交流伺服驱动控制泵组的液压系统应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 09期 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 O O 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 1 2 交流伺服驱动控制泵组的液压 系统应用 周惜诵 派克汉尼汾流体传动产 品 上海 有限公 司， 上海2 0 1 2 0 6 摘 要 该文介绍了新型而高效的交流伺服电机驱动控制液压泵组在液压系统的典型应用。为了使液压系统结构更紧凑， 更有效和节 能， 使用交流伺服电机驱动控制液压泵组， 对液压系统提供高效的容积调速和压力控制。当液压系统的执行机构处于待机或保压状 态时， 动力源消耗能量最小， 整个液压系统无节流损失和溢流损失 ， 液压系统的热损耗达到最小， 处于高效， 可靠， 低能耗和低噪声的 最佳状态 。 关键词 交流伺服驱动； 液压泵组 ； 结构紧凑； 节能 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 3 8 0 4 Ap p l i c a t i o n o f AC S e r v o Dr i v e Co n t r o l l e d P u mp Un i t i n Hy d r a u l i c S y s t e m ZHOU Xi s on g P a r k e r Ha n n i fi n Mo t i o nCo n t r o l S h a n g h a i C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t y p i c a l a p p l i c a t i o n o f h i g h e ffi c i e n t a n d n e w AC s e r v o d r i v e c o n t r o l l e d p u mp i n h y d r a u l i c s y s t e m． T o a c h i e v e c o mp a c t s t r u c t u r e ， e ffic i e n c y a n d e n e r g y s a v i n g ， t h i s s y s t e m e mp l o y s A C s e r v o t o a d j u s t v o l u me a n d c o n t r o l p r e s s u r e ． O n s t a n d b y o r i n h o l d i n g p r e s s u r e s t a t e ， t h e wh o l e h y dra u l i c s y s t e m h a s n o l o s s o n t h r o t t l e fl o w a n d p r e s s ure r e l i e f d u e t o mi n i ma l p o we r c o n s u mp t i o n ． I t mi n i mi z e s h e a t l o s s a n d ma k e s t h e h y dra u l i c s y s t e m i n a n o p t i ma l s t a t e o f h i g h e r e ffi c i e n c y a n d r e l i a b i l i t y , l o we r e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d n o i s e e mi s s i o n ． Ke y wo r d s AC s e r v o d r i v e ； h y dra u l i c p u mp s u n i t ； c o mp a c t s t r uc t u r e ； e n e r g y s a v i n g 0 引言 随着近年来工业液压行业的迅速发展， 整个行业 面临着与 日剧增 的能源消耗 和人力资源成本 的压力 ， 同时， 保护环境， 尽可能地减少碳排放和节能等课题， 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 0 4 作者简介 周惜诵 1 9 5 7 一 ， 男， 江苏无锡人， 高级工程师， 学士， 主要从 事工业液压系统 的应用 。 