轴向全周期液压马达结构设计与控制研究.pdf

第3 2 卷 第 4 5 期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 笠 1 0 月 轴向全周期液压马达结构设计与控制研究 杨国有， 胡翔宇， 王亮 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院， 北京1 0 0 1 9 1 [ 摘 要] 轴 向串联式超全周摆动液压马达具有 两级摆动 、 轴向布置， 其结构简单、 紧凑等特点， 有利 于减 小转动惯量， 可以实现转轴、 转角的叠加， 解决传统摆动液压马达转角 3 6 0 o 的限制， 适用于要 求转 角一周以上 两周 以下的直接驱动液压伺服动力机构 本文同时还建立了液压马达的数学模型． 并仿真分析 了该液压马达 与传 统液 压 马达 的性 能差 异 ’ [ 关键词] 液压马达； 数 学模型 ； 仿真； 结构设计 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 1 0 4 0 1 0 0 0 5 S t r uc t ur a l De s i g n a nd Co nt r o l Re s e a r c h o f Ax i a l Fu l l Cy c l e Hydr au l i c M o t o r YANG Gu o y o u， HU Xi a ng v u， W ANG Li a n g S c h o o l o f A u t o m a t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a x i a l s e r i e s c o n n e c t e d t y p e o v e r - f u l l - c y c l e r o t a r y h y d r a u l i c mo t o r i s p r o v i d e d wi t h t w o s t a g e d r o t a r y a n d a x i a l a r r a ng e me nt ．I t s f e a t ur e s l i k e s i mpl e a n d c ompa ct s t r uc t ur e a r e f a vo r a bl e f o r r e d uc i ng r o t a ry i ne r t i a a nd r e a l i z e t he s up e r po s i t i o n o f r o t a t i n g s h a ft a n d r o t a t i o n a n g l e t o r e l e a s e t h e l i mi t o f t r a d i t i o n a l r o t a ry h y d r a u l i c mo t o r wh o s e r o t a t i o n a n g l e h a s t o b e l e s s t h a n 3 60 。 ． I t i s s u i t a b l e for d i r e c t h y d r a u l i c s e r v o a c t u a t i n g u n i t wh i c h r e q u i r e s t h e r o t a t i o n a n g l e t o b e mo r e t h a n o n e f u l l c y c l e b u t l e s s t h a n t w o f u l l c y c l e s ． Me a n w h i l e ， t h e p a p e r h a s a l s o e s t a b l i s h e d a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f h y d r a u l i c mo t o r a n d c a r r i e d o u t a s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f p e r f o r ma n c e d i f f e r e n c e s b e t we e n t h i s h y d r a u l i c mo t o r a n d t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c mo t o r ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c mo t o r ； ma t h e ma t i c a l mo d e l ； s i mu l a t i o n ； s t r u c t u r e d e s i g n 液压驱动具有功率重量 比大和力 矩1 质量 惯 量1 比大 的优点， 适合大功率和大力 力矩 驱动， 液压 伺服控制能够实现高频 响 、 宽调速和低稳定速率的 性能。