英语原文共 9 页

电气节能压力补偿液压系统

Tao Wang and Qing f eng Wang, Member, IEEE

摘要：移动液压系统是朝着更好的控制性能和更高的能源效率发展起来的.压力补偿是控制压降而不是控制压力。在系统中得到广泛应用，以提高系统的可操作性。然而，额外的能量也在补偿器中耗散，特别是在超越负载条件下。本论文一种新颖的节能系统，其中补偿器被设计为由液压马达和发电机组成的再生装置。然后，对液压能量进行再生和压力确定补偿功能是通过使发电机的电磁转矩适应于负载来实现的。发电机的闭环控制是通过有效的压降估计来设计的。所提出的节能系统和控制器是在装有储能装置的混合式变送器实验平台上实现的。实验结果表明，该方法具有良好的控制性能和显著的节能效果。

关键词：节能，混合系统，液压执行器，压力补偿，再生

导言

近年来，能源危机和环境污染已成为世界面临的越来越严重的问题。为了节约能源和减少排放，我们付出了很多努力。在各个领域。液压系统在工业应用中得到了广泛的应用，但它们的效率在6%到40%之间。因此，提高液压系统的节能潜力是有意义的。

开发高效的液压系统是节约流体动力能量的重要途径，通常可分为两类。一种是将泵的输出功率与期望的功率相匹配，另一种是使制动动能和重力势能等基本能量相匹配。

在第一类有效系统中，其中一个典型的是负载传感(Ls)系统，它已经被广泛地应用于移动液压机器。LS技术的基本思想是通过对最高负荷压力的反馈来控制流量供应[2]。然而，由于反馈控制，LS系统容易发生振荡，因此需要仔细检查其阻尼和稳定性[3]，[4]。在传统的控制阀中，仪表与仪表之间是连接在一起的，在一定的工作条件下会造成额外的损失。单阀LS系统的更进一步是对阀门的控制，以节省更多的能源[5]，[5]。。泵控系统是一种比调节系统效率更高的系统，因为在主液压管路内完全消除了再分配损失。但由于非线性和高阶动态特性的存在，使得控制器的设计存在困难。

能量再生可以通过三种途径实现：交叉连接、液压存储和电存储。姚和刘研究了一个节能型液压系统，其中一个单杆缸由五个独立的插装阀控制[10]-[13]。四个阀门组成一个独立的系统，另一个则由气缸的两个腔室连接来进行能量回收。液压蓄能方法是将副能量转化为水力形式，储存在一种新的容器中，并使用二次元件或辅助缸[14]-[17]将其释放出来。由于水力蓄力器通常需要很大的安装空间，增加其能量密度将大大改善其应用[18]。在电再生系统中，能量转换成电的形式，可以直接传递给任何电气设备。因此，对于装有电池或超级电容器的混合动力或电力驱动液压机械来说，这是一种合适的节能方法[19]-[22]。然而，在大型移动式机械中，当它们被发电机的转速而不是阀门的开口所控制时，诸如液压分度会变得更差。

良好的控制性能也是液压系统追求的重要方面。在单泵系统中，压力调节通常用于控制压力降，从而减小负荷变化的影响，使负荷变化的影响不同。因此，RS几乎不用交互就可以操作。然而，缺点是泵在使用时应提供额外的能量消耗，特别是在负荷条件下。

本文介绍了一种将压力补偿器和电气再生装置结合起来的节能型压力补偿液压系统。该系统可同时实现压力补偿和能量再生功能。可回收利用能源包括额外的泵供给和外部输入，如重力势能，在有要求时转换成电气形式。再生装置主要由液压马达和矢量控制发电机组成.通过使发电机的电磁转矩与负荷相适应，可将压降控制在相对较低的水平上。设计了一种基于有效压降估计的闭环控制器。最后，在混合动力系统实验平台上，对不同工作模式下的节能系统和控制器进行了测试。实验结果表明，该系统具有良好的控制性能和显著的节能效果。

论文的其余部分组织如下。第二节介绍了系统方案。执行情况分析载于第三节。第四节给出了实验设置和评价，论见第五节。图1.基本原理。(A)传统压力补偿器。(B)改进结构。

