專利名稱：永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量、壓力間接測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制造領(lǐng)域，具體涉及一種伺服驅(qū)動液壓源輸出流量、壓力的間接測量系統(tǒng)，可用于液壓系統(tǒng)的流量、壓力控制。
背景技術(shù)：
電液控制系統(tǒng)由于其響應速度快、控制精度高、調(diào)速方便、功率體積比大等優(yōu)良特性被廣泛的應用。而壓力和流量是液壓系統(tǒng)兩個非常重要的參數(shù)，在實際的電液控制中，有的需要對執(zhí)行機構(gòu)的速度進行控制，也就是控制流入執(zhí)行機構(gòu)中液體的流量；有的需要對負載壓力進行控制；還有的需要對系統(tǒng)功率進行控制，無論是哪種控制都需要對壓力和流量進行測量。流量測量通常采用流量計，流量計的種類很多，按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理等。液壓系統(tǒng)中常用渦輪流量計，渦輪流量計是速度式流量計中的主要種類，它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速，從而推導出流量或總量的儀表，其主要優(yōu)點有精度高、重復性好、測量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強等。對于流量間接測量通常采用測量某一固定阻尼孔兩端的壓差，再根據(jù)流量系數(shù)、阻尼孔截面面積、油液密度等參數(shù)估算出實際流量。此方法最大缺點是阻尼孔消耗部分液壓能量，流量越大壓差也越大，消耗的能量也越多。另外對于變轉(zhuǎn)速驅(qū)動定量泵可通過泵的排量和轉(zhuǎn)速的乘積計算出輸出流量，但由于其受到泵的泄漏量、液體體積壓縮量、溫度等的影響，誤差太大，只能做近似參考，并且轉(zhuǎn)速的實時在線測量也不容易。壓力通常用傳感器直接測量，壓力傳感器種類很多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器等。壓力也可采用間接測量，如通過檢測液壓管道外徑的變形量即可求出管道內(nèi)部的壓力，其缺點是在液壓系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi)管道外徑變形量十分微小，因而檢測比較困難，同時環(huán)境溫度、油液溫度對管道變形也有影響。此外，超聲波管外測壓系統(tǒng)在壓力測量中也有應用，但是其受到管壁、溫度、延遲誤差等的影響，應用受到限制。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中無論是壓力的測量還是流量的測量都存在一定缺陷，主要表現(xiàn)在以下方面I)安裝不方便。壓力測量要預留壓力傳感器安裝接口。流量測量需要將流量計嵌入到液壓管路之中，并且有嚴格的安裝要求，如渦輪流量計需要安裝過濾器將流體中的顆粒、鐵磁性物質(zhì)等雜質(zhì)過濾掉，保證流量計零件特別是軸和軸承不被損壞；當流量計前直管長度小于20倍公稱直徑時還需要安裝整直器，以消除偏流、渦流等影響。此外壓力傳感器和流量計還存在安裝密封問題，流量計還存在最大使用壓力問題。2)響應速度慢。如渦輪流量計中渦輪輸出的脈沖信號頻率很高，最高可達3kHz 4kHz，由前放大器輸出的脈沖信號，其幅值、波形都不規(guī)則，在進入顯示儀表后，先需經(jīng)整形電路變成規(guī)則的具有一定幅值的矩形電脈沖信號，再經(jīng)過頻率/電流轉(zhuǎn)換電路，將頻率信號變?yōu)橄鄳碾娏餍盘?4 20mA)，最終轉(zhuǎn)換成瞬時流量值，在轉(zhuǎn)換過程中往往還需做均、值處理，因此實際輸出響應變慢。對于小流量渦輪流量計，由于流量小，渦輪葉片數(shù)量少，輸出信號頻率低，其響應速度更慢。3)使用環(huán)境受到限制。流量和壓力測量最終都要將流量信號和壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，在防爆環(huán)境中不能使用這些帶電的測量器件，如果選用防爆產(chǎn)品會大幅增加成本，另外獨立的壓力、流量測量裝置會增加使用成本。綜上所述，液壓系統(tǒng)中使用壓力傳感器和流量計的測量方法存在固有缺陷，因此有必要找出更為簡單、易行、可靠的壓力流量測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案一種永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，包括永磁伺服電機、伺服驅(qū)動器、定量油泵、油箱、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、油液溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡、上位計算機，其特征在于，它們的連接關(guān)系為伺服驅(qū)動器通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器與永磁伺服電機相連，永磁伺服電機與定量油泵相連接，定量油泵連接油箱和負載，油箱與油液溫度傳感器相連接，數(shù)據(jù)采集控制卡分別連接霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、伺服驅(qū)動器、油液溫度傳感器和上位計算機。