静液压传动装置及其控制系统的设计分析.pdf

自 化 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 2 2 静液压传动装置及其控制系统的设计分析 唐 曙光 佛山科学技术学院，广东佛山 5 2 8 0 0 0 摘要基于传统静液压传动装置对工作环境的适应性欠佳，通过分析发动机的工作特性，提出了一款新型静液压传动系统的设 计方案。方案结合单片机控制技术，使发动机保持在最佳经济性或最佳动力性工作状态，提高装置对复杂工作环境的适应性， 实验证明该方案对提高液压传动系统的性能具有参考价值。 关键词 静液压传动；单片机控制；发动机 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 51 O 90 0 8 2 0 4 Th e De s i g n An a l y s i s o f Hy d r o s t a t i c Tr a n s mi s s i o n Dr i v e r a n d I t s Co nt r o l S y s t e m TANG S hu g u a n g F o s h a n U n i v e r s i t y ，F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s pa p e r i n t r o d u c e s d e s i g n s c h e me o f n e w h y d r o s t a t i c t r a ns mi s s i o n s y s t e m a f t e r t h e a n a l y s i s t o o p e r a t i n g p r o p e r t i e s o f e n g i n e a c c o r d i n g t o t h e p r o b l e m t h a t t h e t r a d i t i o n a l h y dr o s t a t i c t r a n s mi s s i o n d r i v e r i s n o t fi t f o r wo r k e nv i r o n me nt ． T h e s c h e me ma k e s t h e e n g i n e t o k e e p t h e b e s t e c o n o mi c a l o r d y n a mi c wo r k i n g s t a t u s a n d i mp r o v e t h e a d a p t a b i l i t y t o c o mp l e x wo r k e n v i r o n me n t c o mb i n e d wi t h t h e c o n t r o l t e c h n o l o g y o f MCS． Th e e x p e r i me n t p r o v e s t h a t t h e s c h e me o f f e r s a r e f e r e n c e for i mp r o v i n g t h e p r o p e r t i e s o f h y d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m． Ke y wo r d s h y d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n；s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l ；e n g i n e 0引言 随着液压传动技术的发展，静液压传动已经 实现了无极调速及 自动控制功能，被广泛应用于 农业机械和工程机械 中，具有较高的灵敏性与实 用性 。近年来 ，我国静液压传动技术在轨行式施 工机械与工农业机械领域取得 了不错 的成效 ，如 列车轨道 的施工铺设 、采棉机 以及平地机 等 等。虽然我国的静液压传动技术发展迅速，但是 与国外相 比仍处于落后阶段 ，一些技术问题仍需 改善 ，尤其是发动机的匹配问题 。在我国现有的 许多设备中，其静液压传动系统里的发动机往往 达不到理想的工作状态[5 1 ，不仅降低了工作效率， 而且造成了能源浪费。 为此，本文对发动机的工作特性进行了详细 的分析 ，根据发动机的最佳工作状态 ，提 出了一 种新型静液压传动装置的设计方案 ，并结合单片 机控制技 术对该 装置 的控 制系统进 行 了设 计分 析，最后通过实验证明了该方案的可靠性，对提 高液压传动系统的性能具有参考价值。 1 系统总体设计 静液压传动装置的机械结构并不复杂，其核 心组成元件主要有液压泵 、补油泵 、液压马达以 及液压控制阀等等。