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液压开关变换器的两个基本概念
Helmut Kogler
Prof. Rudolf Scheidl
Johannes Kepler University
Institute of Machine Design and Hydraulic Drives
4040 Linz, Austria
E-mail: helmut.kogler@jku.at
摘要：液压开关控制系统试图将现代电气传动控制的一些概念移植到液压上面。电气和液压开关系统都可以比电阻控制系统达到更高的效率。本文介绍了电降压转换器和Cuk转换器液压元件。基本上，液压开关变换器由开关元件（快速阀）、电感和电容组成。主动阀通常在PWM模式下以一定的频率开关。Buck变换器是一种传统的降压变换器，因此负载处的压力总是低于供应压力。Cuk变换器甚至可以将负载压力提高到一个比现有的供应压力更高的水平。但实现液压开关变换器比电子元件更加困难。在流体中的波的传播过程中，主要的问题是不能实现纯电感及液压元件的非线性。本文介绍了转换器的基本概念和实现这样的驱动器遇到的困难。进一步的给出了模拟和测量的结果。
关键词：开关，液压，转换器，效率
1引言
液压传动的一大优点就是驱动大负荷的高比力。但传统的液压系统在使用比例控制的情况下耗费的成本却很高。多年来，研究流体动力的机构试图提高效率，降低驱动器的制造成本以保持与其他驱动技术的竞争。一个有前景的观点是液压开关的概念[例如1，8 ]。一种可行的方法是开发一个类似于电气工程的液压开关系统。这种技术需要快速和高流量开关阀门来实现足够的开关频率并且使在阀口压力损失降到最低。这种阀门最近已经被开发出来了[ 5，6，11 ]，这给进一步试图实现液压节能开关技术留下了一定的空间。因此，随着实际应用的成功实施。[例如12 ]现在可以提出以下的考虑。
本文介绍了液压开关变换器的两个概念，Buck和Cuk变换器。这两者都类似于它们在电力电子方面的相应功能。然而，对它们的分析，设计和优化却是非常复杂的，因为波的传播和几个非线性度在其中发挥着重要作用。尽管如此，还是可以实现良好的性能和高效率。
2液压降压转换器
可以被转移到液压上面的最简单的开关转换器是单向降压转换器。为了正确理解其工作原理，首先对电降压变换器做一些解释。
2.1基本原理
液压降压转换器的电气原理图电路如图1所示，基本上由开关S、二极管D、电感L、电容C和负载组成。
图1.电降压变换器
开关将电路连接起来以提供一定的时间内的电源电压。在此期间电感中电流增加。当开关中断与电源电压相连接时，电感因为其存储的能量进一步驱动一定的电流。因此，电流流过二极管并且电感中的能量将减少。开关再次闭合后，流过电感的电流再次增大。该开关在PWM模式下以一定的频率进行工作。闭合时间与断开时间之比称为占空比。由于切换过程中一个大电容位于电感之后，所以在负载处电压降得不是很急剧。另一个重要因素是开关频率。为了达到驱动器所需的效果，开关频率必须足够高于整个电路的固有频率。
液压降压转换器如图2所示。与电子元件的相应元件是开关阀、止回阀、由管道和蓄能器组成的电感。在这种简单的情况下，负载是由一个普通的孔代替。
图2.简易液压降压转换器
当切换阀开启时，管道电感中的流体加速。为了使阀门的压力降在可接受的范围内，切换阀的额定流量必须尽可能地大。阀门关闭后，管道内流体的动能开始从油缸管路吸入油。这种吸入效果会比比例液压系统实现更高的效率。由于止回阀的流量引起压降，所以必须提高油缸压力，避免气蚀。为了保持油缸压力水平尽可能低，避免气蚀，止回阀必须足够大和快。由开关过程产生的压力脉动由蓄能器减弱。
整个转换器系统的运作就像电子元件在脉冲宽度模式以一定的频率（图3）工作一样。此开关频率必须足够高于装置的固有频率。与开关频率在千赫范围内的电子元件相反，液压系统的典型的开关频率将在五十至几百赫兹的范围内。不仅开关阀有限的阀门动力而且液压系统的流体的能力的影响也能避免更高的频率。
图3.压力与流量基本关系
系统的控制输入就是占空比，这控制着强加的流量。直到吸入阶段结束所持续的时间称为单向转动比率。理想情况（无损耗）下的平均流量读取为
如果达到一定值(取决于负载压力和把损失考虑在内，也取决于开关频率），系统结构变化到一个进一步的操作模式，正如图4所示。如果值超过了，单向转动将超过切换周期。在这种情况下，在下一个切换周期开始之前，吸入相的流速不会恢复到零。系统的行为由流量
