例方向閥實現通斷前后，為了維持恒壓泵恒壓特性，分別將比例方向閥開度信號電壓設置如圖4a所示。在此基礎先導閥上壓力設為20 MPa，仿真曲線見圖4b，試驗曲線見圖4c。

圖4 不同頻率恒壓特性曲線Fig.4 Constant voltage characteristic curves at different frequencies

由圖4c得到，0～0.5 s為負載流量突然變大工況，比例方向閥從0開始設定1個小口，負載流量突然增大，恒壓模式被動失去平衡。為了保持設定的恒壓模式，斜盤瞬間向最大擺角擺動，排量變大，負載流量增大，壓力恢復設定值，達到新的平衡狀態。當比例方向閥從1 s開始突然關閉時，負載不需流量輸出，壓力升高，斜盤回擺，處于內部卸荷狀態。由轉速450、1 200、1 500 r/min試驗數據可得，比例方向閥突然打開，恒壓模式壓力重新恢復恒壓狀態時間不超0.2 s，此過程斜盤擺角快速增大，系統輸出流量增大，超調量不超15%；當比例方向閥突然關閉，斜盤快速將擺角變小，流量突然降低進入新的平衡模式，此時壓力超調不超10%。恒壓模式壓力動態響應快，超調低，具有良好的壓力動態特性。仿真曲線和試驗曲線相吻合，模型準確性較高。

3.2 流量特性

在非恒壓工作模式下，電機轉速可以提前設定。在V/F控制模式下，電磁溢流閥壓力設置為8 MPa，比例方向閥關閉，通過溢流閥加載，此時泵處于最大排量工作模式，通過改變電機轉速觀察流量的變化，見圖5a。變頻電壓信號給定一個脈沖信號(0.3～0.4 V)，隨著轉速提升，泵輸出流量加大，流量達到穩定輸出時間超過1 s。進一步證實了變頻異步電機啟動較慢的問題。

圖5 流量特性曲線Fig.5 Flow characteristics

由試驗過程可知，變頻器與電機組成的動力源在液壓泵轉速提升時，動態響應較慢，所需時間較長。為了解決變頻異步電機啟動較慢問題，在轉速提升過程中，通過蓄能器給恒壓泵吸油口輸入高壓油液，使泵吸油腔注入高壓油液拖動電機和泵加速啟動。通過對不同蓄能器容積和充氣壓力組合進行仿真，經過組合分析，選定負載壓力8 MPa，變頻帶載啟動轉速為0～1 500 r/min，蓄能器充氣壓力、容積分別設為20 MPa和16 L、15 MPa和16 L、15 MPa和 20 L 進行仿真分析，見圖5b。

由圖5b可得，蓄能器容積變大電機啟動時間加快，充液壓力增大啟動達到平穩運行超調變大。變頻啟動系統蓄能器的容積及充氣壓力有關，對啟動起決定性因素。變頻啟動由原來的幾秒可以達到0.2 s內實現帶載啟動，解決了變頻異步電機啟動慢的問題。

按照仿真要求參數進行試驗，選用要求的兩個蓄能器，分別進行充氣。利用電磁溢流閥進行加載，加載壓力為8 MPa，試驗結果見圖5c。由圖5c可知，3組試驗啟動時間都在0.2 s內，充氣壓力高啟動快超調大。相同容積的蓄能器，充氣壓力大啟動較快。通過蓄能器輔助啟動解決了變頻異步電機啟動慢的問題，為變頻控制液壓系統提供了一種解決快速啟動的方法。

4 功率特性分析

4.1 恒功率

變頻V/F控制模式下，可以通過對負載壓力控制實現恒功率。控制器設給定功率為6 kW，給定功率與泵輸出壓力進行運算，得出流量，按照電壓控制信號與流量線性關系，可以得到所需控制壓力。液壓回路利用電磁溢流閥直接加載，將電磁溢流閥先調高再調低過程，負載保持恒功率，控制變頻器給定電壓按照負載壓力變化而變化，結果如圖6所示。由圖6可知，負載輸出壓力先升高后降低過程，輸出流量變化恰好相反，功率保持不變。

