开关磁阻电机在数控液压站节能中的应用.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 0卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J a n ．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 7 开关磁阻电机在数控液压站节能中的应用 李帅 ，虎恩典 ，李祖军 ，李桃 1 ．宁夏大学机械工程 学院，宁夏银川 7 5 0 0 2 1 ； 2 ．银川长城液压有限公 司，宁夏银川 7 5 0 0 2 1 摘要将开关磁阻电机调速系统成功地运用于数控机床液压站，充分利用了开关磁阻电机的调速范围宽、调速性能优 异且在整个调速范围内都具有较高效率等特性 ，实现了保压时的自适应流量控制，满足了各种数控机床驱动负载动力要 求，使整个液压动力装置更节能。 ‘ 关键词开关磁阻电机 ；数控液压站；节能 中图分类号T H 1 3 7 ． 5 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 4 7 2 App l i c a t i o n o f Swi t c h Re l u c t a nc e M o t o r i n Ene r g y Sa v i ng o f NC Hy dr a u l i c S tat i o n L I S h u a i 。HU E n d i a n 。L I Z u i u n ，L I T a o 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N i n g x i a U n i v e r s i t y ， Y i n c h u a n N i n g x i a 7 5 0 0 2 1 ，C h i n a ； 2 ． Y i n c h u a n G r e a t w a l l H y d r a u l i c s C o ． ，L T D． ，Y i n c h u a n N i n g x i a 7 5 0 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ma k i n g f u l l u s e o f wi d e s p e e d - r e g u l a t i n g s c o p e ，s u p e r i o r r e g u l a t i o n p e rfo r ma n c e a n d h i s h e ffi c i e n c y o f s wit c h e d r e ] u c t a n c e mo t o r s y s t e m ，i t w a s a p p l i e d i n NC h y d r a t t I i c s t a t i o n t o r e a l i z e s e l f - a d a p t i v e fl o w c o n t r o l w h e n p r e s s u r e i n NC h y d r a u l i c s t a t i o n Was ma i n t a i n e d ．A v a r i e t y o f p o w e r d e ma n d s o f d i ff e r e n t N C ma c h i n e a r e me t a n d t h e h y d r a u l i c d e v i c e b e c o me s mo r e e n e r g y e ffic i e n t ． Ke y wo r d s S wi t c h r e l u c t a n c e mo t o r ；NC h y dra u l i c s t a t i o n；E n e r gy s a v i n g 随着我国机床行业的发展，数控机床对液压动力 单元的要求也越来越高，比如节能、低噪声等。开关 磁阻电机 S w i t c h R e l u c t a n c e Mo t o r ，S R M调速 系统 除了具有变频调速系统的一系列优点外 ，还具有比变 频调速系统更高的电能一机械能转换效率。近年来， 开关磁 阻电机的应用和发展取得 了明显 的进 步 ，已成 功地应用于电动车驱动、纺织机械等领域。作者将开 关 磁阻电机调速系统运用 于数控 液压站 中，实现液压 动力的自动调速、高响应的机械特性和节能式流量的 自适应控制 ，以满足各种数控机床驱动负载的动力要 求 ，使整个液压动力装置更节能。 1 系统的节能分析 传统的液压站在保压状态下，靠溢流阀来保持压 力 的恒定 ，即保压时 ，系统压力达 到溢流阀所调定的 压力 ，在电机转速不变的情况下，泵的流量不变 ，直 接通过溢 流阀流回油箱。 由文献 [ 1 ]可知，泵的输出功率 P可用泵实际 输出流量 q 与泵进出口压差 卸 的乘积来表示，即 P卸 。 q 而实际流量 g可 以表示为泵的理论流量 V n 排量 X 转速与容积效率 叼 的乘积，即 qV ／ t 。 