6.3 泵控電液伺服系統的研究

液壓機發展趨勢之一就是高精度液壓機的發展，液壓機的高精度要有可控性好、控制精度高的液壓系統來保證。電液伺服系統可以充分發揮電子與液壓兩方面的優點，其具有力或力矩大、精度高、響應速度快及靈活性好等優點，因而得到廣泛的應用。

6.3.1 電液伺服系統分類

電液伺服系統主要由電子電氣元件、電液伺服閥、液壓元件、反饋檢測元件和控制對象等組成。根據液壓控制元件的不同，電液伺服系統可以分為閥控式和泵控式兩大類。

閥控式液壓伺服系統是由伺服閥、執行元件、反饋元件、被控對象等組成，執行元件的流量或壓力的變化是通過改變伺服閥的流量來實現的。閥控式液壓伺服系統具有系統精度高、輸出功率大、響應快等優點，因此閥控式液壓伺服系統廣泛應用于工業生產中。但是其也有固有的缺陷：

1）盡管閥控液壓伺服系統具有控制精度高、直線性好及靈敏度高等優點，但污染的液壓油容易造成伺服閥的磨損，進而影響伺服閥的控制精度，因此閥控液壓伺服系統對油液的純度要求非常高。該系統需要增加過濾技術以提高工作油的純度，這樣就提高了閥控電液伺服系統的成本。

2）在閥控式液壓伺服系統中一般都是定量泵提供液體的壓力及流量，因此在系統中存在溢流閥或節流閥，這必將使由節流損失而導致的油溫升高。

3）由于伺服閥結構復雜、成本比較高，其價格是普通閥的幾十倍甚至上百倍，因此增加了系統的成本。

4）在功率匹配的情況下，伺服閥提供的負載壓力最大只有油源壓力的2/3，系統能量浪費嚴重。

泵控式液壓伺服系統一般是由定量泵或變量泵、可調速電動機、執行液壓元件等組成，控制執行元件的流量或壓力的變化是通過改變泵的流量來實現的。泵控式液壓伺服系統因沒有節流損失，所以效率高、發熱量小。但其也存在以下缺點：

1）該系統具有結構復雜、慣性大、穩定性不好等缺點，因此其控制系統的快速性不如閥控系統。

2）由于該系統速度或壓力的變化是通過液壓泵流量的改變來實現的，這就需要一套比較復雜的變排量控制機構，因此相應地增加了系統成本。

3）電動機效率隨負載而變化，在小載荷時電動機效率低，能量浪費嚴重。

4）由于變量泵的斜盤傾角變化范圍有限，因此液壓泵流量變化范圍有限，系統的調試范圍有限。

6.3.2 泵控式液壓伺服系統的研究

西安交通大學的趙升噸團隊對伺服直驅泵控式液壓傳動方式進行了研究，對開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓伺服系統和交流伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的閉式液壓系統進行了仿真及試驗研究。

1．兩類泵控式電液伺服系統的原理

直驅泵控式電液伺服系統就是利用調速電動機調速范圍寬、可以頻繁換向的優點來取代液壓伺服閥的功能。這種電液伺服系統可以分為兩種：一種是利用調速電動機通過改變定量泵的轉速來改變泵的輸出流量，達到調節執行元件速度的目的，這種泵稱為直驅定量泵控式液壓伺服系統，其原理如圖6-9所示；另外一種是通過變量機構來改變變量泵的輸出流量，來實現執行元件速度改變的目的，這種系統稱為伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的電液伺服系統，其原理如圖6-10a所示。變量泵的變量機構有很多種，但常見的是通過液壓系統來改變液壓泵的斜盤傾角，該方案具有控制精度低，液壓泵的響應速度慢的缺點，為了提高變量泵的響應速度、控制精度以及便于實現伺服控制，西安交通大學的趙升噸教授課題組設計了通過交流伺服電動機驅動滾珠絲杠機構來調節液壓泵的斜盤傾角，其原理如圖6-10b所示。

2．試驗研究

趙升噸教授課題組分別搭建了前述的兩類泵控液壓系統的試驗臺，通過試驗對比它們的動態響應特性的差異，并得出結論。

直驅定量泵控式液壓系統性能試驗：

1）實驗臺組成。圖6-11所示為直驅定量泵控式液壓伺服控制系統試驗臺。試驗裝置主要包括：SR電動機、雙向定量泵、流量傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、采集卡等，具體元件的安裝及位置如圖6-12所示。

