泵控缸液壓系統全局功率動態匹配圖示化監測方法

(西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

引言

工業裝備的狀態監測是實現設備正常運行的重要環節。機電液傳動系統作為工業裝備中的典型傳動形式，研究機電液傳動系統的狀態監測方法，對實現設備協同匹配、預知維修、促進相關制造行業提效升級意義顯著[1-2]。機電液系統運行過程中，電能、液壓能和機械能耦合關系復雜多變，其各能量場的功率參數蘊含著系統豐富的運行狀態及負載特征信息[3-5]。電機拖動泵控缸液壓系統是機電液傳動系統的典型形式[6-9]，對其運行參數在線監測是保證實驗臺正常運作的基本要求。開發簡捷易操作的功率監測平臺是適應液壓裝備智能化、集群化、網絡化的發展趨勢[10-12]。

在工程實際中，泵控缸液壓系統工況和功率參數是對系統狀態最直觀的反應[13-14]。以機電液參數融合出的二維李薩如圖和功率圓圖能夠直觀反映系統的運行狀態和功率信息[15]。本研究以泵控缸液壓系統為研究對象，基于LabVIEW搭建了機電液系統能耗以及功率匹配特性的在線監測平臺，通過對各傳感器產生的原始數據進行預處理，利用李薩如原理在線繪制電氣、液壓和機械系統功率動態變化圖，重點闡述液壓系統全局以及局部功率監測平臺的設計過程和典型工況下系統功率及效率的動態變化。

1 泵控缸液壓系統功率軟測量模型建立

三相電機在正常運行狀態下其負載對稱，電機的瞬時功率為常量，可由傳統的功率計算方法得出。當電機出現故障時，其故障信息包含在電壓電流信號中，傳統方法不能實時反映輸入電機的功率。因此，以電壓電流融合出李薩如圖來反映電機運行過程中的功率信息和運行工況，如圖1所示。

圖1 單相電參量李薩如圖Fig.1 Lissajous figure of single-phase electric parameter

對永磁同步電機輸入側電壓電流提取基頻成分，其相電壓uj、相電流ij瞬時值可用下式表示：

(1)

式中,j=U，V，W—— U，V，W三相

x，y—— 電壓電流瞬時值

A，B—— 電壓電流的幅值

ω—— 同步電機轉子角速度

t—— 時間

設φ為相電壓與相電流之間的相位差，令φ=φu-φi，則cosφ為電機的功率因數。通過快速Hilbert變換將電壓信號的移相90°，得到有功電壓電流表達式如下：

(2)

聯立電壓電流方程組，得到有功功率橢圓方程：

(3)

令橢圓長軸為a，橢圓短軸為b，則橢圓面積為πab，外接矩形面積為4AB，代入式(3)得：

ab=ABcosφ

(4)

(5)

(6)

式中，u,i—— 相電壓、相電流有效值

P1j—— 單相視在功率

P2j—— 單相有功功率

單相視在功率與外接矩形面積函數關系為：

(7)

單相有功功率與橢圓面積函數關系為：

(8)

式中，S1，S2—— 外接矩形和有功橢圓的面積。

電機正常運轉時，三相功率相等，總視在功率、總有功功率為U，V，W三相之和，可視為單相視在功率、單相有功功率的3倍，有功功率即電機輸入功率。總視在功率P1和總有功功率P2如下：

(9)

(10)

液壓系統的流體功率可由齒輪泵輸出的壓力和流量得出，即泵的輸出功率為：

P6=pq/60

(11)

式中，P6—— 流體功率

p—— 齒輪泵出口壓力

q—— 泵出口流量

液壓缸的負載功率為其所受拉壓力與運行速度的乘積，速度由液壓缸位移求導所得：

P3=F·v

(12)

η1=P6/P2

(13)

η2=P3/P6

(14)

η3=η1·η2

(15)

式中，P3—— 液壓缸的負載功率

F—— 液壓缸運行過程中所產生的拉壓力，kN

v—— 液壓缸運行速度，mm/s

η1—— 由電機和齒輪泵組成的動力源效率

η2—— 液壓缸效率

η3—— 系統總效率

通過式(9)～式(12)得出液壓系統電機端、齒輪泵端及負載端的功率軟測量模型。為直觀監測液壓系統各環節的功率變化情況，以功率值作為圓半徑融合出功率圓圖，如圖2所示，其各功率關系為P1>P2>P6>P3，P4為動力源的功率損失，P5為液壓缸的功率損失。