摆在 了液压从业者 的面前 。解决这些 问题 的关键 ， 就 是从减少能源消耗 ， 提高劳动生产力 ， 液压元器件精确 化和模块化设计人手， 使液压系统的空间占有更小， 更 紧凑。采用交流伺服电机驱动控制液压泵组的液压系 统动力源 ， 是与环境和市场需求相符合 的新发展趋 势。新型而高效的交流伺服驱动控制泵组如图1 所示， 本文就交流伺服驱动控制泵组的负载特性及如何提高 液压系统的运行效率， 控制精度和降低能耗展开讨论。 3 ． 4 系统的调试与运行 控制系统运行前 ， 需要事先进行调试 ， 可以先采用 手动方式调试程序， 待系统正常运行之后， 再转人 自动 控 制方式进行 ， 确保万无一失 。由于系统采用 P L C程 序控制 ， 调试 系统 的控制过程只需改变相应控制程序 即可实现 ， 方便 、 灵活 。 4 结论 在 2 6 0 系列微型断路器生产线上 ， 将胎具 夹具 、 气动和P L C技术相结合 ， 胎具通过气动进行定位 、 夹紧 控制 ， 提高 了生产效率 。利用 P L C程序控制整个铆压 过程， 大大提高了系统的灵活性和可操作性 ， 进一步提 高了设备的利用率和产品质量 ， 使生产线具有良好的 柔性， 在提高生产效率的同时， 改善 了工人的工作环 境 ， 值得推广 。 38 参考文献 【 1 】 李绍炎． 一种新型气动压力机构设计l J 1 ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 9 ， 2 5 2 7 0 7 2 ． 【 2 ] 段兆南． 常见电器元件铆接胎具及铆头设计[ J 】 ． 机床电器， 1 9 9 8 ， 2 9 1 0 ． [ 3 】 黄金临． 基于知识的冲压模具 C AD系统的研究与实现[ D 】 ． 南京 南京航空航天大学 ， 2 0 0 4 ． f 4 ] 杨孟涛 ， 金红伟 ， 王晓梅等． 壳体类零件气动铆压装配机床 设计开发f J 1 ． 制造技术与机床， 2 0 1 2 ， 8 1 1 6 1 1 9 ． 【 5 ] 赵龙 ， 易孟林 ， 罗晓玉． P L C 顺序控制在气动多缸演奏系统 中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 1 1 1 4 5 1 4 7 ． 『 6 】 张秀艳， 代小军． 柴油机气缸体双面钻孔组合机床夹具及控 制 系统设计 【 J 】 ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 4 ， 2 1 4 4 1 4 6 ． [ 7 】 陈延奎． 浅谈 P L C控制系统的设计方法[ J ] ． 中国科技信息 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瞬时反转会引起泄压 失效 ， 甚至会引起泵 的吸空 ， 造成对泵的损坏。 从图3 可知 ， 主驱动器接受工控器的流量和压力指 令信号， 并由压力传感器进行压力反馈 ， 或驱动转速的 反馈 ， 而主／ 从伺服驱动器 之间采用 C AN总线通讯 ， 通 过 C A N总线实现主驱动器控制从驱动器。对于液压系 统的动力源的流量控制 ， 交流伺 服电机 的转速控制按 流量指令信号设置所需电机转速， 而压力控制模式则 是油压 的 P I D控制 。其 中 ， 比例增益 K 口 对压力 的影 响 如图4 所示 。 岂 嘣 岂 ＼ Kp 图4 比例增益 对压力的影响 微分时间K d 对压力的影响如图5 所示。积分时间 图 3 多个交流伺服 电机驱动控制泵组 转 速 反 馈 液 压 气 动 与 密 1“ ／20 1 5年 第 09期 K对压力响应和 比例增益 为互补关 系 ， 积分 时间大 小对压力的影响与增益对压力 的影响正好相反 。过大 的积分时间使压力 超调 ， 过小 的积分时间会引起压力 产生振荡。 