由上式可知传统的液压站在保压时，系统输出 的液压能全部浪费掉了，并且油液循环加快 ，不利于 油液冷却 ，设计时，一般用加大油箱的方法来弥补。 而文 中所提 出的液压 动力装 置 ，如 图 1 所示 。 至系 统 1 一 压 力传 感器 卜 溢 流 阀 安全阀 3 - - 节流阀 4 _液压泵 5 - --注 油 口兼 通 气 口 6 一 液位 计 ， 一 过滤 器 8 一 风冷 器 图 1 系统原理 图 系统在保压时，溢流阀2不工作，仅作安全阀使 用，保压压力是低于溢流阀调定压力的，保压时的流 量 q 经节流阀 3 、风冷器 8流回油箱。节流阀 3的流 量特性 ，参考文献 [ 1 ] ，可用小孔流量通用公式来 描述 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 1 作者简介李帅 1 9 8 5 一 ，男 ，土家族，硕士研究 生，研究方 向为机电系统智能控制。通信作者虎恩典，Em a i l 3 8 3 1 3 9 2 5 0 q q ． c o m。 4 8 机床与液压 第 4 O卷 qC‘ A T。 卸 式 中 由孔 口长径 比决定 ，流量 系数 C与孔 口的形 状尺寸和液体性质有关，即在选定节流阀的节流口形 式以及油液温度在允许范围之内， 和 c可以看作常 数。进而可得知系统保压时，通过降低 电机转速， 降低泵的流量 q ，调整节流阀3的开度，即改变A 的 值 ，就可以设定系统的压力值。从理论上讲 ，可以降 低电机转速至很小 ，使系统在保压时的功率趋近于 零，达到相当节能的效果。但实际上，受泵的低转 自 吸性能的 限制 ，系统保 压时 电机 转速有个 最小值 n i 。因齿轮泵低速时 自吸性能好 ，高速时有相对小 的摩擦损耗 ，作者选用 日本岛津齿轮泵 G P Y一5 ． 8 ， 最低转速 5 0 0 r ／ m i n ，最高转速 3 0 0 0 r ／ m i n 。则保压 时，液压能损耗功率 P 为 ． P b 却 。V。 n m in‘ 叩p 而传统的液压动力装置在保压时液压能的损耗功 率 P h 为 P ‘ V n‘ 叼 可以粗 略估算 ，取 n ； 5 0 0 r ／ m i n ，n1 5 0 0 r ／ mi n Pb i 5 0 0 1 一一一一 JP n 1 5 0 0 3 说 明文 中提出的液压站在保压时 ，浪费 的液压 能 要比传统的少 2 ／ 3 。 2流量 一压力特性曲线 传统数控 液压站基于三相交流异步 电动机 ，驱动 定量泵 ，靠溢流阀溢流来保压 ，系统的流量 一 压力特 性曲线如图2所示的A 。 一 c ，点 c为保压工作点，对 应 的压力为溢 流阀调定 压力 p ，流 量 为 V n 叩 。 而文 中数 控液压站的流量 一 压力特性 曲线为 A 一 日 一 D E， 点 D为保压工作点 ，可以通过系统软件设定保压值 p ，同时调节节流阀开度，使开关磁 阻电机 自动调 速 ，调整流量 至 q ；点 E为安全 压力 ，通 过溢流 阀 来设定 ，其值约为P 0 ． 5 MP a 。从图中还可以看 出该数控液压 站和传 统 的相 比，节 约 的能量 即为 B C D所 围成的面积 。 p I MPa 图 2 流量 一压力特性曲线 3 开关磁阻电机调速 系统 开 关 磁 阻 电 机 调 速 系 统 S w i t c h e d R e l u c t a n c e D r i v e r ， S R D 效率高，输出功率大，在宽广的调速 范围内，整体效率 比其他系统高 出 1 0 ％以上 ；在低 转速段具有高输出转矩 ，普通交流电机驱动的系统空 载时功率因数为0 ． 2～ 0 ． 4 ，满载时为 0 ． 8 6～ 0 ． 8 ，而 开关 磁 阻 电 机 驱 动 的 系 统 功 率 因 数 空 载 时 可 达 0 ． 9 9 5 ，满载 时可达 0 ． 9 8 。文 中采用 开关 磁 阻电机 调 速系统 ，所节约 的能量 占整机节能 的 8 0 ％ 。 3 ． 1 硬 件部 分 控制器选 用 T I 公 司 的高性 能 电机 专 用控 制 芯片 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 ，充分利用 系统 接 口丰 富、功 能强、 高速性能好、指令系统简单易操作等特点，可简化系 统硬件电路设计。控制器结构框图如图 3 所示 ，主要 包括 主控 制器接 口电路 、功 率变 换器 以及 驱动 电路 、 绕组电流检测电路、转子位置检测电路、压力检测环 节以及按键显示电路等。 S RMM f ， 泵 泵 压 力 流 量 图 3 S R D结构框 图 3 ． 2 软件部分 系统在运行中，软件对功率开关的导通角和关断 软件部分采用 C语言对 D S P进行 编程 ，以实现 电 角进行 实 时 控 制 ，由 中 断 服务 程 序 捕 获转 子位 置 ， 流 P WM控制和变角度控制相结合的控制策略 。对 实时更新控制参数，以满足不同工业 场合的要求 ， S R M转速 P I D控制、电流 P WM 控制、压力检测以及 对于运行中出现的短路、过流 、堵转等故 障，控制 换相控制均放在定时器周期 中断服务子程序中，频率 软件都可以给出报警信息 ， 构成友好的人机交互界 为2 k H z ；转子位置检测放在外部中断服务子程序中。 