1 引言
節能一直是液壓技術的主要研究方向之一。節能型液壓回路包括壓力適應型回路、流量適應型回路和功率適應型回路，其中功率適應型液壓回路采用流量控制閥與變量泵組成，應用容積調速的方式，使液壓泵輸出的壓力和流量與負載所需的壓力和流量相適應，達到液壓泵的輸出功率與負載功率的匹配，減少能量損失，提高系統的節能效果。這種功率適應回路中變量泵的結構復雜，泵的調節機構要依靠控制油進行變量調節，因此調節精度和反應速度都受到調節機構性能的影響。本文將液壓技術與變頻技術結合，構成一種結構簡單的功率適應型液壓回路，利用變頻控制技術，控制電機的轉速，使定量泵實現變量泵的功能，達到功率匹配與節能的目的。
2 功率適應型液壓系統的變頻控制
2．1 功率適應型液壓系統功率匹配控制原理
功率適應型液壓系統原理圖如圖1所示，該系統主要由液壓泵、液壓控制元件、執行元件、信號檢測元件和泵的變量機構組成。功率適應型回路屬閉環控制，在工作過程中可適時檢測負載流量和負載壓力，并將檢測的信號反饋給液壓泵的變量調節機構，通過泵的變量調節機構的動作，控制、調節泵的輸出壓力與流量并使之與負載壓力和負載所需流量相適應，實現液壓泵的輸出功率與負載功率的匹配。
圖1 功率適應型液壓系統原理框圖
2．2 功率適應型液壓回路的變頻控制
2．2．1 變頻調速功率適應型液壓回路控制原理
變頻調速功率適應型液壓系統由液壓系統和電控系統兩部分組成，如圖2所示。
圖2 變頻調速功率適應型液壓回路控制原理圖
液壓系統主要由液壓執行元件、液壓泵和流量檢測元件組成。一般可采用固定節流口作為流量檢測元件，液壓執行元件所需流量由流量檢測元件檢測。流量檢測元件的壓力流量方程為：
液壓泵的流量方程為：
qp=nVη (2)
電機轉速為：
n=60f／z (3)
式中KL — 節流系數
A— 節流口過流面積
△p— 節流口前后壓差
m— 由節流口形狀和結構決定的指數
n— 電動機轉速
V—液壓泵的排量，定量泵中為定值
η— 容積效率
qp—— 液壓泵的輸出流量
f— 電源頻率
z— 磁極對數
由式(1)、(2)、(3)，節流口壓差△p可表示為：
式中k =60vηv／(zKLA )
當液壓泵的排量 一定時，調節電機的轉速n，可以調節泵的輸出流量q；當固定節流口結構一定時，節流系數KL ，節流口過流面積A 和指數m均為常數。當通過節流口的流量一定時，節流口的壓差也一定，因此利用節流口兩端壓差信號卻檢測節流口的通過流量q，將對系統的流量檢測轉換成壓差檢測，通過壓差變化來反應流量的變化，實現檢測信號的采集。而泵的輸出壓力取決于負載，泵的輸出壓力與負載壓力相適應，實現系統壓力匹配。
電控系統主要包括PLC控制器、壓差傳感器和變頻器。壓差傳感器在工作過程中適時采集節流口前后壓差信號，并將其轉換為電信號，反饋輸入到A／D轉換器，經A／D轉換器轉換為數字信號后輸入帶有PID運算功能的PLC控制器，與PLC的設定壓差進行比較(設定壓差對應某一設定流量)，PLC輸出量通過D／A轉換后控制變頻器的輸出頻率，改變電機的轉速，使泵的輸出流量等于設定的流量，實現系統的流量匹配。
2．2．2 功率適應型液壓回路變頻調速的工作過程
1)流量匹配過程
變頻調速功率適應型液壓系統屬閉環系統。PID模塊中的設定值根據執行元件的速度要求設定。壓差傳感器輸出的電信號經數模轉換后作為PID的輸入信號。
系統工作時，根據執行元件的速度要求，調節設定PLC的輸入信號。當泵的輸出流量大于負載所需流量q1 時，節流口兩端的壓力差卸增大，壓差傳感器采集到變化后的壓差信號，信號經數模轉換后反饋給PLC控制器，PLC通過內置PID模塊與設定的流量值即壓差值△p 進行比較、計算，輸出信號給變頻器，變頻器輸出頻率減小，電機轉速減小，使泵的輸出流量減小，直到qp≈q1 ，節流口兩端的壓差值回到設定的值，調節過程結束。同理，當泵的輸出流量qp小于負載所需流量q1，時，節流口兩端的壓差△p減小，PLC控制器輸出信號使變頻器輸出頻率增大，電機轉速增大，泵的輸出流量增大，直到節流口兩端壓差等于設定值，調節過程結束。通過變頻調速，使液壓泵輸出流量始終和液壓系統負載所需流量相適應。