为了实现手柄操控液压马达 的输 出转速 ，把装置 安装在行驶动力系统 中，采 用文献[ 6 7 ] 所建议 的改变液压泵变量盘倾斜角度 控制液压泵 的排量的方法 ，实现控制 目的。 液压泵与液压马达组成一个封闭油路 ，如图 1 所示。当液压泵的斜盘保持轴垂直位置时，动 力系统处于空挡状态 ，液压泵与液压马达均处在 静止状态；当斜盘稍微旋转一个角度时，油泵开 收稿 日期 2 0 1 50 3 2 7 [二] 立 唐曙光静 液压传动 装置及其控制 系统的设计分析 工业自 始排油 ，从 而带动马达的旋转 ，旋转方向取决于 斜盘的偏转方 向。斜盘的偏转角度越大 ，液压泵 的排油量就越大。 7 图1 静液压传动装置原理图 在设备运转过程中，液压泵与液压马达往往 会 出现漏油 现象 ，本文采 取 的方法是 添加 补油 泵 。泄漏 的油首先会从 高压 回路流 向低压 回路 ， 低压补油泵再 向液压泵与液压马达进行补油 ，避 免了液压泵空吸现象的出现，并且使补偿泵与液 压马达的瞬间流量保持平稳 。另外 ，补油泵还能 间接对 该装 置 的油进 行冷 却 。从 图 1中可 以看 出 ，补油泵释放 的油会输送到主油路 ，油液吸收 了液压马达的热量后，由卸荷阀输送到油箱，从 而实现冷却循环。 为了节约能源 以及提高 系统的工作效率 ，本 文特 地对发 电机 的工作特性进行 了详细 的分析 ， 利用单 片机控制发动机保持在最佳工作状态 ，具 体内容将在下文一一阐述。 2系统关键技术问题 2 ． 1发动机工作特性的分析 本文采用 J D 2 1 0 2 型柴油机作为发动机 ，其万 有特性曲线如图2 所示。 _ -一 一 ’＼ ． y - ． ＼ 。 。＼ ＼ - L 、 二 ／ 、 、 ～ ／ 、 -_ ＼ 、 、 - 一 ／ ／ ， ， ～ “ 2 8 0 一 一 一 _ 一 一 、 ■一 ／ l 一_ N e r ／ mi n 图2 发动机万有特性曲线图 随着转速 的变化 ，可以看 出发动机 的最佳 经济性工作 区域 ，一般处在万有特性曲线 图的最 内层 ，而油耗较高的会分布在外层 。不同功率下 工作时都具有经济工作点 ，即图2 中等油耗曲线 与等功率曲线的切点，发动机应根据实际工作环 境进行经济工作点的调整 ，使其达到理想工作状 态 ，起到节约能源的作用 。 发 动机还有一种特性 曲线叫做符合速度特性 曲线，反映的是转速 与转矩 的变化关系，如 图 3 所示 。图中百分数表示 的是发动机油门的开 度 ，当油 门开度为 1 0 0 ％时 ，曲线代表的就是发动 机的最高动力性能 。 1 2 00 1 40 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 Ne r ／ mi n 图3 发动机部分负荷速度特性曲线图 结合发动机的两种特性曲线图可以看出，等 功率线与转矩线的切点，就是某油门开度下的最 佳动力性工作点，通过构造函数模型的方法，可 以在万有特性曲线 图中得出发动机功率 的表达式 为 7 、 ， P 1 9 5 4 9 - 3 、 同理 ，在负荷速度特性 曲线 图中可以得 出发 动机转速 的表达式为 f N e ， O L 2 式 2 中， 为油门开度。把式 1 代入 式 2 可以得出以下 函数 P ， O L 3 已知发动机 的转速范围是 1 2 0 0 ～ 2 8 0 0 r ／ m i n ， 因此可以通过求极值的方法，求出最佳动力性工 作点 ，比如油门开度为 1 0 0 ％全开时 ，发动机的最 佳动力性转速 就是 2 5 0 0 r ／ mi n 。同理可 以求 出不 啪 瑚 枷 姗 枷 姗 m m 一 日 。 工 业自动化 同油门开度下的最佳经济性工作点，得出的结果 如表 1 所示 。 表1 发电机在不同油门开度下的最佳性能工作点 油门 开度 最大转速 经济转速 油门开 度 最大转速 经济转速 ％ d ra i n d m in ％ r ／ m i n d ra i n 2 O 1 9 8 0 1 7 2 0 7 0 2 5 3 0 20 9 0 3 0 2 1 6 0 1 7 3 0 8 O 2 6 0 o 2 1 8 0 4 0 2 2 8 0 l 7 9 0 9 0 2 5 5 0 2 2 2 0 5 0 2 3 7 0 1 8 7 0 1 o o 2 5 o 0 22 0 0 6 O 24 6 0 l 9 9 0 为了更 直观地表示 出发动机 的最佳工作点 ， 将表 1 中的数据制作成如图4 所示曲线图。 油门开度 ％ 图4 发动机最佳工作特性曲线图 2 ．2装置控制系统的设计 装置 的控制系统主要是通过步进 电机改变液 压泵 的斜盘倾斜角度 ，利用控制排油量 的方法控 制液压 马达 的转速 ，从 而实现发 动机 的转速控 制。系统控制原理如图5 所示。 图5中 表示 的是油 门踏板被踩下的深度 ，可 通过传感器进行数据采集，需要采用传感器进行 测量 的数据还包括行驶模式 的档位 以及发动机 的 转速 。