其中，永磁伺服電機的定子電壓與電機轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，永磁伺服電機的定子側(cè)電流與電機輸出轉(zhuǎn)矩近似成線性關(guān)系；定量油泵的輸出流量主要由泵的轉(zhuǎn)速決定，同時受到系統(tǒng)壓力和油液粘度的影響；定量油泵的輸出壓力與泵的輸入轉(zhuǎn)矩有關(guān)，同時受到其轉(zhuǎn)速的影響。采用該系統(tǒng)對定量泵輸出壓力和流量間接測量，建立了定量泵出口流量和壓力與電機驅(qū)動電壓和電流之間的測量模型，通過監(jiān)測電機電壓和電流間接估算出定量泵的輸出流量和壓力。該系統(tǒng)還具有油液溫度自動補償功能，從而消除了油液粘度對流量間接測量的影響，此外該測量系統(tǒng)還具有抗污染能力強、響應速度快、易于與伺服控制器進行一體化設(shè)計、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)組成框圖；圖2為本發(fā)明的實測流量-電壓關(guān)系曲線；圖3為本發(fā)明的實測壓力-電流關(guān)系曲線；圖4為本發(fā)明定量泵輸出壓力間接測量模型；圖5為本發(fā)明定量泵輸出流量間接測量模型；圖6為不同轉(zhuǎn)速下壓力直接測量與間接測量的對比曲線；圖7為不同壓力下流量直接測量與間接測量的對比曲線；
圖8為流量直接測量與間接測量閉環(huán)控制的階躍響應曲線；以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述。
具體實施例方式如圖I所示,本實施例給出一種永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，包括永磁伺服電機、伺服驅(qū)動器、定量油泵、油箱、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、油液溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡、上位計算機，它們的連接關(guān)系為伺服驅(qū)動器通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器與永磁伺服電機相連，永磁伺服電機與定量油泵相連接，定量油泵連接油箱和負載，油箱與油液溫度傳感器相連接，數(shù)據(jù)采集控制卡分別連接霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、伺服驅(qū)動器、油液溫度傳 感器和上位計算機。永磁伺服電機，在其額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用恒壓頻比控制，而頻率決定了電機轉(zhuǎn)速，因此電機轉(zhuǎn)速是其定子側(cè)電壓的函數(shù)，也就是說可以通過檢測電機定子側(cè)電壓計算出電機轉(zhuǎn)速，這為電機轉(zhuǎn)速測量提供了方便。另外電機負載增加，定子繞組電流增大，定子繞組輸入電壓也略有升高，因此為了提高其轉(zhuǎn)速測量精度還必須進行定子繞組電流補償。對于伺服驅(qū)動器與壓力、流量間接測量裝置一體化設(shè)計的系統(tǒng)，可直接利用永磁伺服電機光電碼盤(或旋轉(zhuǎn)變壓器)所測得的電機轉(zhuǎn)速，省去轉(zhuǎn)速間接測量裝置。電機的輸出轉(zhuǎn)矩主要由定子電流決定，同時受到阻力轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩的影響，而阻力轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，慣性轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速導數(shù)的函數(shù)，轉(zhuǎn)速可由電壓間接測得，因此電機的輸出轉(zhuǎn)矩是其定子側(cè)電流和電壓的函數(shù)。定量泵的輸出流量主要由電機轉(zhuǎn)速和泵的排量決定，同時受到油液粘度、油液溫度和系統(tǒng)壓力的影響，而油液粘度受溫度和壓力的影響，如果泵的排量為定值，則泵的輸出流量是轉(zhuǎn)速、壓力、溫度的函數(shù)。泵的輸入轉(zhuǎn)矩與泵的輸出壓力有關(guān)，同時泵的阻尼轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩也會對泵的輸出壓力產(chǎn)生影響，而慣性轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的導數(shù)有關(guān)，阻尼轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此泵的輸出壓力是其輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。