基于負載前饋變排控制的泵控馬達系統仿真研究＊

劉志文，關中原

（1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學城南學院，湖南 長沙 410015）

在一些移動車輛中，例如工程移動車輛通常由液壓系統驅動行走輪，用電控系統進行控制，并借助液壓系統對行走輪進行制動[1]。現有機電液系統驅動行走輪的驅動閉合回路中，利用液壓泵與液壓馬達作為液壓驅動回路中的動力元件與執行元件，利用踏板、制動鉗作為液壓制動回路的控制元件與執行元件，但當再制動時，勢必會導致驅動回路中馬達轉速降低，而泵的輸出量不變，使得工作管路壓力驟然增大，驅動裝置將承受很大沖擊[2-5]。

為解決現有機電液系統中由于制動時驅動回路液壓油壓力出現驟然上升而導致液壓元件損壞的問題，擬提出一種基于負載前饋控制的實時變排液壓驅動系統，以獲得更高的靈敏性、安全性和效率。

1 泵控馬達系統非線性數學模型

變量泵-變量馬達串聯系統如圖1 所示，給予變量泵一定轉速wp，外界施加于系統的負載為Tm，通過動態調節變量泵排量Vp以及變量馬達排量Vm，來得到預期的系統負載擾動響應特性。

圖1 泵控馬達串聯系統結構圖

1.1 變量泵流量方程

變量泵流量方程為：

式（1）中：ωp為變量泵轉速，rad/s；Cip為變量泵內泄漏系數；Ph為變量泵高壓腔壓力，Pa；Pl為變量泵低壓腔壓力；Cep為變量泵外泄漏系數；Vp為變量泵排量，Pa；γ為變量泵斜盤傾斜角。

1.2 變量馬達流量方程

變量馬達流量方程為：

式（2）中：ωm為變量馬達轉速，rad/s；Cim為變量馬達內泄漏系數；Cem為變量馬達外泄漏系數；Vm為變量馬達排量；α為變量泵斜盤傾斜角。

1.3 流量連續方程

變量泵-變量馬達系統高壓腔管內的流量連續性方程為：

1.4 變量馬達力矩平衡方程

在不考慮負載彈簧剛度的情況下，有：

式（3）中：Jm為變量馬達等效轉動慣量；Bm為變量馬達側粘性阻尼系數；Tm為變量馬達端負載力矩。

2 泵控馬達負載前饋控制仿真

為解決液壓驅動車輛因制動而導致系統壓力驟升產生沖擊的問題，提出基于負載前饋控制的控制方法[6-8]，用以輔助車輛的制動，同時削減壓力的沖擊或將其保持在一定范圍內。

2.1 前饋控制律

擬提出一種控制方案，即當制動力矩產生時，結合前面的排量調節特性，使泵排量減小、馬達排量增大，調節量則采用基于負載力矩的比例調節來得到：

式（4）中：γd、αd為泵和馬達斜盤的基礎調節量；K1、K2為前饋增益。

2.2 仿真分析

基于Simulink 對前述非線性模型進行前饋控制仿真，仿真參數如表1 所示，仿真模型如圖2 所示，采用2 種負載激勵方式，分別模擬不同的制動模式，得到如圖3 所示的仿真結果。

表1 仿真參數

圖2 Simulink 負載前饋仿真模型

圖3 負載前饋控制系統響應圖

采用負載前饋控制下的系統壓力和馬達轉速在一定程度下被削減，其中采用泵單通道前饋控制的模式后，馬達的轉速有明顯的回彈效應，這是由泵自身的輸出特性決定的[9]。采用雙通道的負載前饋控制策略可以明顯改善系統壓力的響應特性，使系統壓力不隨負載（制動力矩）的加入而驟升，且保持在一定范圍內，同時馬達轉速相對于其他控制策略它的下降速度提升了23.6%，穩態轉速最低，這和駕駛員的制動意圖是相吻合的，在抑制壓力驟升的同時提升制動性能。

3 結束語

本文提出一種基于負載前饋控制的泵控馬達系統的速度以及壓力的控制方法，以解決因負載介入而導致系統壓力驟升的問題，同時輔助制動，加快馬達轉速的下降。經過Simulink 仿真表明，通過負載前饋增益來動態調整變量泵和變量馬達的排量，可使系統壓力保持在一定范圍內，有效抑制其增長，同時馬達轉速加速下降，可以很好地與駕駛員的制動意圖相吻合。