因此液压驱动及其伺服控制技术广泛应用于 航空航天 、 舰船车辆 、 工程机械等领域 l 】。 常规的柱塞马达、 叶片马达 、 齿轮马达等虽然可 实现连续回转． 但 由于结构复杂 、 转动惯量大 存在转 速和力矩脉动等缺点 ， 不适合伺服驱动 。 在旋转运动 的液压伺服驱动场合 中通 常采用摆 动液 压马达， 例 如在仿 真转 台、 负载模拟器 、 机器人关节 、 舵机等应 用 中。现有的摆动液压马达的转角范围 3 6 0 ， 增加 放大转角的传动机构会降低伺服控制性能。 收稿 13 期 2 0 1 1 0 8 2 2 基金项 目 国家 自然科学 基金项 H 6 0 8 7 4 0 6 9 。 作者简介 杨 国有 1 9 8 5 ， 男， 研究方向为机械电子工程 。 i 结构原理 本文研究 的轴 向串联式超全周摆动液压马达， 如 图 1 所示 。 如图 2 、 图 3中． 叶片 3与定子 1固联， 叶片 4和 叶片 5固联。 叶片 6与轴 2固联。 分别形成 四个油腔 A、 B、 c、 D． D油腔进油形成高压油腔 推动 叶片 4和 叶片 5转动 ， 进而使油腔 B进油形成高压油腔， 推动 叶片 6转动， 从而使轴 2相对于定子 1 转动。 设 叶 片 4相 对 与定子 1的旋 转 角度 为 ， 则 0 。 o r 3 6 0 。 ； 转轴 2相对于叶片 5的旋转角度为 0 c ， 第 4 5期 轴向全周期液压马达结构设计与控制研究 1 0 1 则 O O 3 6 0 。 ； 初级摆动马达排量 为 次级摆动 马 达排量为 q ； 叶片 4相对与定子 1的转速为 ， ， 转轴 2相对于 叶片 5的转 速为 ， 3个通油油孑 L 压力分 别 为 P 、 P 、 P ， 转轴 2输 出力矩 为 串联 的两 级摆 动 马达 的连续流量 为 p ； 油腔 、 C连通所形成 的密 闭油腔的工作容积为 。 4 图 1 全周期摆动液压马达 BB 图 2 初级马达 _ A 图 3 次级马达 由于两级摆动马达旋转方向一致。 转轴 2相对 于初级定子 1 的转角为 0 ／ 0 ／ 1 2 1 其中 ， O O 7 2 0 。 转轴 2相对于初级定子 1的 转速为 _ Q 2 ql g2 q 2 轴向串联式超全周摆动液压马达的排量 d满足 3 q g1 q 2 转轴 2的输出力矩为 T p k -- p z q z p - - p O q 4 其中 p l ．pl ql p2 g1 2 因此 P 叩2 L P q1 q 2 5 6 如果两级摆动马达的排量相同， 即 q 剜 。 。 由于 串联关系其转角必定相同．当两级摆动马达具有相 同的 、 由机械结 构所 限定 的最大转角 m a x m a x O L 。 时， 并且两级摆动马达能够 同时达到该最大 值 ， 则必须使充满油液的工作容积为 V o z o q o , 则此 时转轴 2 相对于初级定子 1 的转角最大值为 2 ， 轴 向串联式超全周摆动液压马达 的排量由式f 3 1 和 q l g 2 。 可得 g 孚 7 由此可得 ， 当本文所述 的轴向串联式超全周摆 动液压马达的初级和次级排量为 q l g g 。 时 ，转轴 2 相对于初级定子 1 的转角最大值达到 2 。 。 2 液压马达建模 2 ． 1 液压马达数学建模 阀控转动马达模型如 图 4所示 为了方便观察 马达的结构， 将轴 向串联 的两个转动马达水平放置。 图4 阀控转动马达模型 输出方程 由结构分析可知 ， 二级转动马达末端的输出是 两级马达的输 出之和． 即 0 0 l 2 8 由于初级转动马达和次级转动马达之间的连通 油路非常短而且非常细 ， 可以忽略油液在油路 的压 缩， 所 以可 以认为没有体积变化， 即 Q Q 9 由液压伺服阀压力一流量特性。 液压流量连续 1 0 2 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 方程， 以及液压负载方程． 整理可得 K Q IX 一 K C ip p l - p C epp 1 0 一 K c2p 2 D 告 c ipp z C oao z 1 1 D p - p 1 B O 1 1 2 D p 2 2 B O 2 1 3 式 O I K Q 。 、 Ko 2 为流量放大系数； K 、 K 以为流量一压力 放大系数； D 为转动马达排量； 、 0 2 为转动马达输 出 角度； 为等效容积弹性模数； 、 c 印为 内外泄漏 系 数； 。 。 ～ 为马达单侧油腔 容积； 为初级转 动马达 的对应转动惯量． 包括次级定子 、 初级动 叶片 、 次级 定叶片等； 为次转动马达 的对应转动惯量，包括转 轴 、 次级动叶片等 为马达粘性阻尼系数， 包括动叶 片与定子的阻尼、 动叶片与转轴的阻尼等。 2 ． 2 液压马达状态方程 设状态变量 [ 。 ， 。 ， 0 ， O 2 , p ， P 。 ， p 2 ] ， 输入 向量为 v ] ， 由以上各式可以得到转动马达 的状态方程 B u 1 4 y C 1 5 其 中 A B O 1 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 1 0 o o o 0 0 一 0 0 0 O D D J 】 0 0 D r ．