本發(fā)明涉及液壓系統(tǒng)及其控制方法，更具體地說(shuō)明變速電機(jī)與恒功率變量泵匹配的液壓節(jié)能系統(tǒng)及其控制方法。

技術(shù)背景

工業(yè)生產(chǎn)中，以電能為動(dòng)力源的液壓系統(tǒng)由于在能量傳遞中存在相當(dāng)大的能量損失，因此存在巨大的節(jié)能空間，提高液壓系統(tǒng)系統(tǒng)能量利用效率對(duì)于緩解能源短缺以及減少溫室效應(yīng)具有重要的意義。液壓系統(tǒng)中的能量損失具有多種形式，除了系統(tǒng)各元件本身由于結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的能量損失，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元和負(fù)載功率不匹配所產(chǎn)生的能量損失占比例更大。

對(duì)于液壓系統(tǒng)功率匹配不當(dāng)問(wèn)題，上世紀(jì)80年代，三菱公司就率先研發(fā)變頻驅(qū)動(dòng)液壓電梯技術(shù)，上述變頻技術(shù)主要應(yīng)用于定量泵的控制中，有效的解決了液壓泵輸出功率和負(fù)載需求功率匹配問(wèn)題，但是忽略了電機(jī)和液壓泵本身的的實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率，工業(yè)中廣泛采用的單一采用變量泵的控制方法，同樣也忽略掉這個(gè)問(wèn)題。

在公開(kāi)號(hào)為CN104179735A專利申請(qǐng)文件中公開(kāi)了一種變頻電機(jī)-比例數(shù)字變量泵的雙變量控制方式，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但其沒(méi)有探究電機(jī)與泵之間的變量和功率關(guān)系，無(wú)法進(jìn)行連續(xù)的自適應(yīng)控制?？刂撇呗酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲取，得出各工況作用下的最優(yōu)控制點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)方法獲取最優(yōu)點(diǎn)，要做大量的試驗(yàn)研究，加上試驗(yàn)誤差的存在，會(huì)使得試驗(yàn)工作量加大，且控制精度越高，其試驗(yàn)量就越大。該控制方法采集信息量復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理冗長(zhǎng)，使得其控制復(fù)雜。每臺(tái)液壓裝備存在差異性，大量試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)庫(kù)不能在相同型號(hào)下通用，使得其方法在工業(yè)應(yīng)用中變得困難，且成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種變速電機(jī)與恒功率變量泵匹配的液壓節(jié)能系統(tǒng)及控制方法，以期能夠有效提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與時(shí)序負(fù)載的能量匹配程度，簡(jiǎn)化控制方法，改善恒功率變量泵在低壓區(qū)的節(jié)能缺陷。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明變速電機(jī)與恒功率變量泵匹配的液壓節(jié)能系統(tǒng)的特點(diǎn)是包括：液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

所述液壓系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速可調(diào)的變頻電機(jī)以及與所述變頻電機(jī)同軸連接的恒功率變量泵；所述恒功率變量泵的進(jìn)油口與油箱連通，恒功率變量泵的出油口一路與具有中位卸荷功能的三位四通電磁換向閥的油口C相連，另一路與第一溢流閥的入口相連，第一溢流閥的出油口與油箱相連；所述三位四通電磁換向閥的回油口T與油箱相連，三位四通電磁換向閥的出油口A與液壓缸的無(wú)桿腔相連，三位四通電磁換向閥的回油口B與第二溢流閥的出油口相連，另一路與單向閥的進(jìn)油口相連；所述第二溢流閥的進(jìn)油口與液壓缸的有桿腔相連；所述單向閥的出油口與液壓缸的有桿腔相連；

所述控制系統(tǒng)是由各傳感器和控制器組成；所述傳感器包括用于檢測(cè)恒功率變量泵的出口壓力的壓力傳感器，用于檢測(cè)變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，所述控制器接收來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)，將所述檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理為變頻電機(jī)提供控制信號(hào)。

