变频液压乘人装置中负载压力前馈补偿的研究.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第2 0期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS Oc t ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 1 5 变频液压乘人装置中负载压力前馈补偿的研究 史书林 ， 肖兴 明 ，丁海港 1 ．中国矿业大学机 电学院，江苏徐 州 2 2 1 0 0 8 ；2 ．徐州工业职业技术学院，江苏徐 州 2 2 1 1 4 0 摘要分析变频泵控马达速度控制系统的负载特性和负载压力前馈补偿理论，对不同负载工况进行补偿和仿真，提出 采用负载压力分段线性补偿法，能够提高变频液压乘人装置的速度稳定性和乘坐舒适感。 关键词变频液压；负载压力；前馈补偿；速度稳定性 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 4 2 2 Re s e a r c h o n Lo a d Pr e s s u r e Fe e df o r wa r d Co mpe n s a t i o n i n Va r i a b l e Fr e qu e nc y Hy dr a u l i c Pa s s e n g e r De v i c e S HI S h u l i n ， XI AO Xi n g mi n g ‘ ， DI NG Ha i g a n g ’ 1 ． S c h o o l o f M e c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ． X u z h o u C o l l e g e o f I n d u s t r y a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 1 4 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s o f v a r i a b l e fre q u e n c y p u mp c o n t r o l mo t o r s p e e d c o n t r o l s y s t e m a n d t h e l o a d p r e s s u r e f e e d f o r wa r d c o mp e n s a t i o n t h e o r y w e r e a n a l y z e d ． T h e c o mp e n s a t i o n a n d s i mu l a t i o n s we r e ma d e u n d e r d i f f e r e n t l o a d ． T h e l o a d p r e s s u r e d i v i s i o n a l l i n e a r c o mp e n s a t i o n me t h o d wa s p o i n t e d o u t t o i mp r o v e t h e s p e e d s t a b i l i t y a n d t h e r i d e c o mf o r t f e e l o f v a r i a b l e f r e q u e n c y h y d r a u l i e p a s s e n g e r d e v i c e ． Ke y wo r d s F r e q u e n c y h y d r a u l i c s ； L o a d p r e s s u r e ； F e e d f o r w a r d c o mp e n s a t i o n； S p e e d s t a b i l i t y 斜井变频液压架空乘人装置是在一根循环运行的 钢丝绳上，按一定的间距悬挂吊椅，供煤矿井下工作 人员坐在 吊椅 上上下班使用 。该装置采用的是 变频泵 控马达凋速系统 ，其负载刚度小，除了受液压泵驱动 电机的转差影 响外 ，受泵和马达的容积泄漏影 响也很 大，正如文献 [ 1 ]所指出的那样 ，当压力从无负载 到定 负 载 时 ，开环 泵 控 马 达 系 统 流 量 变 化 大 约 为 8 ％ ～ 1 2 ％，其中4 0 ％左右是 由液压泵驱动电机的转 差造成的，其余是由液压泄漏造成的。由于该装置的 负载变化范 围很大 4 2 3 9～ 1 7 2 1 0 N m ，如果不加 以补偿 ，小负载时的实 际速度 比大负载时的实际速度 大得多，从而影响速度的稳定一致性，降低了运行效 率和乘坐舒适度。作者采用负载压力前馈补偿法对变 频泵控马达调速系统进行了补偿，效果较好。 