圖2 功率圓圖形Fig.2 Power circle

2 實驗系統硬件設計及原理

2.1 實驗臺結構

實驗臺主要由液壓缸實驗臺架、電氣柜和觸控操作顯示屏3部分組成，如圖3所示。電氣柜面板設有控制電源、驅動系統啟停、加載系統啟停和急停按鈕，安裝有研祥工控機，其強大的運算分析能力和簡捷易開發的特點被廣泛作為上位機使用。西門子S7-200CN作為控制核心，以其高可靠性及多樣的通訊方式作為下位機使用。工控機內置LabVIEW2013程序開發軟件和模擬量數據I/O卡，本測控系統選擇研華PCI-1715U模擬輸入卡和PCI-1723模擬輸出卡。

圖3 泵控缸液壓系統實驗臺

實驗臺上布置有電壓、電流傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器及拉壓力傳感器，具體傳感器參數見表1。

表1 傳感器參數表Tab.1 Sensor parameters

2.2 液壓系統工作原理

液壓系統主要包括液壓缸驅動回路和加載回路，分別設有單獨的變轉速動力源，形成雙缸對頂的工作狀態。驅動回路由伺服控制器控制三相永磁同步電機驅動齒輪泵供油，電磁比例溢流閥設定管路壓力，油液經單向閥進入電磁比例換向閥，換向閥決定驅動缸的運動狀態，處于中位時，管路油液經溢流閥卸荷。加載回路由變頻器控制變頻調速異步電機驅動齒輪泵供油，加載缸端設有ATOS背壓加載閥組，用于建立系統的加載壓力，可模擬不同負載下液壓缸伸出與縮進的過程，如圖4所示。

3 實驗系統軟件設計及原理

該測控程序采用生產者/消費者設計模式(事件)和狀態機相結合的編程結構，在Windows 7操作系統下執行。

1.伺服控制器 2.電壓電流傳感器 3.永磁同步電機4、25.齒輪泵 5、28.截止閥 6、29.吸油過濾器 7.冷卻器8、23.單向閥 9、22.流量傳感器 10.壓力傳感器11、24.電磁比例溢流閥 12.三位四通電磁比例換向閥13、14.高壓球閥 15.驅動液壓缸 16.聯軸器 17.拉壓力傳感器18.位移傳感器 19.加載液壓缸 20.ATOS背壓閥21.三位四通電磁換向閥 26.變頻異步電機 27.變頻器 30.油箱圖4 液壓系統原理圖Fig.4 Hydraulic system principle diagram

3.1 數據I/O

數據輸入通道為PCI-1715U，BID#0/ai0:15，數據輸出通道為PCI-1723，BID#14/ao0:7，模擬量I/O范圍±10 V，采樣頻率為1000 Hz。采用研華公司開發的LabVIEW工具包DAQNavi完成數據采集和數據輸出程序的編寫，數據I/O原理如圖5所示。

圖5 測控系統原理圖Fig.5 Principle diagram of measurement and control system

3.2 數據預處理

對所采集的信號標定轉換，采用LabVIEW內置的Butterworth濾波器對原始信號低通濾波，電壓、電流信號需提取其基頻成分。

3.3 功率監測

程序內以電壓信號為橫坐標，電流信號為縱坐標融合出李薩如圖，以2個相位相差90°的正弦信號融合出功率圓圖形，功率大小為正弦信號的幅值，功率監測界面如圖6所示。

圖6 功率監測界面Fig.6 Power monitoring interface

3.4 數據存儲

實驗數據以TDMS方式存儲，將所采集的電壓、電流、壓力、流量、拉壓力和位移數據存儲為TDMS文件，LabVIEW會自動生成*.tdms數據文件和*.tdms_index索引文件。

4 變轉速液壓系統功率在線監測實驗

啟動前將相關數據歸零，實驗臺試運行，使液壓缸伸出縮進數次，排出液壓缸內的氣體，切換至功率監測界面。

4.1 雙缸對頂加載工況實驗

設置驅動電機轉速為900 r/min，加載電機轉速為1470 r/min，設定驅動壓力p1為10 MPa。以U相李薩如圖對雙缸對頂加載試驗進行監測，ATOS背壓閥分別給定2，4，6，8 MPa建立系統加載壓力p2，在液壓缸左移相同位移且運行平穩時記錄，李薩如圖監測結果如圖7所示。