下转第 6 8页 6 8 机床与液压 第4 0卷 生 培柏 ● 审 ‘ l 。 抽 ’ I ， l IoI I p o e tN e 日 叫d R 嘲简丽 j 日 F IC O bo l ln 赢 一 习 F C o n tto t o 苘 习 D i ti B it s j l 目 ItI F j 目 p a r y - j l C I O Q p o r t l 8 e n dB 憎t k l 州 t 口 ， | I C e a r m e 坤 h l 图 5 通信界 面 3 ． 2 ． 2 模拟 窗 口 模拟窗 口主要为显示模拟的十字路 口车辆通行状 况。根据中继器发送上来的车辆信息模拟当前道路状 况。 当中继器发送来车辆信息时，根据其所处的车道 和方位信息在相应的路口放上模拟汽车。根据车速设 定车辆的移动量，同时可以看到在一段路面上每个方 向上 的车辆数 。 当某 个方 向来 的车辆数超 过正常车流量时 ，根据 智能优化算法综合其他路面的情况自动调节信号灯时 间参数，使得总体等待时间最小。路面交通模拟界面 如 图6所示 。 图 6 道 路交通模拟界 面 3 ． 2 ． 3 数据 库信息查看窗 口 对检测到的车辆信息以及交通灯时间参数分别建 立数据库存储 ，进行有效的数据存储 ，以满足应用需 求 ，比如查看各个路段不同时间段的车流量，各路口 交通灯时间参数的修改历史等。 在数据库信息查看界面可以选择要查看的数据 库 ，主要有车流量和红绿灯 时间的信息 ，也可 以导 出 数据做其他 的分 析处理。 4小 结 该系统具有以下优点，使道路上的交通信息与交 通相关信息尽量完整和实时。 1 采用地磁传感器监测车辆通行的情况 ，节 点设计体积小 ，便于安装、替换。 2 智 能交通 系 统 的网络 化 ，可 以将 各个 道 路 的车流量信息统计存储 ，为城市规划等提供数据参 考 。 3 采用双地磁传感器 ，将两路地磁信号作相 关计算 ，提取渡越时间，获得车辆通行速度，从而可 以有效地监测超速行驶 ，提高交通执法的力度。 智能交通 系统是 目前世界交通运输领 域的前沿研 究课题。发达国家提出并执行了一系列研究计划，其 核心是针对 日益严重的交通需求和环境保护压力 ，采 用通信技术、计算机技术 、控制技术、信息处理技术 等对传统交通运输系统进行深入改造。在我国，智能 交通 的研究 处于起 步阶段 。伴 随着经济 的发展 ，城市 化进 程的加快 ，大城市交通拥堵 以及能源 、环境 问题 也变得相当严重。智能交通系统研究必将为我国社会 经济的飞速发展提供强有力的支撑 。 参考文献 【 1 】 杜宏川． 我国智能交通系统发展现状与对策分析 [ J ] ． 吉林交通科技， 2 0 0 9 1 6 0 6 3 ． 【 2 】 贾书洪 ， 贾新宇， 李晓静． 基于 C 8 0 5 1 F 9 2 0 M C U的远程 温度采集系统设计 [ J ] ． 电脑编程技巧与维 护， 2 0 0 9 1 5 3 5 4 ． 【 3 】 罗冰． P C机与单 片机的 S M B u s 底层通信实现[ O L ] ． 2 0 0 9 0 8 2 0 ． h t t p ／ ／ w w w ． p a p e r ． e d u ． e n ． 【 4 】高军哲， 潘孟春， 田武刚， 等． 基于 A R M 9和 MM C 2 1 2 x MG 的数字寻北仪设计 [ J ] ． 单片机与嵌入式 系统 应用， 2 01 0 1 4 74 9． 上接第 4 8页 面。由于开关磁阻电机调速这一技术在国内已经很成 熟 ，因此 文中不再赘述 。 4结论 将基 于开关 磁阻 电机调速 系统应 用于数控液压站 中，除了在噪声方面不是很理想外 ，其他性能均能满 足国家标准 压力振 摆 0 ． 2 M P a ，油 液温 升不 大 于2 5 ． ℃，油液温度不大于 6 0℃。此外 ，该数控液压 站在保压时，功率消耗仅 8 5 0 W，因此 ，在节约能源 方 面具 有推广价值 。 参考文献 【 1 】姜继海， 宋锦春， 高常识． 液压与气压传动[ M] ． 北京 高 等教育出版社， 2 0 0 2 ． 8 ． 【 2 】刘春荣． 闭式液压系统主回油管路的压力 冲击 [ J ] ． 机 床与液压， 1 9 9 8 4 6 1 6 2 ． 【 3 】李彩虹， 王艳 ， 褚军舰． 基于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A开关磁阻 电机控制系统的研究及实现[ J ] ． 电气传动， 2 0 0 6 1 1 36． 【 4 】王晓明， 王玲． 电动机的 D S P 控制[ M] ． 北京 北京航天 航空大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 7 ． 【 5 】全国金属切削机床标准化技术委员会． J B ／ T 6 1 0 5 2 0 0 7 数控机床液压泵站技术条件 [ s ] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 ．