傳感器主要有測量電機定子側(cè)電壓的霍爾電壓傳感器，測量電機定子側(cè)電流的霍爾電流傳感器，進行液壓油粘度補償?shù)挠鸵簻囟葌鞲衅鳌?shù)據(jù)采集控制卡主要用來采集霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、油液溫度傳感器的信號，將采集到的信號傳送到上位計算機，由上位計算機發(fā)出的電機控制信息傳送到伺服驅(qū)動器。上位計算機主要進行數(shù)據(jù)的計算、存儲、顯示，以及對電機進行控制等。圖2為采用本發(fā)明的系統(tǒng)得到的實測流量-電壓關(guān)系曲線，從圖中可以看出泵的輸出流量與電機定子側(cè)電壓成線性關(guān)系，但隨著負載的增加(也就是電機電流增加)，電機電壓升高，因此通過電機電壓間接測量泵的輸出流量應進行適當?shù)碾娏?壓力)補償。圖3為本采用發(fā)明的系統(tǒng)得到的實測壓力-電流關(guān)系曲線，從圖中可以看出泵的輸出壓力與電機定子側(cè)電流成線性關(guān)系，但隨著轉(zhuǎn)速的增加(也就是電機電壓增加)，電機電流升高，因此通過電機電流間接測量泵的輸出壓力應進行適當?shù)碾妷?轉(zhuǎn)速)補償。具體步驟如下I)定量泵的模型(以齒輪泵為例)齒輪泵流量方程為QP=^DP-PPCP-PP^DP) J⑴式中
Qp :泵實際輸出流量；泵的理論流量；
InPpCp :泵的泄漏量；Pp(^Dp)~^ :油液體積壓縮量；ω :泵(電機)的轉(zhuǎn)速；Dp :泵的排量；Pp:泵的出口壓力；Cp :泄漏系數(shù)； 油液彈性模量；泵驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為TL=Jp— + Ba+^Pp(2)
L p dt ρ 2π p其中Tl :泵的輸入轉(zhuǎn)矩(電機的負載轉(zhuǎn)矩);乃泵的慣性轉(zhuǎn)矩；
atBp ω:泵的阻尼轉(zhuǎn)矩；^Pp :油液壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；
2π ρJp :泵的轉(zhuǎn)動慣量；Bp :泵阻尼系數(shù)；2)永磁伺服電機的模型電機驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程 Jm — + Bma + TL = Te(3)
at式中Jm :電機慣性轉(zhuǎn)矩；
atBniCO:電機阻力轉(zhuǎn)矩；Tl 電機負載轉(zhuǎn)矩(泵的輸入轉(zhuǎn)矩)；Te:電機電磁轉(zhuǎn)矩；Jm 電機轉(zhuǎn)動慣量；Bm 電機阻尼系數(shù)；電磁轉(zhuǎn)矩Te可表示為Te =^-KJ(4)
2式中ρ :極對數(shù)；i 電機定子側(cè)電流；
Ke :電機反電勢系數(shù)；電機轉(zhuǎn)速ω與定子側(cè)電壓u的關(guān)系為ω = ku+b (5) k 電壓轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù)；b :轉(zhuǎn)速補償系數(shù)；3)泵的壓力間接測量模型將⑵、⑷、(5)式代入(3)式整理得Pp = — KJ — (Bp + Bm )(ku + b)- (Jp + Jm )k —] ( 6 )
P由(6)式可以看出，泵的輸出壓力PpS要與電機定子側(cè)電壓u和電流i兩個變量有關(guān)，因此可以建立以電壓u和電流i為輸入，以Pp為輸出的壓力測量模型，如圖4所示。4)油液溫度補償溫度的變化會影響液壓油的粘度，使泵的泄漏量發(fā)生變化，進而影響到泵的輸出流量，因此必須進行溫度補償，也就是修正泵的泄漏系數(shù)cp。C^=CpI μ οβ~λ( ~ ο)(7)式中Cp :修正后的泄漏系數(shù)；Mto :溫度為tQ時的油液動力粘度；λ:液壓油的粘溫系數(shù)；t :油液溫度；5)泵的流量間接測量模型將(5)式代入(I)式，并且用修正后的泄漏系數(shù)C' p替代(I)式中的泄漏系數(shù)Cp得Qp = j^Dp-PpCp-Pp(1^Dp)J (8)由(8)式可以看出，泵的輸出流量Qp主要與電機定子側(cè)電壓U、泵的輸出壓力
油液溫度t三個變量有關(guān)，而壓力Pp已由(6)式求出，因此可以建立以電壓U、壓力Pp和油液溫度t為輸入，以Qp為輸出的流量測量模型，如圖5所示。為了檢驗上述模型的流量、壓力間接測量結(jié)果，特此選用渦輪流量計和壓力傳感器分別直接測量泵的輸出流量和壓力，并與間接測量結(jié)果相對比。圖6為泵的轉(zhuǎn)速分別為600r/min、1200r/min和1800r/min時壓力傳感器直接測量的泵的出口壓力和壓力測量模型間接測量的壓力曲線。由圖中可以看出，在不同的轉(zhuǎn)速下，間接測量模型所測壓力都能夠很好的跟隨實際壓力的變化。圖7為系統(tǒng)分別在2MPa、4MPa和6MPa時流量計直接測量泵的實際輸出流量和流量測量模型間接測得的流量曲線。由圖中可以看出，在不同的系統(tǒng)壓力下，間接測量模型所測流量都能夠很好的跟隨實際流量的變化。