1 速度控制系统的负载特性 在变频泵控马达液压调速回路图 l中，假设液压 泵与液压马达间的油管很短，忽略油管和溢流阀的泄 漏量和电动机的机械特性 ，可推导出回路 的负载特性 如下式 监 _ 1 20 专 一 盯 m 式中／ Z 为马达转速，D。 为泵的排量 ， 1 D 为 马达 的 排量 ，后 为 电机 转 速 和变频 器 的控 制 电压 的静 态 转 换 系数 ，u 为变频器 的控制 电压 ， △ u 为 变 频 器 的调 节 死 区 电压 ，c 为 回路 的总 泄漏 系数 ， 为 负载转矩。 由式 1 知，负 载转矩 的作 用会使 1 一补 油 泵2 一 单 向 阀3 一 主泵 4 一 安全 阀卜 液 压 马达 溢流 阀 7 一 电动机8 一 变频 器 图 1 变频泵控马达 液压调速回路 马达转速降低 ，而且负载转矩越大，使马达转速降低 越大 。实 际上油温 和油液特性 的变化会影响泄漏量 的 大小 ，从而会影响马达转速稳态值的变化。对于有较 高调速精度的该系统而言，必须对马达的速度降落特 性进行补偿 。 2 负载压力前馈补偿法理论分析 图2 负载压力补偿控制框图 收稿 日期 2 0 0 91 0 0 9 作者简介史书林 1 9 7 1 ～ ，男，在读博士研究生，研究方向为机电系统控制 、高职教育研究。电话1 5 2 0 5 2 0 1 7 8 0 ， Ema i l z s 0 30 5 22 2 0 06 1 6 3． c o rn。 第2 0期 史书林 等变频液压乘人装置中负载压力前馈补偿的研究 4 3 变频泵控马达调速系统的负载压力前馈补偿控制 方案框 图如图 2所 示 ，图中 是 补偿 系数 。由于该 系统采用 的变 频器 是矢 量控 制 ，液 压 回路是 闭式 回 路 ，且有补油装置 ，液压油热量能及 时得 到散发 ，故 可忽略 电动机的速度降落和油温变化的影响 ，于是可 得补偿系数 1 ／C】。 Cl ＼ ， 、 I 十 D p r J o 式中 C 。 和 C 分别是 液压 泵和 液压 马达 的 泄漏 量 ， ， 是温度系数 。以上所 确定 的补偿 系数 只是理 论补 偿 系数 ，实际上 由于马达和泵的泄漏系数都随负载的 变化 而变化 ，故补偿系数也随负载工况变化 。由于该 泵控马达系统采用的是闭式回路 ，且有补油装置 ，液 压油热量 能及 时得 到散 发 ，故 可忽 略温 度变 化 的影 响 ，此时取 TT o 。那么只要检测负载压 力或者 说系 统压力 ，就 可 以利用 软 件近 似地 计算 出 负载 补偿 系 数，给出变频器的补偿电压，消除或减小负载对控制 速度 的影 响 ，提高 系统的速度刚度 。 3 负载压力前馈补偿法仿真分析 根据式 2 求得负载补偿系数 k n 0 0 5 3 V ／ M P a ， 但按照此补偿系数进行补偿控制时 ，效果不明显 ，而 且当负载较低时会产生过补偿，当负载较高时会产生 欠补偿 ，当负载过低时还需要 反补偿 。所 以在实 际控 制 中要根据负载大小进 行反复调节才 能确定恰 当的负 载补偿系数 。 1 负载压力理想补偿 当补偿 系数确定适 当时 ，系统 的运行速度能够达 到理想值。如 k 0 ． 0 0 7 5 V ／ M P a 、负载 T L 1 3 8 6 3 N m时 ，仿 真结果 如 图 3所 示 。可知 ，未 补偿 时稳 态速度较 理想速 度下 降 了 2 ． 2 5 ％ ，补偿 后 的稳 态速 度达到了理想速度，而且补偿后提高了速度响应的快 速性，但有较大的超调量和较长的超调时间。 图 3 负载压力理想补 偿输出速度仿真 图4 负载压力过补偿 输出速度仿真 2 负载压力过补偿 当负载降为 T 1 1 9 5 0 N i n时，仿真结果见图 4 。可知 ，如果补偿系数仍取 k 0 ． 0 0 7 5 V ／ MP a ， 补偿后 系统的运行速度超过 了约 1 ％ 。当补偿系数 调 整为 k 0 ． 0 0 4 V ／ MP a 时，输出速度达到了理想值。 未补偿 的输 出速 度较 理想 速度 下 降 了约 1 ． 2 5 ％ 。而 且 随着补偿系数 的增加 ，响应快速性 、超 调量 和响应 时间也会随之增加 。 3 负载压力欠 补偿 当负载变为 1 7 2 1 0 N 1T I 时，仿真结果见图 5 。可知，未补偿的速度较理想速度下降了约 4 ． 2 ％。 如果补偿系数仍取 k 0 ． 0 0 7 5 V ／ M P a ，补偿 后系统 的运行速度仍较理想速度下降了约 1 ． 5 ％。当补偿系 数调 整为 k 0 ． 0 1 1 V ／ MP a时 ，输 出速度 达 到 了理 想速度 ，但超调量 和响应 时间也会随之增加。 4 负载压力反补偿 当负载减小到 T L 2 3 9 0 N I T I 时 ，仿 真结 果见 图 6 。可 知 ，未 补 偿 时 稳 态 速 度 较 理 想 速 度 快 了 4 ． 3 ％。当补偿系数取 k 一 0 ． 