自帶步進電機的軸向變量柱塞泵的設計及其流量控制

路芳，吳懷超

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550003)

隨著機電一體化技術的發展和計算機應用的不斷普及，具有高精度、易控制等優點的數控液壓系統的應用也日益發展。軸向柱塞泵的數字控制，主要要實現軸向柱塞泵流量的數字控制，以滿足液壓工作機構對液壓動力流量的要求，因此，對軸向柱塞泵的數字控制主要是通過對其變量機構的控制來實現的［1］。目前，常見的軸向變量柱塞泵是通過改變斜盤傾角來實現對其流量的控制，這種控制方式要求軸向變量柱塞泵本身要有斜盤變量機構，這無疑增加了軸向變量柱塞泵本體的體積和質量，其結構比較復雜［2］。作者設計的自帶步進電機的微流量變量柱塞泵通過改變步進電機輸入頻率實現流量控制，完全省去了泵本體的斜盤變量機構，體現了液壓元件數字化、小型化的發展方向。

1 自帶步進電機的軸向變量柱塞泵的結構及其工作原理

軸向變量柱塞泵由控制電機和泵體組成。由于步進電動機對其他設備的干擾小，具有無積累誤差、易于計算機控制、可靠性強、維修方便等優點，因而選用步進電動機作為驅動裝置［3］。

圖1 為自帶步進電機的軸向變量柱塞泵的具體結構。

圖1 軸向變量柱塞泵的結構圖

如圖1所示，該泵主要由步進電機9、泵體3 以及泵頭16 三部分組成，其中，步進電機通過輸出軸與安裝在泵體3 內部的絲杠5 連接在一起，傳動螺母13 通過螺栓與柱塞15 連接在一起;在泵頭16 內部設計有腔體、吸油口和排油口。其中，導向鍵4 可以防止螺母13 發生徑向旋轉。根據對泵輸出流量的要求，通過單片機發出相應的脈沖信號，步進電機接受脈沖信號，旋轉相應的角度，滾珠絲杠螺母副將步進電機的旋轉運動轉換成螺母的軸向位移，進而帶動活塞作直線運動;活塞運動到極限位置時，步進電機接受換向信號，活塞反方向運動，如此便可以實現往復直線運動。

如圖1所示，在機械結構方面，該泵最突出的特點是采用了一個滾珠絲杠螺母機構。滾珠絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構，它主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動，滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜、制作成本高，但其最大優點是摩擦阻力矩小、傳動效率高，因此作者采用它作為傳動機構［3］。下面，對該泵所采用的滾珠絲杠螺母機構的部分參數進行設計計算。

設圖1所示的步進電機為二相雙極性步進電機，步距角為α，最大工作頻率為fmax;變量柱塞泵的排量為V，柱塞的橫截面積為S，柱塞往復運動一次的時間為t，出油口的最大承受壓力為pmax。則絲杠的最大工作載荷Fmax為:

絲杠的工作長度L 為:

絲杠的最高轉速nmax為:

柱塞的軸向最高移動速度vmax為:

由式(3)、(4)確定滾珠絲杠的導程ph為:

式中:i 為傳動比，當電機與滾珠絲杠副直聯時，傳動比i=1。

由式(1)、(2)、(5)計算額定動載荷Ca為:

式中:fW為運轉系數，平穩或輕度沖擊時，取1.0 ～1.2;fa為精度等級。

圖1所示的微流量變量柱塞泵在實際使用時，為了配合完成吸油和排油，還需在進油口和出油口分別設置一個二位二通電磁換向閥。吸油時，進油口的閥打開，出油口的閥關閉;排油時，進油口的閥關閉，出油口的閥打開。通過控制步進電動機的輸入頻率可以控制柱塞往復運動的快慢，從而達到控制泵輸出流量的目的。

2 自帶步進電機的軸向變量柱塞泵流量與頻率之間的函數關系

根據上述對軸向變量柱塞泵的結構和工作原理的分析，下面推導此泵輸出流量與輸入頻率之間的函數關系，從而為實現對該泵的流量控制提供理論支持。

根據機電傳動與控制的相關知識，圖1所示的步進電機的轉速n 為［4］:

