伺服直驱泵控液压系统及其节能机理研究

蔡少钐

（珠海凯邦电机制造有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

伺服系统具备的优势令其在航天和军事领域内得到广泛的运用，在计算机技术、电子技术和液压技术等基础上，液压控制技术在一定领域内得到了很好发展。传统液压控制系统能够根据控制元件的不同，将其分成阀控系统和泵控系统。在微电子技术和大功率电子器件的发展下，变压变频技术已经引起了人们的关注，从控制理论入手，解决了伺服系统中控制与节能的问题，让交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统成为新的调速方式。

1 研究背景

某公司现有280 t 压铸机9 台，经统计年度电能消耗量约为7.7 万kW·h，按照单月平均1 度电0.8 元计算，每台压铸机每年耗费电费6.2 万元。工艺设备部门对所需电量和费用计算之后，积极响应国家节能和环保理念，对压铸机进行改造试行，改造之后的系统显示节电量为25%。改造之后的系统降低了能源消耗，对于现代科学的节能发展起到了很好作用。伺服泵控工作原理中，标准压铸机液压系统选择定量泵系统，压铸机工作的过程中电机始终处于恒速运转状态，运转频率52 Hz，油泵流量同样处于恒定状态。在生产的每个环节中，生产循环中的锁模、储能等环节需要的流量和压力大相径庭，压铸机运行过程处于负载状态。除高压锁模之外，储能和增压时需要采取较大的速度与压力，其余工序对速度和压力的需求都比较小。

目前的高压溢流液压系统主要依靠比例阀调节流量与压力，并将多余的液压油通过溢流阀回流到油箱内。据不完全统计，这个过程的能量损耗达到了20%～50%。为降低高压溢流消耗的大量能耗，达到节能的目的，在节能改造中采用异步伺服技术。在改造过程中，异步伺服主电路串接在电机回路中，在空气开关和接触器之间，控制线路取PLC 的比例流量阀等信号，在高压泵油路上安装压力传感器，根据实际生产需求的流量和压力提供液压油，减少高压溢流存在的浪费情况。

2 伺服直驱泵控液压系统的研究

泵控系统的伺服变量泵一般以电机作为转速动力驱动，并在液压系统的运行中利用变量泵运行方式的改变来控制变量泵排量大小，以及流量和压力的大小。泵控系统与阀控系统相比较，其损失率更小、更加节能，常使用于对功率有较大需求的场合。与此同时，由于系统具有固有频率低、响应速度慢和调速范围小等特点，让其存在动态特性不高的特征。所以在传统系统容积调速中，其控制方式受外负载变化和油污等干扰有显著影响，因为其机械结构复杂、造价较高、运行效率低下，给传统生产带来很多不利因素。随着微电子技术的发展，大功率电子器件的推广让变频技术的应用越来越广泛，伺服系统的控制方式得到了改进，交流伺服系统逐渐成为伺服技术中的主流技术。伺服直驱泵控液压系统属于新技术，目前国内相关产品还没有形成商品化的伺服直驱泵控液压机以及压铸机产品，在系统上存在需要解决的难题。

（1）伺服直驱泵控液压系统响应速度慢。由于其属于容积调速系统的特性，动态性能与一般的阀控系统相比要差一些，在改造过程中应该考虑如何提升其动态性能扩展。

（2）传统控制策略的控制效果不理想。控制电机运动的实质是在系统运动控制中根据需要改变电机的运动速度和方向。然而由于系统本身具有强烈的非线性特质，导致传统控制策略无法获得良好的控制效果，所以选择控制策略也在某种程度上决定了最终的控制效果。需要通过合理的控制策略来保证对伺服电机的精确控制，保障在活塞运动环节对液压机的良好控制，如运转方向、速度、压力等。

（3）耗能大。由于是以降低能耗为目的改造传统液压机而采用伺服直驱泵控液压技术，所以在具体的研究和分析上也需要针对节能机理和效率等进行详细研究，力求找到很好的节能途径。

3 泵控液压系统的节能机理研究

建立伺服直驱泵控液压系统的数学模型以对其进行研究，分析系统的动态特性，为研究系统性能的好坏，方便采取对应的措施来提升系统动态、静态性能。在建立能耗仿真模型的基础上研究，为系统技术的运用提供理论上的指导。