圖6 恒功率特性曲線Fig.6 Constant power characteristics

4.2 高壓小流量及壓力卸荷工況

在加緊、鎖模、支撐等多種工況下，需要動力源高壓小流量輸出，減小溢流損失、降低驅動轉速來提高能效。V/F控制模式下恒壓泵組成的電液動力源，利用恒壓泵恒壓特性，可以實現流量卸荷，滿足高壓力小流量工況。在系統高壓力小流量工作狀態下，可以繼續降低電機轉速，進一步達到節能降耗。試驗設定變頻控制信號電壓為0.3～1 V，對應電機轉速為 450～1 500 r/min，壓力先導閥設定壓力為8 MPa，比例方向閥關閉，電磁溢流閥壓力高于壓力先導閥壓力，試驗得高壓小流量電機輸出功率如圖7所示。

圖7 高壓小流量下功率曲線Fig.7 Power curves under high pressure and small flow

在系統非工作周期，系統壓力卸荷，流量全排量輸出，通過降低電機轉速可進一步降低系統能耗。試驗過程將安全閥設壓力為0 MPa，此時系統卸壓，全流量輸出，對應電機轉速從 450～1 500 r/min勻速上升，得到壓力卸荷，電機輸出功率如圖7所示。

設置電機轉速2～8 s內為 450～1 500 r/min，電機功率從1.6 kW同步上升到6.2 kW。當電機轉速穩定在1 500 r/min后，功率穩定在5.4 kW，在轉速提升時由于電機加速導致功率增大。由試驗得到高壓小流量工況下，通過降低電機轉速，系統功率降低70.3%。在非工作周期，電機轉速2～8 s內為 450～1 500 r/min，電機功率從1.3 kW同步上升至5 kW。當電機轉速穩定后為3.7 kW，在非工作周期通過降低電機轉速，系統功率可以降低64.8%。利用變轉速驅動恒壓泵，在高壓小流量和非工作周期，通過降低電機的轉速，系統功率分別降低70.3%和64.8%。

4.3 恒壓模式

在恒壓模式下，負載需要流量恒定時，可以通過變轉速和變排量組合的方式實現恒定輸出流量。在系統中利用比例方向閥進行加載，在恒壓模式下，輸出流量恒定。通過變頻器設定轉速由450 r/min勻速提至1 500 r/min，提速時間調整為10 min，此時電機加速額外能耗可以忽略不計。設定數據組合保證電機最低轉速為450 r/min時，變量泵通過調整排量可以輸出設定流量，可以保證最低轉速時排量沒有達到最大值，保證試驗進行過程轉速和排量組合變化時刻有效，泵一直處在恒壓模式下運行。采用3組調定流量和壓力組合數據進行試驗，增加試驗準確性。3組試驗數據分別為壓力6 MPa和流量9 L/min、壓力11 MPa和流量14 L/min、壓力18 MPa和流量15 L/min，試驗結果見圖8。隨著轉速提升3組試驗數據最低轉速450 r/min時功率分別為1.8、4.3、7.2 kW，轉速為1 500 r/min時功率分別為5.6、8.1、10.9 kW。3組數據最高轉速和最低轉速功率差分別為3.8、3.8、3.7 kW，從試驗數據可得到，恒壓模式下負載壓力和流量恒定時，可以通過大排量小轉速組合實現系統能耗降低。從試驗結果可得，該系統電機在最低轉速運行能耗可降低3.8 kW。

圖8 恒功率模式變轉速功率曲線Fig.8 Constant power mode variable speed power curves

5 結論

(1)仿真和試驗結果表明，該電液動力源可以實現壓力、流量、功率控制，控制方式簡單、靈活。

(2)V/F控制模式下，通過蓄能器補給變量泵吸油壓力能，解決因變頻異步電機啟動慢的問題。在負載壓力為8 MPa時，在0.2 s內可以使電機轉速上升到1 500 r/min。

(3)電液動力源在高壓小流量和非工作周期通過降低電機轉速，電機功率分別可以降低70.3%和64.8%；恒壓模式下，大排量低轉速該系統能耗可降低3.8 kW。