加載時，有功橢圓和無功橢圓面積均增大，電壓值變化很小，電流值隨負載增大而增大。電機功率因數和橢圓傾角大小變化規律如圖8所示，功率因數隨加載略微減小，這與永磁同步電機理論分析結論一致。李薩如圖有功橢圓順時針擺動，無功橢圓逆時針擺動，橢圓傾角隨加載增大。

功率圓圖9中，視在功率、有功功率、流體功率和負載功率隨加載而增大，可知系統的輸入電功率由負載大小決定。功率圓環寬體現了系統的功率損失，隨著液壓系統運行功率增大，液壓系統能耗升高。

由表2可知，加載過程中，系統總效率先升高后下降。加載壓力從2 MPa上升至6 MPa時，液壓缸所產生的拉壓力逐漸增大使系統總效率升高；6 MPa時，系統總效率最大為34.479%；加載壓力繼續從6 MPa上升至8 MPa，液壓缸泄漏量增加，導致運行速度減緩，系統總效率降低。系統在運行過程中存在不可避免

圖7 加載工況李薩如圖變化規律Fig.7 Variation of Lissajous figure under loading condition

圖8 加載工況功率因數和橢圓傾角變化規律Fig.8 Variation of power factor and elliptic angles under loading condition

圖9 加載工況功率圓圖變化規律Fig.9 Variation of power circle under loading condition

表2 加載工況實驗功率及效率Tab.2 Experimental power and efficiency under loading condition

的功率損失，其中動力源的效率僅60%左右。受液壓缸泄漏及摩擦影響，動力源輸出的液壓能耦合到負載端的液壓缸效率低于60%，使系統總效率低于40%。

4.2 階躍加載工況實驗

設置驅動電機轉速為900 r/min，加載電機轉速為1470 r/min，設定驅動壓力p1為10 MPa。ATOS背壓閥由2 MPa階躍加載至8 MPa，李薩如圖監測結果如圖10所示。

圖10 階躍加載工況李薩如圖變化規律Fig.10 Variation of Lissajous figure under step loading condition

當系統加載壓力p2階躍升高時，電流突然增大使李薩如圖橢圓面積增大，待系統在8 MPa加載壓力下穩定運行時，李薩如圖面積略微減小并維持穩定。

階躍加載工況下功率圓圖的變化規律如圖11所示，2 MPa階躍加載至8 MPa時，因負載發生突變使液壓系統產生功率沖擊，視在功率、有功功率、流體功率和負載功率迅速增大，待系統穩定運行后，各功率參數略微減小并維持穩定。

圖11 階躍加載工況功率圓圖變化規律Fig.11 Variation of power circle under step loading condition

由表3可知，階躍加載時，動力源效率突然升高，液壓缸效率基本不變，待運行穩定后，動力源效率基本不變，液壓缸效率明顯升高。系統總效率在階躍時升高，運行穩定后基本不變。

4.3 溢流工況實驗

設置驅動電機轉速為900 r/min，加載電機轉速為1470 r/min，設定液壓系統驅動壓力為10 MPa。ATOS背壓閥分別給定8，10，12，14 MPa建立加載壓力，當加載壓力大于10 MPa時，系統處于過載溢流狀態，觀

圖12 溢流工況李薩如圖變化規律Fig.12 Variation of Lissajous figureunder overflow condition

測李薩如圖及功率圓圖并記錄，李薩如圖監測結果如圖12所示。

當系統因過載而發生溢流保護時，油液經溢流閥流回油箱，李薩如圖形狀維持穩定。功率圓圖13中，視在功率、有功功率、流體功率在溢流工況時大小幾乎不變，此時液壓缸速度為0 kW，因此負載功率為0 kW。

圖13 溢流工況功率圓圖變化規律Fig.13 Variation of power circle under overflow condition

由表4可知，溢流工況時，動力源效率維持在60%左右且不隨加載而繼續變化。液壓缸無法對外做功，負載功率為0 kW，系統總效率為0 kW。

表3 階躍加載工況實驗功率及效率Tab.3 Experimental power and efficiency under step loading condition