2）硬件配置信息。數字采集卡、數字示波器、滑阻式位移傳感器、液壓缸和流量傳感器等。

數字采集卡插在計算機主板PCI槽上，通過PCI通信實現對滑塊位移及壓力流量信號的采集。表6-2為所選SR電動機參數，SR電動機控制器（見圖6-12），其主要作用是通過單片機、外存儲擴展芯片和可編程器件PLD來實現控制和數據存儲功能，內部組成結構如圖6-13所示。通過RS232通信協議與上位計算機進行通信，實現人機交互遠程控制，并且也可以通過控制器操作面板和模擬量進行控制。

數字示波器主要采集試驗過程中實時性較高和變化較快的數據或者不方便從控制器存儲單元中讀出的數據，同時可以檢驗數據采集卡采集的數據是否正確，從而一定程度上可以減少硬件電路開發的時間。

位移傳感器安裝在液壓機的機身上，與液壓機的滑塊相連，主要功能為讀取液壓機滑塊的輸出位置。使用之前需進行位置標定。

為了加載方便和進行后續試驗，本液壓系統試驗用的液壓缸利用Y41-63液壓機的液壓缸進行試驗。液壓缸的最大行程為500mm、直徑為180mm，活塞桿的直徑為140mm。

流量傳感器采用的是陜西大豐科技有限公司生產的流量計，流量計的量程為180L/min，輸出電壓為0～5V，在使用時需進行標定。

3）試驗結果及分析。試驗時，首先通過改變單向閥的彈簧剛度實現單向閥背壓改變，進行了補油單向閥的背壓對系統動態響應的試驗，確定出合適的單向閥彈簧的剛度，接著對系統進行正弦信號輸入的跟蹤試驗。圖6-14a所示為系統的單向閥背壓為2N時，系統對正弦信號的跟蹤響應曲線。圖6-14b所示為在無載荷狀況下，為補油單向閥的不同背壓對系統動態響應的影響。

從圖6-14中可以看出，系統存在較大的延遲時間，通過試驗得知產生這種現象的原因有三點：一是液壓油的可壓縮性導致系統響應時間的延遲；二是補油單向閥的背壓阻力對液壓泵的吸油產生一定阻力，導致液壓泵的供油滯后，從而使整個系統產生時間的延遲；三是由SR電動機性能測試試驗可知SR電動機存在一個速度死區，進而影響系統的動態響應性。

由圖6-14b可知，補油單向閥對系統的動態響應影響較大，當單向閥的背壓小于5N，對系統影響較小，在5～25N之間時，系統的響應時間會隨單向閥的背壓值增大而增大；而當單向閥的背壓值大于35N時，系統將不能運動。產生這種現象的主要原因就是補油單向閥的背壓影響了液壓泵的供油，進而影響了系統的動態響應性。但補油單向閥的背壓增大時，液壓泵的吸油阻力增大，這樣影響了系統的供油，進而影響液壓缸的動作。當單向閥的背壓值大于35N時，液壓泵的吸力不足以打開單向閥，液壓泵不能吸油，所以液壓缸沒有運動。

伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統試驗：

1）試驗臺組成。試驗原理如圖6-10所示，試驗裝置如圖6-15、圖6-16所示，該試驗是在Y32-20型液壓機上進行的。試驗裝置主要包括：異步交流電動機、雙向變量泵、單向閥、液控單向閥、溢流閥、計算機、數據采集卡、交流伺服電動機等。其硬件設備見表6-3，試驗用液壓機的技術參數見表6-4。

2）控制算法。采用傳統的PID控制方法。

3）試驗結果。本試驗的目的是針對開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓系統進行對比試驗，因此系統輸入信號同開關磁阻電動機直驅式泵控式液壓系統同樣是階躍信號，同時對伺服泵不同轉角下系統的輸出流量試驗。圖6-17所示為伺服變量泵在不同轉角下系統的輸出流量曲線，圖6-18所示為系統對階躍輸入的響應曲線。

試驗結果分析：由圖6-17和圖6-18比較可知，交流伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統相對于開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓系統具有較好的動態響應性，但可控性較差。伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統進行跟蹤控制很難實現，因為要實現位置跟蹤控制必須實現兩個閉環控制：一是位置的閉環控制；二是電動機正、反轉時轉角總和為零的控制。

3．總結

1）通過伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統試驗可知，影響伺服變量泵的控制精度因素很多，不僅是伺服電動機的控制精度影響該液壓系統的控制精度，而且變量泵斜盤的制造精度也同樣影響該液壓系統的控制精度。

2）分別進行了開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓系統及交流伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統試驗，試驗結果表明，開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓系統具有較好的可控性，但補油單向閥對系統的響應性影響很大；交流伺服電動機直驅變量泵的變量斜盤的液壓系統具有較好的動態響應性，但其可控性相對于開關磁阻電動機直驅定量泵控式液壓系統較差。