2)壓力匹配過程
液壓傳動的特點之一是液壓泵的排油壓力取決于負載，因此當負載壓力變化時，泵的輸出壓力應發生相應變化，而液壓泵的輸出壓力P。為
PP=p1+△p (5)
式中P1，為負載壓力。
但是當負載增大時，泵的輸出壓力相應增大，使泵的內部泄漏量增大，泵的輸出流量qp 下降，使得節流口進出口壓差△p下降，壓差傳感器采集到壓力變化信號并反饋到PLC，PLC控制電機轉速，使泵的轉速增加，流量增加，補償泵的泄漏流量，因此壓力匹配過程中伴隨有流量泄漏和泄漏流量的自動補償過程。
3 PLC控制方案設計
從功率適應型液壓回路變頻調速的過程可以看出，液壓系統的控制過程是采樣信號值與設定值進行比較并利用比較偏差值對系統進行控制的過程，這個控制過程是閉環負反饋控制。在系統控制過程中為了減小超調量，較快地達到系統的穩定值(即設定值)，我們用帶有PID控制模塊的PLC，采用PID控制方式對系統進行控制。PID控制規律為：
式中 Kp—比例系數
T1—積分時間常數
Td— 微分時間常數
在PLC控制過程中，其輸入信號值為壓差傳感器采集的節流口兩端的壓差值，這個壓差信號值與一定的流量值相對應，使系統對流量信號的檢測通過對壓差信號的檢測來實現。壓差傳感器采集的壓差信號為模擬量，所以在進行PID運算前壓差信號要經過模數轉換再反饋到PLC控制器。PLC控制器調用PID控制指令，將反饋的壓差值與設定壓差值(根據執行元件速度要求設定)進行比較，根據比較的差值e(t)按照PID的控制規則計算控制量 u(t)，并輸出控制量?？刂屏?u(t)需要經過D／A轉換器將數字量 u(t)轉換為0～5(10)V或4—20 mA的模擬信號才能控制變頻器的頻率，實現系統的變頻調速。PLC的控制流程如圖3所示。
圖3 PLC控制程序流程圖
如圖3所示，經過第一次變頻器調速，液壓泵的輸出流量向系統設定流量變化，流量的改變使節流口兩端的壓差發生相應的變化，當到達PID的下一個運算周期時，此時的壓差值再次與設定值進行比較，并通過PID運算輸出控制量，以控制變頻器，改變電機轉速，使液壓泵的實際輸出流量朝著更加接近系統設定流量的方向變化，以使泵的實際輸出流量值無限的接近設定流量值。系統就是通過這樣的循環控制使液壓系統實現了流量的適應，最終實現液壓泵的輸出功率與負載功率的匹配。
4 結束語
本功率適應型液壓系統采用了變頻技術和現代工業控制技術，用定量泵代替原功率適應型液壓系統中的變量泵，用電氣元件直接控制定量泵，簡化了調節機構和系統回路，可減少系統的能量損失，提高系統的節能效果；同時電氣控制系統采用壓差傳感器實現壓差信號的采集和轉換，利用PLC控制器實現控制參量的輸入、比較及泵電機轉速的變頻調節控制，只要通過PLC控制器的控制就可以適時的改變泵的轉速，實現流量的調節，從而提高了系統的自動化水平、減少機械調節噪聲；由于采用了電信號作為媒介，實現測量信號的反饋與調節，從而可提高泵變量系統的信號反饋精度、調節控制精度和反應速度。
參考文獻：
[1] 王茁，等．機電一體化系統設計[M]，北京：化學工業出版設，2005．
[2] 王春行．液壓控制系統[M]．北京：機械工業出版社，2O00．
[3] 張利平．液壓傳動系統及設計[M]．北京：化學工業出版設，2005．
[4] 原魁，等．變頻器基礎及應用[M]．北京：冶金工業出版社，2005．
[5] 李壯云．液壓元件與系統[M]．北京：機械工業出版社，2006 匯榮流體（http://www.cjpfyy.com/） |