表4 溢流工況實驗功率及效率Tab.4 Experimental power and efficiency under overflow condition

4.4 電機變轉速工況實驗

設定系統驅動壓力為10 MPa，加載電機轉速為1470 r/min，加載壓力為0 MPa，驅動電機轉速由600，800，1000，1200 r/min逐漸升高，觀測李薩如圖及功率圓圖并記錄，李薩如圖監測結果如圖14所示。

圖14 加速工況李薩如圖變化規律Fig.14 Variation of Lissajous figure under acceleration condition

驅動電機轉速升高時，電流幾乎保持不變，電壓隨轉速的升高而增大，有功橢圓和無功橢圓面積均增大。電機功率因數和橢圓傾角大小變化規律如圖15所示，功率因數隨電機轉速升高而增大，電能利用率提高。李薩如圖有功橢圓逆時針擺動，無功橢圓順時針擺動，橢圓傾角隨轉速升高而減小。

由圖16可知，在600～800 r/min的低轉速區間時，視在功率圓、有功功率圓、流體功率圓和負載功率圓迅速增大；800～1200 r/min高轉速區間時，流體功率圓和負載功率圓增速減緩，視在功率圓和有功功率圓繼續增大。

由表5可知，隨著轉速升高，系統各環節的能耗增大。低轉速區間，負載功率迅速增大，系統總效率升高。當電機為800 r/min，系統總效率達到最大。高轉速區間時，負載功率僅增加了0.053 kW，而有功功率增加了0.222 kW。因此，系統的總效率降低。

圖15 加速工況功率因數和橢圓傾角變化規律Fig.15 Variation of power factor and elliptic angles under acceleration condition

圖16 加速工況功率圓圖變化規律Fig.16 Variation of power circle under acceleration condition

4.5 電機轉速與負載匹配實驗

雙缸對頂加載工況實驗得出加載壓力為6 MPa時，系統總效率最高；電機變轉速工況實驗得出驅動轉速為800 r/min時，系統總效率最高。因此，設定系統驅動壓力為10 MPa，驅動電機轉速為800 r/min，加載電機轉速為1470 r/min，加載壓力為6 MPa，通過分析各環節功率得系統的最佳匹配效率，如表6所示，當電機轉速與負載相匹配時，動力源效率為63.766%，液壓缸效率為55.888%，系統總效率可提高至35.638%。

表5 加速工況實驗功率及效率Tab.5 Experimental power and efficiency under acceleration condition

通過對液壓系統典型工況進行監測，可知要提高系統總效率，需同時匹配加載壓力與驅動電機轉速，且液壓系統能耗大、效率低。因此，對液壓系統功率的狀態監測是研究典型工況下液壓系統動態設計的關鍵，李薩如圖和功率圓圖能夠反應系統工況的變化和功率的動態匹配關系，是一種可行的多能量域功率在線監測方法。

5 結論

(1) 基于LabVIEW開發的功率監測程序可穩定地完成測試任務，實現數據采集、數據預處理、數據存儲、功率參數及運行狀態的在線監測。測控系統具有較強的可移植性，不僅針對往復式負載，還可用于回轉式負載，只需更換相應的負載功率軟測量模型即可；

(2) 李薩如圖和功率圓圖將功率參數圖示化顯示，李薩如圖橢圓面積和功率圓的半徑代表功率的大小，橢圓的傾角反映了負載的運行工況，功率圓圖環寬代表系統的功率損失，功率圓半徑比值反映系統各環節的效率；

(3) 雙缸對頂加載工況實驗和電機變轉速工況實驗驗證了電功率的輸出是由負載決定的，電機輸入電流隨負載的增大而增大，輸入電壓隨電機轉速的升高而增大。系統總效率隨加載壓力或驅動電機轉速的增大，先升高后降低。若考慮液壓系統效率最大，則存在負載與轉速的最佳動態匹配范圍；

(4) 恒定轉速下，當加載壓力為6 MPa時，系統總效率最高為34.479%，動力源效率為62.396%，液壓缸效率為55.259%；階躍工況下，系統產生功率沖擊，運行穩定后，功率略微減小；溢流工況下，液壓缸對外不做功，系統總效率為0；恒定負載下，當轉速為800 r/min時，系統總效率最高為28.105%，動力源效率為54.902%，液壓缸效率為51.190%。當電機轉速與負載相匹配時，系統總效率提高至35.638%，動力源效率提高至63.766%，液壓缸效率提高至55.888%。