機(jī)械式反饋電比例控制泵研究

許建清 黃忠華

摘 要：本文介紹了在A4VSO中采用機(jī)械式反饋，彈簧位置力閉環(huán)控制的簡單電比例EP控制，分析了其工作原理，建立AMESim仿真模型并對照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：簡單電液比例EP控制在A4VSO上的控制精度符合設(shè)計(jì)要求，控制簡單，只需要輸入200～600 mA的直流電流信號，即可得到與之成比例的液壓泵輸出流量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式反饋；電比例控制；仿真；A4VSO

1 引言

液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，主要作用是將原動機(jī)（電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能。隨著智能化發(fā)展，電比例控制使用越來越多，如振動壓路機(jī)、攤鋪機(jī)、擠壓機(jī)、注塑機(jī)等，均采用了電比例控制的液壓泵。對于采用位移傳感器反饋，閉環(huán)控制的電比例控制液壓泵，控制原理為典型的閥控缸液壓系統(tǒng)。本文論述了采用機(jī)械式反饋，彈簧位置力閉環(huán)控制的簡單電液比例EP控制在A4VSO上的應(yīng)用分析。

2 控制模型：位移力——彈簧反饋

為了更好地論述簡單電液比例（EP）控制，本文首先對其采用的彈簧反饋、位置力閉環(huán)控制原理進(jìn)行分析，如圖1所示，該模型由一個(gè)二通插裝閥和滑閥式先導(dǎo)級組成。先導(dǎo)級由先導(dǎo)滑閥的閥口構(gòu)成的兩個(gè)可變液阻組成A型液壓半橋，液橋輸出控制對象為流量主閥芯上腔的壓力P2。

2.1 閥的工作原理

當(dāng)閥的輸入電信號為零時(shí)，先導(dǎo)閥芯在反饋彈簧預(yù)壓縮力的作用下，處于圖1所示位置，即先導(dǎo)閥進(jìn)油口為較小的正開口（0.3～0.4 mm），這是為了補(bǔ)償系統(tǒng)的泄露，使主閥上腔保持適當(dāng)?shù)膲毫Γ赜涂跒榱汩_口，主閥芯兩端受力平衡，主閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)。無論進(jìn)油口壓力Ps有多高，均沒有主流量從A口流向B口。給電磁鐵一個(gè)電信號，將輸出一個(gè)電磁力推動先導(dǎo)閥芯向下移動x，先導(dǎo)閥口打開，先導(dǎo)級處于工作狀態(tài)，使得流量主閥上腔壓力低于下腔的壓力，流量主閥閥芯有一位移y，流量主閥閥口打開，流量閥工作。與此同時(shí)，主閥芯位移經(jīng)反饋彈簧轉(zhuǎn)化為反饋力，作用在先導(dǎo)閥芯上，與輸入電磁力相平衡，使先導(dǎo)閥芯穩(wěn)定在某一平衡點(diǎn)上，使輸出主閥芯位移與輸入電信號成比例。這就構(gòu)成閥內(nèi)主閥芯位移——力反饋的閉環(huán)控制。

在流量閥穩(wěn)態(tài)時(shí)，流量先導(dǎo)閥芯的牛頓力平衡是：

FEM+P3A3-P2A4-Ffy-Kf（x0+x+y）=0

式中，

FEM——電磁力（N）；

A3——先導(dǎo)閥芯上端面面積（m2）；

A4——先導(dǎo)閥下端面面積（m2）；

Ffy——先導(dǎo)閥口穩(wěn)態(tài)液動力（N）；

Kf——反饋彈簧剛度（N/mm）；

x0——反饋彈簧預(yù)壓縮量（m）；

x——先導(dǎo)閥閥芯位移（m）；

y——主閥芯位移（m）。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，P2=P3，先導(dǎo)閥芯上下腔壓力相等（A3=A4）。如果忽略先導(dǎo)閥的穩(wěn)態(tài)液動力，可推出主閥芯位移y的近似表達(dá)式：

主閥的位移僅與輸入電磁力成正比，與負(fù)載變化、電磁鐵行程以及主閥的液動力幾乎無關(guān)。在工程應(yīng)用中，由于先導(dǎo)閥的穩(wěn)態(tài)流量較小，它的穩(wěn)態(tài)液動力可以忽略不計(jì)。

由閥的工作原理可知，主閥的液動力和摩擦力干擾受到位移——力反饋閉環(huán)的抑制。而先導(dǎo)閥芯和銜鐵上的摩擦力干擾，可通過合理選配材料，精確的加工及借助于疊加在主控制電流上的顫振信號加以約束。因此，它的穩(wěn)態(tài)控制性能較好。

2.2 先導(dǎo)液橋中液阻R的作用

在主級與先導(dǎo)閥之間，設(shè)置了動態(tài)液阻R，它并不影響閥的穩(wěn)態(tài)性能。而當(dāng)主閥芯運(yùn)動時(shí)，產(chǎn)生的動態(tài)流量A1×y，經(jīng)過液阻R被轉(zhuǎn)化為動態(tài)壓差，此附加壓差作用在先導(dǎo)閥芯的兩端，調(diào)整了先導(dǎo)閥口的開度，改變了控制壓力P2的值，從而對主閥的運(yùn)動產(chǎn)生明顯的動態(tài)阻尼作用，構(gòu)成級間的速度——動壓負(fù)反饋控制。改變R的阻值，可以獲得不同的動態(tài)特性，其最佳值可通過仿真及實(shí)驗(yàn)求得。