微分时间 对压力 的影响如图 5 所示 。微分时间 对压力的超调和微小的波动有着一定的抑制效果， 但是 ， 过大的微分时间会使压力上升缓慢 。 山 、、 微分时间 一 数值减小 图 5 微分 时间 对压力的影响 由此 可见 ， 比例增益 越 大 ， 积分 时问 越 小 ； 微 分时间 越大， 响应越快。而响应时间过快， 容易引起 超调 ， 造成系统运行振荡而不稳定 。反之 ， 比例增益 越小， 微分时间 越小 ， 响应就越慢 ， 而响应越慢， 容易 引起泵的总效率下降， 从而影响驱动泵组在液压系统 的运行质量 。因此 ， 对于 P I D控制的优化 ， 是交流伺服 电机驱动控制液压泵组的压力控制的关键环节之一。 2 负载循环特性和节能措施 过去， 我们通常考虑系统动力源节能的首选方法， 是选用变量泵作为动力源 ， 但是选 用变量泵有两个 主 要问题 ， 一是对泵 的变量控制调节难 ， 其次是价格成本 高 。现在有了交流伺服电机驱动控制液压泵组的应 用 ， 除了解决了这些问题外 ， 该方法的结果就是使机构 更紧凑， 更节能。如图6 所示， 交流伺服驱动泵组负载 能耗示意， 根据主机的使用工况和性能， 确定液压系统 的负载循 环特性 ， 而通常液压系统负载循环是指泵的 输 出流量 ， 压力与时间的对应 函数关系 ， 以确定液压系 统 的实际消耗功率。 图6 交流伺服驱动泵组负载能耗示意 实现液压系统功率损失减小 ， 通常就要考虑尽可 能的选较小排量的泵 ， 或减小泵的驱动转速 ， 即通过减 少电机的驱动转速来实现。而交流伺服电机就是最佳 选择 ， 它具有启动转矩大 ， 运行范围广和无 自转等性能 优点。 如 图7 所示为某型液压剪板机负载循环 图。作为 液压系统 的动力源 ， 驱动控制泵组 ， 其负载循环是与系 统工作压力和流量有关。图中纵坐标为负载所需 的压 力 b a r 和流量 L ／ m i n ， 横 坐标 为负载循 环时 间 s 。 流量和压力与时间的函数关系为 PQ t 式中 p 液压系统压力 ； 9 系统消耗流量 。 罱 罱 夏 罱 罱 导 对问 i s 图7液压剪板机负载循环图 首先根据液压原理 图对系统 的配置进行计算 ， 选 择适合系统的交流伺服电机的驱动功率 ， 输出扭矩和 转速范 围， 并配置相应 的伺服驱动器 ， 同时 ， 在选择油 泵的规格型号时， 要考虑泵的最低稳定转速和允许的 最高转速， 额定工作压力和排量， 以确定交流伺服驱动 控制方案的泵源选项。 采用交流伺 服电机驱动定量泵 的 目的之一 ， 是节 能 。在确定 了液压 系统 的负载循环图后 ， 按 系统实 际 压力和流量要求， 计算选定液压油泵的规格， 按照系统 的最大流量 p 和伺服 电机 最大转速 n 选择泵 的排 量 ； 交流伺服电机按最大工作压力P 和泵最大排量 y Ⅲ 选择所需 的输 出功率 ， 以降低能源的输入成本 ； 而 后是选择交流伺服驱动器 ， 要按最大驱动 电流 ， m 来选 择伺服驱动器。 3 交流伺服驱动控制泵组应用 以常用的液压剪板机为例 ， 其液压原理参见图8 ， 伺服驱动泵组剪板机液压原理简图。用交流伺 服电机 驱动控制定量泵 ， 以精确控制系统的压力和流量。 液压剪板机 的使用工况是 ， 夹紧缸和剪切缸均处 于待机状态时， 负载压力及流量均处于最低状态 ， 交流 伺 服 电机处于最小能耗状 态 ； 将待剪切 的钢板放置在 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 5 工作平 台上的基准位置后 ， 夹紧缸 向下运 动 ， 将待剪钢 板夹紧 固定 ， 此 时 ， 由于夹 紧缸 的缸径较小 ， 行程也较 短 ， 所需的伺服 电机和油泵的输 出功率仍较小 ； 当夹紧 缸达到工艺要求的夹紧压力后 ， 压力继电器发信号给 伺服驱动器 ， 剪切缸驱动剪切刀架对钢板 实施剪切 ， 此 时液压泵组输 出最大排量 和压力 ， 即交流伺服 电机和 泵组输出系统 的最大的功率 ； 当完成 了对钢板 的剪切 ， 剪切缸回程到原始位置安全锁定 ， 然后夹紧缸结束对 钢板工件 的夹紧 ， 回程松开夹紧 回到原位 ， 整个剪板循 环过程完成， 其液压系统负载循环图参见图7 所示。