图2.液压系统图

图3.能量分布(A)负荷。(B)过负荷

配置

本研究的基本思路如下所示。其目的是同时实现压力补偿和能量再生的功能。在改进的结构中，传统的减压阀用由液压马达和耦合式发电机组成的再生装置代替。

图2显示了所提议的液压系统的原理图。它可以用于多个并行工作的应用程序中。此外，当两者之间的负荷差较大时，节能效果更显著。负载条件可以是相同的，也可以是其他的，它是由外力的方向和大小决定的。供油采用最高工作负荷通过梭阀，并将泵压力设为主负荷压力和恒定裕度之和。液压马达和发电机用于将水力能量转换成电能并提供补偿压力。为了使系统紧凑有效，轴向活塞电动机和永磁同步发电机因其高效率和高功率密度而成为较好的选择。通常使用电池和超级电容器作为常见的储能设备。将该系统应用于混合动力或电力驱动的液压机是比较经济的，因为这台机器已经配备了储能装置。否则，存储设备的额外成本将削弱该系统的节能优势。

能源

对不同负荷条件下的平均能量进行评价设计有必要的。主要液压回路的能量分布见图3。其中Ps是泵供应的压力,PM是马达入口压力,Q1 和 Q2是活塞侧和杆侧的汽缸流量。Delta; Pin

和 Delta; Pout是仪表上的压降，F ex是外力V c是汽缸的速度。

再加上泄漏损失，负荷下的基本能量可以表示为：

= （1）

在“其他负载”下，表达式编写为：

= （2）

根据式(1)和(2)可以观察到，当负荷增加时，过量的泵供给和外部输入能量都是相当大的。但是当负荷增加时，只有过剩的泵才能供给能量。此外，如果执行器的负载压力是最高的，就不会有更大的能量，因为电源只满足执行器消耗的要求。因此，可回收利用能源与负荷条件密切相关。

功能实现

如何将压降控制在较低的常数上，是需要解决的关键问题。传统液压传动是以控制的两个口的压力油为先导供应。同样，一个直接的方法是使用压力传感器反馈的压降闭环控制，但这需要额外的成本。本文提出了一种简单、经济的补偿功能实现方法。首先，根据矢量控制永磁电机的转速信息，计算流过电机的流量。其次，根据压降的逆流映射，估算出压降。第三，通过调节比例反馈控制器来控制压降。

如图1所示，忽略油压，流量可计算为：

（3）

其中omega;m是转速，dm是位移，eta;v是液压马达的容积效率。通过试验，合理地忽略了eta;v的变化。，特别是当液压马达的泄漏流量相对较大时。为了获得更精确的结果，需要建立一个更精确的表格。

流通量表示为：

(4)

Kq是流量增益系数，xv是阀门的位移，Delta;pv是压降。在实验中，阀门动力是可以忽略的，阀芯位移通过已知的静态映射与控制信号直接相关[25]。因此，压力损失可以通过将计算出的流量替换为(4)估算出，并给出如下所示

（5）

通过详细多次试验，可以保证逆流映射的精度。而且一个小的建模错误在一定程度上是可以容忍的。然后在此基础上，设计了一种简单的压降反馈控制器。发电机的电磁转矩指令为 ：

（6）

其中lambda;是比例增益，Delta;是期望的压降，这是一个预定的常数。从表达式中可以看出，发电机的再生力矩会增加。当压降大于期望值时，可以减少更大的耗散。tg的值是饱和的上限和下限，它们分别是发电机的最大转矩和零转矩，以避免发电机处于或工作于电机模式。

iii.性能分析

A.稳态分析

在文献[25]中，建立了一种常规的控制单棒圆柱的模型。与传统系统相比，所提出的再生装置的主要区别在于用表外油驱动再生装置，而不是返回油罐。因此，本研究主要集中在再生装置上。实际压降写成：

（7）

其中PI是液压马达的输入压力，pm是液压马达的输入压力。

在稳定状态下，忽略过渡扭矩，该再生装置是扭矩平衡的，并表示为：

（8）

根据(6)-(8)，用实际值代替计算的压降，得到以下表达式：

(9)

当比例增益适当大时，压降接近预定常数。然后，输入压力对流量的影响很小。再生装置相当于液压再生装置。

频率响应

在标称操作点进行，以分析系统的频率响应。。在模型中，流通量可以表示为：

（10）

其中Kvq是流量增益，而其中Kvp是再分配系数。估计的压降如下：

（11）

其中kmomega;和km是估计的压降对转速和位移的估计值。

给出了各阻尼孔与液压马达之间的流动方程：

（12）

其中vm是室容积，ct是液压马达的总泄漏系数，它是内部泄漏系数和外部泄漏系数之和，而pr是油箱压力，大致为零。

再生装置转子的动力学表示为：

（13）

其中，总转动惯量为tf，而阻尼和粘滞力矩的组合系数为bm。

通过取(6)和(10)-(13)的拉普拉斯变换并求解在PA底部示出的等式(14)，可以获得从输入压力到流率的传递函数。

从(14)可以看出，在低频范围内传递函数的大小是非常小的，因为在低频范围内，靶区的流压系数通常要比传统的大得多。泄漏系数CT在高频范围内，其幅值几乎等于等值线，这意味着压力补偿函数被禁用。因此，操作频率应该设计远离禁用的频率范围