0 0 7 5 V ／ M P a ，补偿 后系统的运行速度度达到了理想值 ，而且速度阶跃响 应 的超调量 大大减 小了 ，但 响应速度变慢 了。 2 1 5 1 0． 5 0 1 ． 5 曼1 0 ． 5 ／ ／ ，， 一 一 补偿 后 二 鍪 塞 度 图5 负载压力欠补偿 图 6 负载压力反补偿 输出速度仿真 输出速度仿真 4负载压力分段线性补偿 由以上分析可知 ，为 三1 1 0 了避免过补 偿 、欠 补偿 和 莩 6 4 反补偿， 负载压力补偿系 耋1 ． ， 第 2 0期 李阁强 等直驱式容积控制电液伺服力系统研究 4 5 电机摩擦 阻尼 ，N m s ／ r a d 。 2 ． 2泵控 非对称缸 部 分 假设执行 液压 缸 为非 对称 缸 ，则 当无杆 腔 进油 时 ，其流量连续性方程为 一 C,p p。 A d t C。m P Co m P。 4 活塞的力平衡方程 为 m d y k y 5 式中 n为定量泵的转速 ，r ／ s ；D 为定量 泵的排量 ， m ／ r ；Y 为液压缸活塞的位移，m；C C e p 分别为液 压泵的内泄、外泄系数，m ／ N s ；C i 、C 分别为非 对称缸的 内泄 、外 泄系 数 ，m ／ N s ；A 为液 压 缸无 杆腔活塞 的 面 积 ，m ；V m 为 液 压 缸 进 油 腔 的 容 积 包括阀 、连接管 道和进 油腔 ， ． m ；P 为进 油腔 压 力，M P a ；fi e 为有效体积弹性模量，N ／ m ；k 为负载 弹簧刚度 ，N ／ m；B 为黏性阻尼系数 ，N s ／ m；m为 液压缸 的质量 ，k g 。 同理 ，可得有杆腔进油时的系统动态方程，其和 无杆腔进 油 时形式 相 同 ，只是 将无 杆 腔活塞 的面积 。换成有杆腔活塞的面积 A ，这里从略 。 将式 1 一 5 进 行拉 氏变换 ，可得 闭环状 态下 直驱式容积控 制 电液伺 服 力 系统 的方块 图如 图 2所 示。图中F 和 F 分别为系统的输入和输出力信号， 用 A统一表示大小腔活塞的面积 ，用 K表示 P I D算 ， CCi C Ci C 。 3 仿真分析 3． 5 3 2． 5 苔 2 1 ． 5 1 O ． 5 0 ．0． 5 t ／ s a 斜 坡信 号 响应 3 ． 5 3 2． 5 2 1 ．S l 0 ． 5 O ．0 ． 5 图2 直驱式容积控制电液伺服力系统方块图 采用 S I MU L I N K对系统进行仿真 ，得 到系统在典 0 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2 ． 5 3 3 ． 5 4 t l s b 阶跃 信 号响 应 t l s c 正 弦信 号 响应 ，频 率 1 Hz 图 3 系统对典型信号的仿真曲线 型信号下的仿 真曲线 如图 3所示 。 可以看出，对典型的输入信号，采用 P I D算法， 系统具有很好 的跟踪效果 。 4结论 介绍了直驱式容积控制电液伺服力系统的组成、 工作原理和特点 ，建立 了系统的数学模 型 ，并进行 了 仿真分析 。结果表明 ，由其构成 的电液力伺服 系统组 成方案可行 ，建立的数 学模 型正 确 ，此种驱动方式可 以用于 电液力控制。 参考文献 【 1 】付永领， 徐步力， 那波． 一种新型无伺服阀电液伺服执行 器[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 2 7 4 4 4 5 ． 【 2 】 权龙， H e l d u S e t S ． 基于可调速电动机的高动态节能型电 液动力源[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 ， 1 4 7 6 0 6 6 0 9 ． 上接第4 3页 5结论 变频液 压乘人装 置会 随着 负 载 的增加 出现速 度 下降的现象，当负载变化不大时，采用不变的补偿 系数可以提高变频泵控马达系统的调速精度 ；但当 负载变化较大时 ，采用不变补偿系数会 出现明显的 过补偿 、欠 补偿或反 补偿 ，而 且补 偿 系数 随负 载 的 增加呈非线 性 的增 长关 系 。通 过采 用负 载压 力 分段 线性补偿法 ，既能在较大负载范围内提高速度稳定 性 ，又便于计算 机软件 的实 现 ，减 少 了调 整补 偿 系 数 的工 作量 。 参考文献 【 1 】王春行． 液压伺服控制系统[ M] ． 2 版． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 6 2 0 6 2 0 7 ． 【 2 】罗勇武． 交流变频容积调速回路的分析与研究[ J ] ． 机 床与液压 ， 1 9 9 9 5 91 0 ． 【 3 】 彭天好． 变频泵控马达调速及补偿特性 的研究[ D ] ． 杭 州 浙 江大学 ， 2 0 0 3 ． 4 1 01 5 ．