根据上一小节 的讨论 ，油门的开度决定 了 发动机理想工作状态下的转速 ，将计算后的发动 机转速与传感器采集到的实际转速发送到计算机 控制器进行比较，根据偏差的大小向步进电机发 送控制信号 ，改变液压泵的斜盘倾斜角度 ，通过 调节液 压泵 的排 油量对 液压马达 的转速进 行调 节 ，使发动机尽可能达到最佳工作点 ，提高系统 作业效率 开 始 控制参数B ， c , e , v 占 设 初 值 口 1 k - 2 O I 、 仃 盘 k ⋯ I 咔 聃 ，、f ， 计算偏差值 P ， r - c ∞ ； 是 』 P I D控镥 0 P D控制 m P - B ． e k - 1 C ‘ e 2 H I ； P - B e k - 1 C ． e k 2 I 输出A u P 2 - 1 e k - 1 e k - ， 是 ， 一 ＼ 图 6控制流程 图 控制方法采用 了P I D控制技术 ，具体采用的 图5 控制系统原理图 是积分分离增量式P I D 控制，控制 流程如图6 所示 。 2 ． 3数据采集模块的设计 数据采集模块是控制系统当中 不可或缺 的重要部分 ，它关系到控 制模块能否精确地分析并发出控 制信号。本文所设计的数据采集 模块需要对发 动机转速和油 门开 度进行数据采集 、转换 、发送。 重要 盎搿彗 唐曙光静液压传动 装置及其控制 系统的设计分析 锎 发动机转速 的采集主要是为 了让控制模块对 实际转速与理想转速进行 比较后 ，利用步进 电机 改变液压泵 的排油量 ，促使发动机工作在理想范 围内。转速的信号采集可用转矩转速传感器，安 装在功率传动轴上，当发动机运转时，传感器会 随着轴的转动发出微弱的正弦波信号 ，转速越 快 ，波形信号的幅值就越大。但由于正弦波信号 的周期测量 比较复杂 ，而方波 的周期测量相对简 单 ，因此需要对波形信号进行同频率的转换，信 号转换 电路如图7 所示 。 图7 波形信号转换电路 电 容 与 电 阻 起 到 了 滤 波 作 用 ， 二 极 管 0 2 D Z 4 ． 7 起限压作用 ，反接二极管 1 N 4 1 4 8 是为了 让矩形波的底部钳位在零 电平上 ，采用 L M3 3 9 芯 片进行波形的转换，两级7 4 L S 1 4 将转换后的波形 信号进行同频率整形，最后产生0 5 V方波。 油门开度的测量相对简单，利用简单的传动 机构将油门踏板与一个直滑式电位器相连，当驾 驶员踩下油门时，就会推动电位器的滑块，电压 会随着电阻的变化而改变 ，再由A ／ D 转换器将电 信号转化为数字信号后 ，发送到控制模块完成数 据分析与处理 。 3实验效 果 为了验证本文提出的方案的可靠性，笔者利 用磁粉制动器作为加载装置 ，对装置进行 了性能 检验 。采用张力控制仪产生激磁 电流控制磁粉制 动器 ，从而控制传动转矩 ，将油门开度调整到 6 0 ％，使发动机稳定工作在 1 6 0 0 r ／ m i n 附近，然 后选择经济型工作模式，观察发动机转速的变化 情况如图8 所示。 从 图 8 中可以看出 ，当调整至经济型工作模 式 时 ，发 动机 的转速 能被迅 速调 整至该 油 门开 度下的最佳经济性转速附近，达到了高效、节 能的 目的。 富 { 蔺 幂 图8 经济型工作模式下的发动机转速变化图 4总结 本文针对传统静液压传动装置欠缺环境适应 性的问题 ，提出了一种新型静液压传动装置的设 计方案 ，该装置可以根据用户需要 ，选择动力 型 模式或经济型模式进行操作 ，使 发动机得到了充 分利用 ，不仅提高了工作效率 ，还解决 了资源浪 费的问题。 参考文献 [ 1 ]王彩霞． 液压传动的应用技术 [ J ]． 新技术新工艺 ， 2 0 1 0 5 6 9 7 0 ． [ 2 ]毕新胜，王磊 ，李鹏 ，等． 静液压传动在采棉机上的 应用 [ J ]． 农机化研究．2 0 0 9 2 1 7 8 1 8 1 ． [ 3 ]于庆 达．静 液 压 传 动 平 地 机[ J ]． 机 械 工 程 ， 2 0 0 6 4 7 9 ． [ 4 ]吴元道． 工程机械静液压传动装置 [ J ]． 液压气动与 密封 ，2 0 0 2 4 4 6 4 8 ． [ 5 ]张德 明． 浅谈液压传动系统的节能设计 [ J ]． 液压气 动与 密封 ，2 0 0 6 ， 5 5 4 5 6 ． [ 6 ]秦剑秋． 静液压传动集输 HS T 在拖拉机上的应用 [ J ]． 拖拉机与农用运输车 ，2 0 0 6 ，3 3 2 3 4 3 6 ． [ 7 ]于庆丽，王刚． A 4 V G系列泵及其在静液压传动系统中 的应用 [ J ]． 工程机械 ，2 0 1 2 ，4 3 1 1 4 2 4 6 ． [ 8 ]花 同． 步进 电机控制系统设计 [ J ]． 电子设计工程 ． 2 0 1 1 ，1 9 1 5 1 3 1 5 ． 作者简介唐曙光 ，男 ，1 9 6 8 年生，湖南东安人，大学本 科 ，实验师 。研究领 域 机械 加工 、热 处理及液 压传动 。 已发表论文 1 篇。 编辑 向飞