0 一盟盟 2 2 0 等 一 业盟 2 C 【 1 0 1 0 0 0 0 ] 盟 2 c C； C 0 0 0 D ＆ 2 0 Kc C；n C 3 仿真 全周期转动马达的主要参数见表 l 。 表 1 全周期转动马达参数 A B 带人系统状态变量的系数矩阵为 0 1 0 0 0 0 O 0 6． 92 x1 0 0 01 ． 5 4 1 0 1 ． 5 41 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 O 一4 ． 5 x1 0 1 xl 0 01 1 0 0 2 2 2． 8 0- 22 2． 8 3 1 2 O 78 0 78 0 0 -2 2 2． 8 0 0 1 56 0 4． 45 0 0 O 0 0 0 O 1 ． 4x1 0 0 0 2 2 2． 8 1 5 6 0 0 -4．45 ] 一 1 ． 4x1 0 C [ 1 0 1 0 0 0 ] 相同条件 的传统转动马达的模型为 A B 0 l 0 1 5 00 0 0 - 4 45 ． 6 3 0 44 5． 63 0 0 31 1 9 4 31 1 94 0 1 0 0 0 0 - 3 26 6 ． 7 1 5 5 9． 7 0 1 6 03 ． 3 1 5 59 ． 7 - 3 2 6 6． 7 C 【 1 0 0 0 J 在相同的输入下。 二者 的响应曲线如图 5所示。 由图 5的响应曲线可以看出， 传统转动马达的 响应速度明显快于全周期二级马达。 从实际的结构考 虑， 在相 同泄漏系数的条件下， 二级串联 马达 的泄漏 明显高于传统 的转动马达 ， 而且在二级马达中． 由于 二级定子的存在， 全周期二级马达 自身的转动惯量 比传统的转动马达要大很多， 这造成了全周期二级 马达的响应 明显劣于传统 的转动马达。全周期马达 。。。。。 盟 第 4 5期 轴 向全周期液压马达结构设计与控制研究 ． 1 0 3 ． 响应慢的缺点可以通过控制算法进行弥补， 但是全 周期马达超过 3 6 0 。 转动的优势是无法替代的。 l O．9 O馏 O．7 O．6 器 o ．5 O．4 O．3 O．2 O． 1 O 传 统 转 i 力 ． 一 I 一 蓦 I I 。 芏 还 ， ⋯ ．{ ●●， 。 ．．I ， - 』 。 『 U 0 ． 2 U ． 4 U．O U ． l 1 ． 2 1 ．4 1 ．6 1 ． 2 响应 时间 ， s e e 图 5 二级 马达与传统马达比较 3 ． 1 排量对马达的影响 在其他条件相 同的情况下 ， 不 同排量对输出的 影响． 如图 6所示 。 1 ． 4 1 ． 2 O ． 8 相皿 f n 旺 0 ． 6 O ． 4 0 ． 2 0 ，m D 1 0 J 1 0 f ‘ ，， ●_ 夕 ， ／ y 0 0．2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2 响应时 间， s e e 图 6排量对 系统的影响 由图 6的响应 曲线可以看 出， 在其他条件不变 的情况下 马达的排量越大。 马达的响应速度越快。 3 ． 2 阻尼对马达的排量 在其他条件相 同的情况下 ， 不 同阻尼对输 出的 影响如图 7 所示。 ‘ 由图 7的响应 曲线可 以看 出， 在其他条件不变 的情况下， 马达的阻尼越小， 马达 的响应速度越快， 但 是当马达的阻尼过小时． 系统就会产生震荡。 3 ． 3 转动惯量对马达的排量 在其他条件相 同的情况下 ， 不 同转动惯量对输 出的影响如图 8 所示。 由图 8的响应 曲线可以看 出， 在其他条件不变 的情况下。 马达 的转动惯量越大， 马达的响应速度越 慢， 而且 当马达 的转动惯量过大时， 系统就会 产生超 调 [2 - 8 ] 。 理 i 型 一 詈 9 ． 2 l B。 8 l _ _ I I ／ ／ f ．／ f ／ | { 0 0 ． 2 0 ． 4 0．6 0 ． 8 1 1 ． 2 1 ．4 1 ． 6 1 舟 2 响应时 间 ． s e c 图 7 阻尼对系统的影响 } 厂 ＼ l 一4 殳 ． B l i lll_．ji3一 ‘ 々 ／ ／ 0 0 ． 2 0 ． 4 0．6 0 ． 8 1 1 ． 2 1 ．4 1 ．6 1 ． 8 2 响应 时间 ， s e c 图 8 转动惯量对 系统的影响 从 以上对全周期转 动马达 3个参数 的分析可 知 ， 与传 统 的转动 马达 的特性大致 相 同。 全周期 二 级马达通过增大马达排量， 降低系统的阻尼， 减小 马达 的转动惯量 以及减小马达缝 隙的泄漏来 提高 全周期转动马达 的性能 。 4 结论 由以上分析 ， 可以看 出本文所介绍 的转动马达 可以实现全周期转动 ， 并且有着较好的响应特性． 可 以广泛应用于仿真转 台、 负载模拟器 、 机器人关节 、 舵机等需要连续 回转的机构中。 参考 文献 [ 1 ]胡建军 ， 杨 尚平 ， 赵光波． 直动式 比例阀控液压马达数学建模及研 1 0 4 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 究 ． 