伺服直驅泵控液壓系統及其節能機理研究

蔡少釤

（珠海凱邦電機制造有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

伺服系統具備的優勢令其在航天和軍事領域內得到廣泛的運用，在計算機技術、電子技術和液壓技術等基礎上，液壓控制技術在一定領域內得到了很好發展。傳統液壓控制系統能夠根據控制元件的不同，將其分成閥控系統和泵控系統。在微電子技術和大功率電子器件的發展下，變壓變頻技術已經引起了人們的關注，從控制理論入手，解決了伺服系統中控制與節能的問題，讓交流伺服系統逐漸取代直流伺服系統成為新的調速方式。

1 研究背景

某公司現有280 t 壓鑄機9 臺，經統計年度電能消耗量約為7.7 萬kW·h，按照單月平均1 度電0.8 元計算，每臺壓鑄機每年耗費電費6.2 萬元。工藝設備部門對所需電量和費用計算之后，積極響應國家節能和環保理念，對壓鑄機進行改造試行，改造之后的系統顯示節電量為25%。改造之后的系統降低了能源消耗，對于現代科學的節能發展起到了很好作用。伺服泵控工作原理中，標準壓鑄機液壓系統選擇定量泵系統，壓鑄機工作的過程中電機始終處于恒速運轉狀態，運轉頻率52 Hz，油泵流量同樣處于恒定狀態。在生產的每個環節中，生產循環中的鎖模、儲能等環節需要的流量和壓力大相徑庭，壓鑄機運行過程處于負載狀態。除高壓鎖模之外，儲能和增壓時需要采取較大的速度與壓力，其余工序對速度和壓力的需求都比較小。

目前的高壓溢流液壓系統主要依靠比例閥調節流量與壓力，并將多余的液壓油通過溢流閥回流到油箱內。據不完全統計，這個過程的能量損耗達到了20%～50%。為降低高壓溢流消耗的大量能耗，達到節能的目的，在節能改造中采用異步伺服技術。在改造過程中，異步伺服主電路串接在電機回路中，在空氣開關和接觸器之間，控制線路取PLC 的比例流量閥等信號，在高壓泵油路上安裝壓力傳感器，根據實際生產需求的流量和壓力提供液壓油，減少高壓溢流存在的浪費情況。

2 伺服直驅泵控液壓系統的研究

泵控系統的伺服變量泵一般以電機作為轉速動力驅動，并在液壓系統的運行中利用變量泵運行方式的改變來控制變量泵排量大小，以及流量和壓力的大小。泵控系統與閥控系統相比較，其損失率更小、更加節能，常使用于對功率有較大需求的場合。與此同時，由于系統具有固有頻率低、響應速度慢和調速范圍小等特點，讓其存在動態特性不高的特征。所以在傳統系統容積調速中，其控制方式受外負載變化和油污等干擾有顯著影響，因為其機械結構復雜、造價較高、運行效率低下，給傳統生產帶來很多不利因素。隨著微電子技術的發展，大功率電子器件的推廣讓變頻技術的應用越來越廣泛，伺服系統的控制方式得到了改進，交流伺服系統逐漸成為伺服技術中的主流技術。伺服直驅泵控液壓系統屬于新技術，目前國內相關產品還沒有形成商品化的伺服直驅泵控液壓機以及壓鑄機產品，在系統上存在需要解決的難題。

（1）伺服直驅泵控液壓系統響應速度慢。由于其屬于容積調速系統的特性，動態性能與一般的閥控系統相比要差一些，在改造過程中應該考慮如何提升其動態性能擴展。

（2）傳統控制策略的控制效果不理想。控制電機運動的實質是在系統運動控制中根據需要改變電機的運動速度和方向。然而由于系統本身具有強烈的非線性特質，導致傳統控制策略無法獲得良好的控制效果，所以選擇控制策略也在某種程度上決定了最終的控制效果。需要通過合理的控制策略來保證對伺服電機的精確控制，保障在活塞運動環節對液壓機的良好控制，如運轉方向、速度、壓力等。

（3）耗能大。由于是以降低能耗為目的改造傳統液壓機而采用伺服直驅泵控液壓技術，所以在具體的研究和分析上也需要針對節能機理和效率等進行詳細研究，力求找到很好的節能途徑。

3 泵控液壓系統的節能機理研究

建立伺服直驅泵控液壓系統的數學模型以對其進行研究，分析系統的動態特性，為研究系統性能的好壞，方便采取對應的措施來提升系統動態、靜態性能。在建立能耗仿真模型的基礎上研究，為系統技術的運用提供理論上的指導。