本發(fā)明液壓節(jié)能系統(tǒng)的控制方法的特點(diǎn)是按如下過(guò)程進(jìn)行：

步驟1：根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓制動(dòng)作的壓力與流量特性選定恒功率變量泵的恒定功率P₁，根據(jù)液壓系統(tǒng)的快降動(dòng)作壓力選定恒功率變量泵的調(diào)定壓力p₀；以所述恒定功率P₁和調(diào)定壓力p₀作為恒功率變量泵的選擇依據(jù)；

步驟2：按如下方式測(cè)量正比例系數(shù)λ₀：利用轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x和壓力傳感器分別采集變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T和恒功率變量泵的出口壓力p，根據(jù)轉(zhuǎn)矩T和出口壓力p制定液壓系統(tǒng)的時(shí)間t與轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線T＝x(t)，以及時(shí)間t與出口壓力p的關(guān)系曲線p＝y(tǒng)(t)，根據(jù)關(guān)系曲線，換算得出T＝λ_i p,i＝1,2,3…，對(duì)λ_i取均值得λ₀；

步驟3：按如下方式實(shí)現(xiàn)恒功率變量泵非恒功率階段與恒功率階段的分段控制：

若p<p₀，設(shè)置變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速n₁為：n₁＝q/V，V為恒功率變量泵的最大排量，q為流量，流量q為工藝設(shè)定值；

若p≥p₀，設(shè)置變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速n₂為：

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明節(jié)能效果主要體現(xiàn)在恒功率變量泵與時(shí)序負(fù)載的能量匹配以及恒功率變量泵與變頻電機(jī)的能量匹配。恒功率泵與時(shí)序負(fù)載的能量匹配主要體現(xiàn)在系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)壓力、流量的改變而輸出與之匹配的流量、壓力，從而達(dá)到節(jié)能的目的；恒功率變量泵與變頻變速電機(jī)的能量匹配具體體現(xiàn)在電機(jī)的輸出功率盡可能的傳遞給泵，使得泵的機(jī)械損失與容積損失最小。

2、對(duì)傳統(tǒng)變速電機(jī)與變量泵而言，影響其變化的因素很多，而且相互耦合，呈非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，使得系統(tǒng)控制非常困難，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明采用變速電機(jī)與恒功率泵系統(tǒng)，通過(guò)引進(jìn)一個(gè)比例系數(shù)的方式，得出轉(zhuǎn)矩與壓力的關(guān)系，從而得到一個(gè)精確的控制模型，通過(guò)采集恒功率變量泵的出口壓力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速即可使得系統(tǒng)高效率運(yùn)行，其控制方式簡(jiǎn)單，成本低。

3、本發(fā)明結(jié)合液壓系統(tǒng)的加工工藝，通過(guò)控制器對(duì)恒功率變量泵出口采集的壓力值與恒功率變量泵設(shè)定的壓力值的大小進(jìn)行判斷，并基于此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分段控制，這種結(jié)合工藝的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，改善了恒功率變量泵在低壓區(qū)的節(jié)能缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1變頻電機(jī)，2恒功率變量泵，3油箱，4三位四通電磁換向閥，5第一溢流閥，6液壓缸，7第二溢流閥，8單向閥，9控制器，10轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，11壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中變速電機(jī)與恒功率變量泵匹配的液壓節(jié)能系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速可調(diào)的變頻電機(jī)1以及與變速電機(jī)1同軸連接的恒功率變量泵2；恒功率變量泵2的進(jìn)油口與油箱3連通，恒功率變量泵2的出油口一路與具有中位卸荷功能的三位四通電磁換向閥4的油口C相連，另一路與第一溢流閥5的入口相連，第一溢流閥5的出油口與油箱3相連；三位四通電磁換向閥4的回油口T與油箱3相連，三位四通電磁換向閥4的出油口A與液壓缸6的無(wú)桿腔相連，三位四通電磁換向閥4的回油口B與第二溢流閥7的出油口相連，另一路與單向閥8的進(jìn)油口相連；第二溢流閥7的進(jìn)油口與液壓缸6的有桿腔相連；單向閥8的出油口與液壓缸6的有桿腔相連。