式中:f 為步進電動機的工作頻率(秒脈沖數);α為步距角。

設滾珠絲杠的螺距為t，則柱塞的行程L 為:

L=tn(8)

設柱塞的橫截面積為S，則由式(7)、(8)可得泵的流量Q 為:

由式(9)可知:一旦泵的結構及其內部的滾珠絲杠螺母機構的結構確定了，泵的輸出流量只與步進電機的頻率f 和步距角α 有關;一旦步進電機的步距角固定，則泵的流量與步進電機的輸入頻率便成正比關系。

3 自帶步進電機的軸向變量柱塞泵流量控制的實現

為了驅動圖1所示的自帶步進電機軸向變量柱塞泵，并實現其流量控制，從而達到自動控制泵運行的目的，設計了如圖2所示的控制電路原理圖。如圖2所示，采用 AT89C52 單片機作為微控制單元(MCU)，并通過8155H 擴展芯片擴展了其I/O 接口。為了實現圖1所示變量柱塞泵自帶步進電機頻率的變化，需要MCU 向該步進電機的驅動電路輸入脈寬調制波形(PWM)，此PWM 波形的頻率和占空比可由MCU 進行控制。具體的實現方法為:為了得到具有一定的頻率和占空比的PWM 波形，可利用MCU 的內部定時器來實現;為了改變該PWM 波形的頻率和占空比，可通過改變MCU 內部定時器的賦值來實現，而賦值的大小可由操作者通過上位機輸入。另一方面，為了實現泵的吸油和排油，需要控制步進電機的正反轉，因而，MCU 還需向該步進電機的驅動電路輸入方向控制信號。

基于上述思路，如圖2所示，通過P1.0 腳輸出步進電機的開關信號SWH;通過AT89C52 單片機的P1.1 腳輸出步進電機所需的PWM 波形，即時鐘信號CLK;通過P1.2 腳輸出步進電機正反轉所需的方向控制信號DIR。此3 路信號經過光電隔離后接驅動電路便可與泵的控制線連接。為了實現步進電機頻率的變化，將AT89C52 單片機串行口的RXD 和TXD 腳與上位機相連，從而通過串行通信的方式來實現對頻率的控制。為了將操作者的輸入頻率和占空比數值實時顯示出來，在圖2 中特采用了8 個共陰極數碼管來進行顯示，其中，前5 個用于顯示頻率，后3 個用于顯示占空比。為此，設置8155H 的PA 口為輸出口，該口通過反向驅動器后作為8 位共陰極顯示器的位掃描口，設置PB 口作為輸出口，該口通過同相驅動器后作為顯示器的段碼輸出口。

圖2 自帶步進電機變量泵的控制電路原理圖

4 結束語

設計了自帶步進電機的軸向變量柱塞泵及其控制電路，通過改變頻率達到改變泵流量的目的，使泵的體積和質量大大減小，體現了液壓元件數字化的發展方向。

【1】蘇明，陳倫軍.軸向柱塞泵的數字控制方式［J］.現代機械，2008(5):40－42.

【2】吳懷超，周勇，張秀華.基于MSP430 單片機的軸向變量柱塞泵驅動系統的開發［J］.計算機工程與設計，2010，31(19):4194－4196.

【3】張建民.機電一體化系統設計［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

【4】張忠夫.機電傳動與控制［M］.北京:機械工業出版社，2010.

【5】耿隨心.基于單片機控制的數字變量軸向柱塞泵［J］.電氣時代，2006(11):118－121.

【6】鐘偉弘，關保國，張善青.步進電機的驅動及微機控制［J］.天津理工大學學報，2000，16(2):66－69.

【7】黃贊.基于AT89C51 單片機的步進電機伺服系統設計［J］.機床與液壓，2004(3):48－56.

【8】周憶，于今，黃放，等.流體傳動與控制［M］.北京:科學出版社，2008.