關于柱塞泵變量控制方式的探究

趙 棋

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

柱塞泵屬于液壓系統中重要的組成部件，其原理是利用柱塞在缸體中的往復運動實現吸油與壓油的工作過程，因為具有結構緊湊、額定壓力高、功率密度大、變量控制方便等優點，主要用于壓力高、流量大及流量需要調節的液壓系統。

柱塞泵變量控制方式的有效選擇，直接關系到柱塞泵的使用性能。合理的柱塞泵變量控制方式，有利于提高柱塞泵的性能，可充分發揮柱塞泵所在液壓系統的功能。不合理的變量控制方式，不僅不利于柱塞泵性能的發揮，還可能使其出現安全隱患，有的甚至造成柱塞泵的損壞。因此，對柱塞泵變量控制方式的探究與柱塞泵性能的發揮及所在液壓系統的可靠穩定運行有密切的關系。

1 柱塞泵的結構組成及分類

柱塞泵屬于體積泵，利用柱塞在缸體中的往復運動實現吸油與壓油的過程，主要包括單柱塞泵、臥式柱塞泵、軸向柱塞泵、直軸斜盤式柱塞泵、徑向柱塞泵及液壓柱塞泵（表1）。

2 傳統變量控制方法

柱塞泵變量控制方式一直是研究的重要課題，傳統的變量控制方式也帶來一定經濟效益，傳統的變量控制方式包括恒流量控制、恒壓力控制及恒功率控制。3 種控制方式分別根據采集的設定信號與輸出的實際信號的對比，分別對柱塞泵的實際輸出流量、壓力及功率進行控制，3 種控制方式的特點如下。

2.1 恒流量控制

恒流量控制在應用過程中要檢測2 種信號，流量設定信號及輸出的流量信號和壓力信號。在柱塞泵運轉的過程中，數字控制器一方面根據檢測到壓力輸出信號、流量輸出信號來決定柱塞泵的輸出流量，另一方面還會將柱塞泵的設定輸入流量與其輸出的實際流量情況進行對比，得到輸入流量與輸出流量的誤差信號，根據得到的誤差信號有效調節控制信號的大小。因此，在流量控制器的調節作用下，柱塞泵的流量設定信號與輸出的實際流量能夠保持一致。

2.2 恒壓力控制

在工作的過程中，如果壓力異常會嚴重影響柱塞泵的工作性能，對柱塞泵所在的液壓系統造成安全隱患。因此，恒壓力控制也有廣泛應用。恒壓力控制主要檢測設定的壓力值與負載壓力的反饋值兩個壓力值。壓力控制器會將設定壓力值與負載壓力進行比較，并依據誤差結果情況，由控制算法確定流量控制器的流量輸入設定值及泵的流量輸出值，通過二者的匹配保證負載壓力與設定壓力值統一。

表1 不同類型柱塞泵的結構特點

2.3 恒功率控制

恒功率控制需要檢測來自功率控制器的流量設定信號及泵的實際輸出流量信號，利用流量控制器把兩種信號進行比較，得出功率控制信號。在功率控制器的調節作用下保證柱塞泵的實際輸出功率與其設定信號一致。恒功率控制可有效避免柱塞泵過載引起的故障。

3 傳統的變量控制方式存在的問題

傳統的變量控制方式在一定程度上滿足當時液壓設備的使用，但控制裝置精度一般較低、變量控制響應速度較慢，變量控制裝置大多依賴機械裝置實現，控制系統中控制閥種類及數量較多、加工制造困難、后期維護不方便，不能實現柔性控制及多參數控制，控制方式及相關控制參數不便于調整。

隨著信息化的發展，計算機技術與各類液壓及電氣元件的有效配合可實現對液壓系統的數字控制，傳統的控制裝置不便于和計算機控制系統進行集，限制了柱塞泵的使用范圍。另外，單片機、單板機的迅速發展為實現柱塞泵的數字控制方式提供了保障，數字控制方式可簡化硬件結構，方便實現對柱塞泵輸出的流量、壓力及功率等方面的精確控制，控制參數可進行在線調整，同時含有故障診斷功能，極大提高柱塞泵的應用領域。

4 柱塞泵數字控制方式

數字控制形式是指液壓系統的控制信號以其數字量的形式進行處理和運算，并對柱塞泵實現變量控制。數字式控制包括直接數字控制方式與間接數字控制方式兩種。直接數字控制方式的控制元件可直接接受數字脈沖信號并實現數字控制，控制元件有電液數字閥、高速開關元件、步進電機、旋轉—直線運動轉換裝置等。間接數字控制方式的控制元件主要包括比例閥和電液伺服閥，這些控制元件利用模擬信號實現數字控制，模擬的電信號是數字信號通過D/A 接口轉換得到。下面以軸向柱塞泵變量為例進行分析。

（1）基于步進電機的數字控制。主要元器件有數字控制器、放大器、步進電機、閥、變量機構、壓力傳感器、流量傳感器，A/D接口等。執行元件是步進電機，利用螺旋副，把步進電機的旋轉運動轉化為變成直線位移，通過控制活塞的運動實現對柱塞泵排量的數字控制。

（2）基于變頻器的數字控制。主要元器件有數字控制器、變頻器、A/D 接口、壓力傳感器、流量傳感器等。利用變頻器調節泵轉速，實現柱塞泵變量的數字控制。

（3）基于高速開關閥的數字控制。屬于直接數字控制方式，主要元器件有數字控制器、PWM （Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）放大器、A/D 接口、高速閥、變量機構、壓力傳感器、流量傳感器等。執行元原件是高速開關閥。利用轉化過的流體脈沖信號實現數字控制。

圖1 恒功率控制

圖2 恒功率+壓力切斷控制

（4）基于電液比例控制的數字控制。它屬于間接數字控制方式，主要元器件有數字控制器、比例放大器、A/D 接口、比例閥、變量機構、壓力傳感器、流量傳感器等。執行元原件是電液比例控制閥，利用D/A 接口轉換的模擬電信號實現數字控制。

（5）基于電液伺服閥的數字控制。屬于間接數字控制方式，主要元器件有數字控制器、伺服放大器、A/D 接口、伺服閥、變量機構、壓力傳感器、流量傳感器等。執行元原件是電液伺服閥。利用D/A 接口轉換的模擬電信號實現數字控制。

工程機械的工作環境一般較為惡劣，為了充分發揮其工作效率、節能減排，在使用柱塞泵時往往是多種控制方式組合。主要有以下5 種類型（圖1～圖5）。

圖3 恒功率+壓力切斷控制+電控

圖4 恒功率+壓力切斷控制+負載傳感控制

圖5 負流量+雙泵全功率+電控

5 結論

柱塞泵變量控制多種多樣，目前數字化控制法在柱塞泵變量控制中占主導地位，隨著計算機技術、液壓元器件及電氣元件的快速發展，柱塞泵變量的控制會向控制精度更高、響應數度更快、功能更完善方向發展。