与 先前使用普通交流电机驱动泵组合 P L C控制 的液压系 统相比较 ， 使用交流伺服电机驱动泵组的循环时间能 减少3 6 ％， 待机状态时的噪声也降低了近2 0 ％， 实现高 效率， 高功率密度和低噪声的实际效果。 夹紧缸 剪切缸 图 8 伺服 驱动泵组剪板机液压原 理简图 对于交流伺服 电机 驱动控制定量 油泵 ， 采用什 么 类型的油泵较为合适呢 我们将常用的定量油泵分为 3 大类 ， 即内啮合齿轮泵 ， 叶片泵和轴向柱塞泵。通过对 3 种泵的实 际使用性能经过测试 比较 ， 参见表 1 ， 常用定 量泵性能参数 比较如下 。 表 1常用定量泵性能参数比较 通过表中参数比较， 对于相同排量规格的定量泵 ， 综合其最低 稳定 转速， 最高 允许 转速， 容积效率， 额定压力， 噪声等级和价格成本等 ， 并经过实际装机运 行试验 比较 ， 确认 内啮合齿轮泵和叶片泵为最佳选 择。而表 1 中所示的叶片泵是经过特殊改装升级， 在泵 壳体内转子的叶片槽下方安装有特殊的弹簧组件， 用以 泵在最低容许转速工况下， 叶片与定子内曲线表面保持 充分地接触 ， 以提高在低速状态下稳定 的保压能力和容 积效率。常用液压系统 的交流伺服电机驱动控制泵组 ， 使用内啮合齿轮泵或叶片泵是比较合适的选择。 4 结语 由于液压系统采用了交流伺服电机驱动控制定量 泵组构成了新动力源， 泵控伺服驱动液压系统。其特 点是提高 了整个液压系统 的变量特性 ， 优化 了液压 系 统 的机械结构 ， 使 整个 系统更简单 ， 紧凑 ， 功率密度更 高， 尤其是不使用节流控制阀和减少使用溢流阀， 在整 机处于待机或保压状态时 ， 几乎不消耗或很少 消耗 电 能， 系统液压油发热量也大大降低 ， 减小了冷却消耗功 率， 甚至可以不使用油冷却器， 提高了液压系统的可靠 性和使用寿命。除此之外， 在常规液压系统中， 使用双 电比例变量泵或蓄能器装置等， 也是节能的措施 ， 但相 比较而言 ， 使用交流伺服电机驱动控制泵组的节能效 果则更显而易见 。 近年来 ， 随着交 流伺 服电机和伺 服驱动器的成本 不断地下降， 许多行业， 例如注塑机、 压铸机 、 油压机和 橡胶硫化机等， 改变了原有使用普通交流电机驱动泵 组的较高能耗状态 ， 转而使用交流伺服电机驱动控制 泵 组 的新 动力 源 ， 已被很 多 主机 厂和最 终用 户所 接 受。具有高效率和高功率密度 ， 低噪声和低能耗， 高精 度和高可靠性的的交流伺服驱动控制技术 ， 将会有令 人瞩目的应用前景。 参考文献 【 1 】 陈启松． 液压传动与控制手册【 M] ． 上海 上海科学技术出版 社， 2 0 0 6 ， 1 2 1 9 1 3 9 ． 【 2 】 王春行． 液压伺服控制系统[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 3 ， 5 5 8 ． [ 3 ] 宝力泰电液传动控制技术 杭州 有限公 司． P 5 ／ P 9 系列伺服 驱动器使用说明书【 z 】 ． 杭州 宝力泰电液传动控制技术 杭 卅I 有限公司， 2 0 1 4 ． [ 4 】 雷天觉． 新编液压工程手册上册 [ M 】 ． 北京 北京理工大学出 版社， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 韩江， 等． 基于模糊P I D控制的新型伺服液压机位置控制系 统研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 ， 2 8 7 - 9 0 ． [ 6 1 P a r k e r ， H y d r a u l i c V a l v e I n d u s t r i a l S t a n d a r d ， C a t a l o g u e H Y1 1 3 5 0 0 ／ U K ． 2 0 1 3 [ Z 1 ． K a u r s t P a r k e r ， 2 0 1 3 ． [ 7 ] 李贵闪． 伺服驱动液压机浅析[ J 1 ．锻压装备与制造技术， 2 0 1 1 ， 6 1 7 1 9 ． 【 8 】 张友根． 注塑机交流伺服电机驱动液压系统的设计研究[ J 】 I 流体传动与控制， 2 0 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