为了进行详细的分析，有必要对参数进行量化。在操作点，PI为10 MPa，体积分数为-4m3/s。其他参数的值见表一。。图4显示了不同比例增益下的频率响应。随着比例增益的增加，幅值变小，工作频率范围变小。因此，控制参数的设计应考虑执行器的实际运动频率，以保证系统的压力补偿功能，实验中选择了比例增益的取值为12。

图4.不同比例增益下的频率响应。

iv.实验研究

A.实验平台

改进的节能系统和控制器在图5所示的混合动力挖掘机的实验平台上实施。

在平台上，缸内活塞和杆厚分别为0.115 m和0.065 m。该泵由一台发动机和一台电机组成的混合动力源驱动，可在31.5兆帕压力下每秒供应0.002立方米液压油。比例方向流量阀的额定流量为1.67e-3m3/s，液压马达的固定排量为5.5e-5m3。泵、阀和马达都是主要的产品。为满足再生应用的需要而专门设计的永磁同步发电机，最大电磁转矩160Nm。

图5.混合机实验平台图

图6.实验平台的部分硬件 图7.空载速度阶跃响应。

图8.速度阶跃响应随载荷变化。

超级电容器是指容量和标称电压分别为F和400 V的一种新产品。该变流器是一种最大电流和电压为200 A和600 V的产品。在数字信号处理卡上实现了实时控制算法。.使用每旋转3200个脉冲的旋转位置传感器来检测发电机的转子位置和速度信息，用于矢量控制和流量计算。在其他情况下发电机的矢量控制和1 khz的矢量控制中，采样率为10 khz。实验系统还配备了流量传感器、压力传感器、位移传感器、扭矩传感器、电流和电压传感器等辅助传感器。或者系统的状态。图6显示了平台的部分硬件。

B.基本运动测试

首先对臂架气缸的一些基本运动进行了测试。在实验中，泵压力设置为14 MPa，能够在满载的情况下提高臂架。输入信号是通过编程进行比较而产生的。图7显示了当桶为空时，速度阶跃响应为0.02%和m/s时的速度阶跃响应。图8显示了桶满时的结果。结果表明，该系统具有良好的动态性能，响应时间均小于0.5s。最后在9中给出了斜坡跟踪的实验结果，结果表明测量速度与指令值之间的误差很小。图10显示了速度连续的方向变化。观察到实际速度和位移变化平稳，无振荡。结果还表明，通过在阶跃输入信号中加入适当的斜坡，可以降低输入信号的利用率。

图9.无负载的速度斜坡跟踪。

图10.无载速度的连续方向变化

压力补偿功能

然后对补偿函数进行了实验验证。由于臂架柱为单杆，且不对称，所以当臂架上升时，预定压降设置为0.5 MPa，下降时为2 MPa。图11显示了在0.06m/s速度下的实验结果。结果表明，实际压降接近所需的常数，发电机转矩对负荷压力是自适应的。再生能量由充电电流和电压变化来指示。如第11节所示，在空载条件下，当臂架上升时，比在负载条件下的能量更多。而当下降时，得出的结论正好相反。因此，实验结果与第二节中的解析表达式(1)和(2)一致。图12给出了模拟负载扰动下的实验结果，通过改变泵的压力来实现。泵压力由4s时的14 MPa变为17 MPa，12 s后降至14 MPa。可以看出，虽然负荷条件发生了变化，但压降仍保持不变。此外，突发性扰动引起的速度变化小于10%。.图13显示了挖掘作业的实验结果。在这个操作中，桶在下降过程中触地。负载状况变得非常大的电阻性负载，并且降低速度接近零。因此，几乎没有任何能量可以恢复。如第13节所示，杆侧压力迅速增加，活塞侧压力在4秒时迅速下降。发电机转矩控制指令或者计算的压降变得比预定值小得多。因此，在所提出的系统中可以很好地完成挖掘操作。

节能评价

为评价节能效果，计算如下：

其中ES是

资料编号：[4250]