3.1 參數變化和系統動態性能之間的影響

建立Simulink 仿真模型，仿真時輸入驅動器的控制電壓信號0～10 V，輸出參數為電機轉速信號，轉速積分就是位移參數。在參數分析的過程中通過改動其中的某一參數值，就可以對比仿真模型曲線加以分析。通過對比可知：超調減少，轉動慣量的變化對運轉速度以及運轉壓力都不會產生影響。進而分析得到：轉動慣量增大會導致活塞速度響應和壓力響應變慢，要進一步提高活塞速度響應的高效性，可以通過采取減少荷載轉動慣量的方式，但也要注意減小轉動慣量之后，對運動的平穩性相應降低。

3.2 系統的泄漏

系統出現泄漏的原因主要是泵和液壓缸出現泄漏，而泵內泄漏遠遠大于液壓缸的泄漏，會增大對系統性能的影響。活塞速度和系統壓力上升斜率相對降低是因為泄漏系數有所增加，雖然上升到頂點的時間沒有變化，但是超調量減小，速度和壓力穩態數值偏低。所以確定容積效率的過程中要選擇高效率的液壓泵，以獲得更加優質的系統動態特性和更高的調速精度。

3.3 負載

在模型上模擬負載大小對系統性能造成的影響，在研究中知道負載增加之后，系統壓力也增加升高，泄漏也增加，導致活塞的穩態值在負載增加之后相應下降；活塞的啟動和上升時間被延后的主要原因是負載增加后系統壓力需要升高到能夠克服外力。超調量減小后快速性雖然沒有受到影響，但是系統壓力會升高，同時超調量下降也會導致負載增加，系統平穩性變好也會對調速的精度產生影響。

4 伺服直驅泵控液壓系統節能機理

4.1 負載特性分析

成型加工工藝過程中負載具有如下的特征：

（1）呈現周期高尖峰負荷。此情況出現的原因是在精密成形加工工藝中，工件的屈服壓力有很大可能超過100 MPa，而成形裝備滑塊可以產生充足的力量使工件進入屈服狀態。大部分加工工藝及機器在工作過程中產生的阻力呈現的周期尖峰特征也不是一成不變的。

（2）出現比較大的空行程。在放工件和取工件的時候，總行程大于成品高度的2.5 倍。

（3）形成長時間待機。待機時間很大程度由工藝成形的周期性決定，如果人工進行操作的情況下，針對每一個工作周期，都需要預留大量的時間進行放、存工件等操作。

4.2 伺服直驅泵控液壓系統節能機理

對于溢流、節流損耗兩種系統，其對電機環節的損失與泵、液壓系統泄漏引起的容積、機械傳動等損失都包含在其中，節流閥控系統使溢流、節流損失的工作環節大大增加，導致了伺服直驅泵控系統比節流閥控制系統更加節能。同時，由于成形加工負載具有的周期性特征，以及閥控系統不隨負載輸出流量和壓力，導致在工作的大部分時間內必然存在一定的損失。空行程階段，伺服直驅泵控液壓控制系統可以避免溢流損失、節流損失，還能提升生產的效率。

5 改進運用探析

國內對伺服直驅泵控液壓系統進行研究起步雖晚，但是取得了非常顯著的效果。在早期參與研究的單位主要有國內各所高校，進入新時期之后不斷有新的產品與技術問世。針對伺服直驅泵控液壓系統存在的一些問題進行積極改進，從動態響應速度慢、調速精度存在問題等方面入手，調查問題的原因，進行針對性改進。以解決低速穩定性為例，在研究過程中從幾個方向進行改進，如采用低速性能好的泵或者高性能的變頻器，但需付出相應的成本；增大轉動慣量或阻尼，從而保證系統的穩定性，但會導致系統的動態響應減慢，品質也會更差。因此需要采取合理的控制方式，以及精確的控制算法，對系統軟件進行補償，提升系統品質，保證系統的動態品質。

對伺服直驅泵控液壓系統節能的改進，節能效率達到20%～30%，因現有的設備并沒有達到正常的折舊周期，設備現階段使用狀態處于穩定狀態，證明設備處于可改造的狀態。對設備進行全部改造，節省的電量費用約為1.5 萬元，投入成本約3 萬元，改造投資成本的回收期2 年，實際改造后的運行效果證明利用伺服直驅泵控液壓系統進行節能改造是切實可行的。

6 結語

對于伺服直驅泵控液壓系統節能機理的研究，可以避免溢流損失和節流損失等，研究可得出以下結論：伺服直驅泵控液壓系統的實際效率遠高于閥控系統，并且具有很好的匹配特征。因而在實際使用中，節能的關鍵是選擇容積效率高的液壓泵。