3.1 参数变化和系统动态性能之间的影响

建立Simulink 仿真模型，仿真时输入驱动器的控制电压信号0～10 V，输出参数为电机转速信号，转速积分就是位移参数。在参数分析的过程中通过改动其中的某一参数值，就可以对比仿真模型曲线加以分析。通过对比可知：超调减少，转动惯量的变化对运转速度以及运转压力都不会产生影响。进而分析得到：转动惯量增大会导致活塞速度响应和压力响应变慢，要进一步提高活塞速度响应的高效性，可以通过采取减少荷载转动惯量的方式，但也要注意减小转动惯量之后，对运动的平稳性相应降低。

3.2 系统的泄漏

系统出现泄漏的原因主要是泵和液压缸出现泄漏，而泵内泄漏远远大于液压缸的泄漏，会增大对系统性能的影响。活塞速度和系统压力上升斜率相对降低是因为泄漏系数有所增加，虽然上升到顶点的时间没有变化，但是超调量减小，速度和压力稳态数值偏低。所以确定容积效率的过程中要选择高效率的液压泵，以获得更加优质的系统动态特性和更高的调速精度。

3.3 负载

在模型上模拟负载大小对系统性能造成的影响，在研究中知道负载增加之后，系统压力也增加升高，泄漏也增加，导致活塞的稳态值在负载增加之后相应下降；活塞的启动和上升时间被延后的主要原因是负载增加后系统压力需要升高到能够克服外力。超调量减小后快速性虽然没有受到影响，但是系统压力会升高，同时超调量下降也会导致负载增加，系统平稳性变好也会对调速的精度产生影响。

4 伺服直驱泵控液压系统节能机理

4.1 负载特性分析

成型加工工艺过程中负载具有如下的特征：

（1）呈现周期高尖峰负荷。此情况出现的原因是在精密成形加工工艺中，工件的屈服压力有很大可能超过100 MPa，而成形装备滑块可以产生充足的力量使工件进入屈服状态。大部分加工工艺及机器在工作过程中产生的阻力呈现的周期尖峰特征也不是一成不变的。

（2）出现比较大的空行程。在放工件和取工件的时候，总行程大于成品高度的2.5 倍。

（3）形成长时间待机。待机时间很大程度由工艺成形的周期性决定，如果人工进行操作的情况下，针对每一个工作周期，都需要预留大量的时间进行放、存工件等操作。

4.2 伺服直驱泵控液压系统节能机理

对于溢流、节流损耗两种系统，其对电机环节的损失与泵、液压系统泄漏引起的容积、机械传动等损失都包含在其中，节流阀控系统使溢流、节流损失的工作环节大大增加，导致了伺服直驱泵控系统比节流阀控制系统更加节能。同时，由于成形加工负载具有的周期性特征，以及阀控系统不随负载输出流量和压力，导致在工作的大部分时间内必然存在一定的损失。空行程阶段，伺服直驱泵控液压控制系统可以避免溢流损失、节流损失，还能提升生产的效率。

5 改进运用探析

国内对伺服直驱泵控液压系统进行研究起步虽晚，但是取得了非常显著的效果。在早期参与研究的单位主要有国内各所高校，进入新时期之后不断有新的产品与技术问世。针对伺服直驱泵控液压系统存在的一些问题进行积极改进，从动态响应速度慢、调速精度存在问题等方面入手，调查问题的原因，进行针对性改进。以解决低速稳定性为例，在研究过程中从几个方向进行改进，如采用低速性能好的泵或者高性能的变频器，但需付出相应的成本；增大转动惯量或阻尼，从而保证系统的稳定性，但会导致系统的动态响应减慢，品质也会更差。因此需要采取合理的控制方式，以及精确的控制算法，对系统软件进行补偿，提升系统品质，保证系统的动态品质。

对伺服直驱泵控液压系统节能的改进，节能效率达到20%～30%，因现有的设备并没有达到正常的折旧周期，设备现阶段使用状态处于稳定状态，证明设备处于可改造的状态。对设备进行全部改造，节省的电量费用约为1.5 万元，投入成本约3 万元，改造投资成本的回收期2 年，实际改造后的运行效果证明利用伺服直驱泵控液压系统进行节能改造是切实可行的。

6 结语

对于伺服直驱泵控液压系统节能机理的研究，可以避免溢流损失和节流损失等，研究可得出以下结论：伺服直驱泵控液压系统的实际效率远高于阀控系统，并且具有很好的匹配特征。因而在实际使用中，节能的关键是选择容积效率高的液压泵。