3 原理圖設(shè)計(jì)與分析

上述的位置力——彈簧反饋模型為典型的應(yīng)用，結(jié)合A4VSO的變量機(jī)構(gòu)特點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)的A4VSO簡單電比例EP控制原理圖如圖2所示，其中EP閥右側(cè)的電磁鐵對應(yīng)于圖1序號6的比例電磁鐵，左側(cè)的彈簧對應(yīng)圖1序號7的反饋彈簧，EP閥對應(yīng)圖1序號5的先導(dǎo)閥，變量油缸對應(yīng)圖1序號3的二通插裝閥。

如圖2所示，在電磁鐵不得電的情況下，控制油液經(jīng)過EP控制閥推動變量桿至左極限位置，液壓泵處于最小排量（外控油壓力至少大于變量桿的彈簧力，約3 MPa）。當(dāng)電磁鐵的電流逐漸由200 mA增大至600 mA，則變量泵的排量由0（由于實(shí)際為了滿足潤滑和泄露需要，需要調(diào)定略大于零）變化到最大排量。

對變量桿進(jìn)行受力分析可知，在電磁鐵不通電時(shí)，變量桿右側(cè)的液壓力克服左側(cè)的液壓力和彈簧力，將變量桿推至最左側(cè)，此時(shí)泵處于小排量；當(dāng)電磁鐵開始通電，并由200 mA開始逐漸增大至600 mA，則此時(shí)的控制閥從左位逐漸過渡到右邊的位置。隨著變量油缸位置的變化，反饋?zhàn)饔迷贓P控制閥左側(cè)的彈簧上，電磁力與EP控制閥左側(cè)的彈簧力構(gòu)成位置力——彈簧力反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

變量桿的受力方程如（2）所示：

P×A1+F彈簧=P×A2 （2）

式中，

P——EP控制閥壓力（MPa）；

A1——有桿腔面積（mm2）；

A2——無桿腔面積（mm2）；

F彈簧——變量桿彈簧力（N）。

EP控制閥的受力方程如（3）式所示：

F電磁力=F反饋彈簧=K反饋彈簧×△x （3）

式中，

F電磁力—電磁鐵在電流作用下產(chǎn)生的電磁力（N）；

F反饋彈簧—EP控制閥反饋彈簧的力（N）；

K反饋彈簧—EP控制閥反饋彈簧的彈簧剛度（N/mm）；

△x—變量桿與EP控制閥的相對運(yùn)動位移量（mm）。

綜上所述可知，變量桿與EP控制閥的相對位移量△x（即變量泵的排量變化），與電磁力的大小成正比（即電磁鐵控制電流的大?。?/p>

4 AMESim仿真模型的建立與分析

根據(jù)上述分析并結(jié)合圖2所示的A4VSOEP控制原理圖，利用液壓仿真軟件AMESim建立圖3所示的簡單電液比例EP控制的AMESim仿真模型。

通過改變反饋彈簧的剛度，可以在AMESim批處理下得到不同反饋彈簧剛度下的電流——流量曲線，如圖4所示。由圖4可知，如果反饋彈簧的剛度太小，在電流信號較小的情況就得到最大流量，而反饋彈簧的剛度太大，則在電流信號到達(dá)600 mA最大值時(shí)仍未達(dá)到最大流量，并可知在反饋彈簧剛度大約為10 N/mm時(shí)，參數(shù)匹配最佳，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5為采用簡單電液比例EP控制的A4VSO180液壓泵實(shí)物圖，其中簡單電液比例控制閥的右側(cè)即為比例電磁鐵，零位調(diào)節(jié)螺釘為調(diào)節(jié)彈簧力與輸入起步電流（200 mA）的一個(gè)匹配微調(diào)旋鈕。

改變電磁鐵的輸入電流，從200 mA逐漸增加至

600 mA，然后從600 mA逐漸減少至200 mA，并同步記錄對應(yīng)的流量值（轉(zhuǎn)速1000 r/min），繪制簡單電液比例EP控制測試曲線，如圖6所示。

6 結(jié)語

綜上所述，簡單電液比例EP控制在A4VSO上的控制精度符合設(shè)計(jì)要求，控制簡單，只需輸入200～600 mA的直流電流信號，即可得到與之成比例的液壓泵輸出流量。主要產(chǎn)品優(yōu)勢如下：

1）采用機(jī)械式反饋，在保證控制性能要求的基礎(chǔ)上，減少了傳統(tǒng)采用控制器方案的位移傳感器和控制器電器元件，大幅提高了產(chǎn)品性價(jià)比；

2）液壓泵上減少了位移傳感器、控制信號放大器等電器元件，適應(yīng)了要求使用電比例控制但又不允許采用較多電器元件的應(yīng)用場合。

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