现代制造工程， 2 0 0 8 6 9 9 1 0 2 ． [ 2 ]凌智 勇， 金青 ． 液压转 向器动 态特性 的建模 与仿真 分析 起 重 运输 机械 ． 2 0 0 6 1 2 6 2 6 5 ． f 3 ]李永堂． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 4 】李 成功 ． 液 压 系统建 模 与仿 真分 析[ M] ． 北京 航 空 工业 出 版社 ， 2 0 0 8． 【 5 ]F a r h a d A g h i l i , K o u r o s P a r s a ， A R o b o t w i t h A d j u s t a b l e D H P a r a me t e r s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f 2 0 0 7 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me c h a t r o ni c s a nd Au t o ma t i o n 。 Ha r b i nI EEE． 2 00 7 5 8 ． [ 6 ]Ma h mo u d T a r o k h a n d G r e g o r y Mc De r m o t t ， A S y s t e ma t i c A p p r o a c h t o Ki n e ma t i c Mo d e l i n g o f Hi g h Mo b i l i t y Wh e e l e d R o v e r s [ C ] ／ ／ 2 0 0 7 I EEE I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n ． Ro ma I EEE， 2 0 07 1 01 4 ． [ 7 ]D a v i d S t e i n ， E d w a r d RS c h e i n e r m a n ， Ma t h e m a t i c a l Mo d e l s o f B i n a ry S p h e r i c al - Mo t i o n E n c o d e r ． T r a n s a c t i o n s o n m e c h a t r o n i c s 2 0 0 3 ，8 2 ． [ 8 ]G r e g o ry S ．C h i r i k j i a n ，K i n e m a t i c D e s i g n a n d C o mm u t a t i o n o f a S p h e r i c al S t e p p e r Mo t o r [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n me c h a t r o n i c s ， 1 9 9 9 ， 4 4 ． 上接第 9 6页 f 编号 中使用 的数字为 0 - 9共 1 0个数字 。每 台渣 包 车配置一套无线发射端． 当渣包车 司机将渣包放 置 到预定 的渣包位置后． 由司机在无线发射端输入 渣包位编号 。 接收器接收指令后采用 Mo d b u s 的通讯 方式送给 D C S 控 制系统。 系统接收命令后 自动启 动 渣包喷冷系统 ， 并 给司机返 回一个确认信号表示程 序已经启动。喷淋结束后， 在渣包车上显示f 触摸屏1 待倒包的信息。 2 1 喷淋水控制 阀选 用O型球 阀。 也 可选用 隔膜 阀，可有效防止 固体颗粒导致阀门关不死的情况出 现。选用的阀门带有阀位反馈开关 当反馈 阀位与程 序里 阀门应有 的阀位不 同时可报警，提醒该 阀门可 能出现故障 。 以上实施方案解决了原方案 中渣包就位检测问 题’ 由渣包车司机代替仪表 自动检测，提高了系统的 可靠性和稳定性． 并节省了大量成本． 同时解决 了因 水中含杂质 阀门关不死而烧坏电磁阀的问题。 3 ． 4 新实施方案的优点 综合应用实践经验与效果分析 ， 采用该系统具 有 以下优点 1 1 系统稳定可靠 ， 可实现渣包到位后 自动启动喷 淋程序。 2 1 节省大量投资， 采用无线系统后取 消了渣包就 位一次检测仪表 、 电缆及相应的 D C S卡件， 降低施工 难度。 3 渣包位优化管理 。D C S系统会 自动将渣包位 的状态发送到渣包车上 的触摸屏上 ， 之后渣 包车司 机可及时将 已经冷却好的渣包拉走 ， 送热态渣包 时 也可根据空渣包位提前选择合适 的路线。 这样可节省 时间和油耗 现渣包车的智能化管理。 4 结语 目前该 系统 已经在 国内某 大型铜 冶炼项 目实 施， 关键的无线系统也在现场通过调试 。由于现场仪 表还未安装好。 暂未实施联调。该系统设计方案也已 经得到 国内其它几 家大型铜炉渣选厂 的认可 ， 正在 实施或准备实施。鉴于此， 本文提出的铜冶炼渣包缓冷 自动喷淋系统是一个具备良好的理论与实践应用价值 的工业流程优化控制方案．具有较强的实际意义。 参考 文 献 [ 1 ]杨彦 ．大冶诺 兰达熔炼渣缓冷生 产实践f J ] ． 有 色冶炼， 1 9 9 9 ， 2 8 5 2 幸 一 2 8 ．