變速電機(jī)1啟動(dòng)后，設(shè)置三位四通電磁換向閥4在左位，液壓油進(jìn)入液壓缸6的無(wú)桿腔，液壓缸活塞桿下行直至底部，之后設(shè)置三位四通電磁換向閥4在右位，液壓油進(jìn)入液壓缸6的有桿腔，液壓缸活塞桿上行直至頂部。三位四通電磁換向閥4左位是指：進(jìn)油口C與油口A相通，油口B與回油口T相通；三位四通電磁換向閥4右位是指：進(jìn)油口C與油口B相通，油口A與回油口C相通。

控制系統(tǒng)是由各傳感器和控制器9組成；傳感器包括用于檢測(cè)恒功率變量泵2的出口壓力的壓力傳感器11，用于檢測(cè)變頻電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x10，控制器接收來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)，將檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理為變頻電機(jī)提供控制信號(hào)。

本實(shí)施例中液壓節(jié)能系統(tǒng)的控制方法是按如下過(guò)程進(jìn)行：

步驟1：根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓制動(dòng)作的壓力與流量特性選定恒功率變量泵2的恒定功率P₁，根據(jù)液壓系統(tǒng)的快降動(dòng)作壓力選定恒功率變量泵2的調(diào)定壓力p₀；以恒定功率P₁和調(diào)定壓力p₀作為恒功率變量泵2的選擇依據(jù)。

恒功率變量泵在壓力未達(dá)到調(diào)定值p₀之前，相當(dāng)于是最大排量V的定量泵，在壓力達(dá)到恒定值之后，其流量壓力值變化時(shí)，遵循恒功率，其值大小為P₂。將恒功率變量泵的功率特性與液壓系統(tǒng)工藝特性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒功率變量泵非恒功率階段與恒功率階段的分段控制。

關(guān)于液壓系統(tǒng)的工藝特性：在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，存在快降動(dòng)作、壓制動(dòng)作、保壓動(dòng)作和快回動(dòng)作，快降動(dòng)作和快回動(dòng)作負(fù)載壓力小，且動(dòng)作速度及工作壓力由工藝要求確定，流量壓力大小確定，采用變速電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒功率變量泵與負(fù)載的匹配；壓制動(dòng)作、保壓動(dòng)作和慢回動(dòng)作負(fù)載壓力大，且負(fù)載值多變，使得功率匹配困難，也使得控制方式復(fù)雜且不精準(zhǔn)，采用恒功率變量泵，其流量壓力值變化時(shí)，遵循恒功率，使得泵與負(fù)載的匹配最大化，并通過(guò)變速電機(jī)調(diào)速使得電機(jī)功率與恒功率變量泵的功率匹配。

步驟2：按如下方式測(cè)量正比例系數(shù)λ₀：利用轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x10和壓力傳感器11分別采集變頻電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩T和恒功率變量泵2的出口壓力p，根據(jù)轉(zhuǎn)矩T和出口壓力p制定液壓系統(tǒng)的時(shí)間t與轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線T＝x(t)，以及時(shí)間t與出口壓力p的關(guān)系曲線p＝y(tǒng)(t)，根據(jù)關(guān)系曲線，換算得出T＝λ_ip，i＝1,2,3…，對(duì)λ_i取均值得λ₀。

正比例系數(shù)λ₀引入的目的是確立泵出口壓力p與電機(jī)轉(zhuǎn)矩T之間的具體關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與泵出口壓力都是隨液壓系統(tǒng)的外負(fù)載變化而變化。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為中間轉(zhuǎn)換量，根據(jù)電機(jī)功率與泵功率相等的能量匹配原則，得到泵出口壓力與轉(zhuǎn)速之間的確切關(guān)系。

步驟3：按如下方式實(shí)現(xiàn)恒功率變量泵非恒功率階段與恒功率階段的分段控制：

若p<p₀，設(shè)置變頻電機(jī)1的轉(zhuǎn)速n₁為：n₁＝q/V，V為恒功率變量泵2的最大排量，q為流量，流量q為工藝設(shè)定值；

若p≥p₀，設(shè)置變頻電機(jī)1的轉(zhuǎn)速n₂為：

通過(guò)分段控制，改善了恒功率變量泵在低壓區(qū)的節(jié)能缺陷，實(shí)現(xiàn)了變速電機(jī)-恒功率變量泵的精確的實(shí)時(shí)控制。