圖8為直接流量測量(a圖)和間接流量測量(b圖)與永磁伺服電機所組成的流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的階躍響應曲線，其橫軸為時間(〖/^，縱軸為流量⑷/化3·!!-1))。由圖可以看出當流量從O. 2m3/h階躍到O. 3m3/h時，間接測量的響應速度遠快于直接測量，這主要是因為間接測量是基于伺服電機轉(zhuǎn)速的測量系統(tǒng)，而直接測量是基于泵實際輸出流量的測量系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)速的變化先于泵輸出流量的變化；其次渦輪流量計含有機械測量部分，因此響應速度較慢，而轉(zhuǎn)速直接測量的是伺服電機電壓信號，電信號與機械信號在響應速度方面有數(shù)量級的差別；另外由于間接流量信號響應快，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中能夠通過參數(shù)設(shè)置進一步加快其響應速度，而直接流量 信號響應慢，過快的響應參數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，因此只能選擇合理的參數(shù)降低其響應速度，保證其穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，其特征在于，包括永磁伺服電機、伺服驅(qū)動器、定量油泵、油箱、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、油液溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡、上位計算機；它們的連接關(guān)系為伺服驅(qū)動器通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器與永磁伺服電機相連，永磁伺服電機與定量油泵相連接，定量油泵連接油箱和負載，油箱與油液溫度傳感器相連接，數(shù)據(jù)采集控制卡分別連接霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、伺服驅(qū)動器、油液溫度傳感器和上位計算機。
2.如權(quán)利要求I所述的永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的永磁伺服電機的定子電壓與電機轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，所述的永磁伺服電機的定子側(cè)電流與電機輸出轉(zhuǎn)矩近似成線性關(guān)系；所述定量油泵的輸出壓力主要由泵的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速決定，即由電機定子側(cè)電壓和電流決定，具體表示為 Pp = ~ kJ -(Bp+Bm)(ku + b)- (Jp + Jm )k —] 其中Pp為泵的輸出壓力；u、i為電機定子側(cè)電壓、電流；DP為泵的排量；p為電機的極對數(shù)屯為電機反電勢系數(shù)；Bp、Bm為泵、電機阻尼系數(shù)；JP、Jm為泵、電機轉(zhuǎn)動慣量；k為電壓轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為轉(zhuǎn)速補償系數(shù)。
3.如權(quán)利要求I所述的永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，其特征在于，所述定量油泵的輸出流量主要由泵的轉(zhuǎn)速和輸出壓力決定，同時受到油液溫度的影響，具體表示為 Q-PC Iμ e-邶、、—P)— Vp 2π p p p hA 2π p) ββ 其中QP為泵的輸出流量；t為油液溫度，Cp為泵的泄漏系數(shù)，為h溫度時油液的動力粘度，λ為液壓油的粘溫系數(shù)，為油液彈性模量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種永磁伺服電機驅(qū)動定量泵流量-壓力間接測量系統(tǒng)，系統(tǒng)包括永磁伺服電機、伺服驅(qū)動器、定量油泵、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、油液溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡和上位計算機。本發(fā)明建立了以伺服電機定子側(cè)電壓、電流和油液溫度為輸入，以定量泵流量、壓力信號為輸出的測量模型，實現(xiàn)了以較易測量的電壓、電流和溫度信號對較難測量的壓力和流量信號的間接測量，同時該系統(tǒng)也繼承了電壓、電流和溫度在測量中的穩(wěn)定性、準確性和可靠性。此外本發(fā)明還具有動態(tài)響應速度快、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點。
文檔編號F04B51/00GK102628437SQ20121012403
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者谷立臣, 賈永峰 申請人:西安建筑科技大學