控制模式向压力控制模式转变。在这种情况下，在时转换器连接到供应压力，在时系统连接到油缸压力。换句话说，阀门和电感之间的压力可以写成
这是（假设一个足够高的开关频率）仅仅是一个开关周期内的平均压力。
图4.压力控制模式下压力与流量的关系
2.2扩展式液压降压转换器
如图2所示的配置只能进行正向操作，因此它只能用于单向应用如电动机。进一步的问题是要提供一个足够的油缸压力，因为单向降压转换器只能从油缸提取流体并且本身不反馈流体。
有一个概念很有趣，那就是能双向驱动负载的能力。图5描述了在两个方向上由差动油缸恒载驱动的Buck变换器。为了达到这个目的，气缸的环形室不断地与供给压力相连。在这种情况下，它足够由减压阀来保持油缸压力。油缸蓄能器只能储存吸入阶段所需的最大油量。
这种配置的一个很有前途的性能就是能够在检索行程时将能量恢复至供应压力。在这种情况下，流量溢出使压力上升至高于供应压力水平压力，因此油可以通过止回阀反馈到系统线。
图5.液压降压转换器
3液压Cuk转换器
另一个开关液压驱动器是液压Cuk变换器，如图6所示。该转换器的主要优点是能够将压力提升到高于供应压力水平。如果压力超出了系统水平，那么很少需要Cuk转换器这种能够增压的优势了。
基本上，液压Cuk变换器由两个降压转换器阶段构成，即推动和驱动阶段，在镜像配置。为了提高压力,阀需要打开一定的时间，以增加在供给侧电感的动能。当关闭时，流体的动能通过续流止回阀来提升压力。另一方面，升压压力是在驱动阶段被用来以高效率在负载处提供更高的动力。该转换器还在PWM模式下以一定的开关频率工作，而经常在相同的时间和相同的持续时间内切换斜置阀是有必要的。根据不同的驱动方向，通常这两对阀和分别同时开启。与Buck变换器相似，驱动控制输入就是占空比。此外，和降压转换器一样，存在相同的操作模式（流量控制和压力控制）。
图6.液压Cuk转换器
4限制与问题
虽然开关转换器的工作原理是相当简单的，但是大量的物理限制和几个寄生效应使转换器的实现比电子更复杂一些。本节讨论的主要问题如下。
4.1阀的动态特性
如前所述，开关系统要求高流量和快速阀以降低损失。在开启位置阀的大小是优先于压力降的减少而被考虑的。这些阀门必须切换非常快，以保持在开关过程中使损失控制在可接受的范围内。此外，阀门开启的速度对于实现所需的高开关频率很重要。由于阀门工作在脉冲宽度模式下，阀门的上升和下降时间限制了液压PWM信号可行的占空比。
此时可用的阀门在标称压降为5bar并且上升时间为1ms的情况下有一个名义流量约45升/分钟[ 11 ]。这种阀门设计允许在合理的占空比带宽下开关频率高达100赫兹。
所需的高效率还需要大而快的止回阀。在压降为5bar和机械固有频率约为400赫兹情况下的标称流量为30升/分钟的阀门已经被开发出来了[ 6，7]。几个止回阀的平行排列以实现更高的标称流量可以由其紧凑性实现。
4.2寄生效应
上述开关阀提供了很大范围内的高效率的液压开关应用。然而，在开关系统中阀门动态特性不是唯一的限制。存在许多寄生效应，定义了理论工作原理与实际设计的区别。
4.2.1寄生电感
一个液压过程的响应越快，和作用元素相关的流体的惯性就对整个系统的性能和耐用性更加起着好的作用。这种惯性必须考虑到转换器的设计中。
长期供应线的寄生电感的影响可以通过合适的蓄能器控制。更成问题的是位于阀计量边缘后和在降开关边缘相中的寄生电感。在这种情况下，过大的寄生电感产生空穴，可对阀门产生危害并且产生严重噪声。
掌握寄生电感对于一个快速开关液压系统的设计来说是一个挑战。
4.2.2容量引起的电荷损耗
为了避免空化，仅仅降低寄生电感是不够的。除了相当复杂的概念通过附加子系统避免空化[ 4 ]之外，存在着简单的解决方案，也就是耗费一些液压容量来弥补寄生电感的影响，尤其是在节点处（压力）。但在每个开关周期该容量必须充电和放电。这将导致在每个切换状态开始时流量会经历非常短但非常高的峰，这不可避免地带来进一步损失。
4.3波的传播
降压转换器的最重要的元素是电感，这仅仅通过一个管道就能实现。由于油是不可压缩流体，所以管道中的油也是一个系统的分布参数，即波的传播的影响。由于这种影响，通过管道的流速是不均匀变化的，但几乎在一个逐步的方式。由于管道中的行波，在转换器节点的压力不具有完全所需的矩形信号形式。此外，尖锐的开关边缘包括大量的更高的频率，可能激发管道的固有频率，这对于效率而言可能是一个缺点，尤其是噪声。因此，在管道中的波的传播必须进行细致的研究。
4.4非线性
一般来说，开关变换器由于其固有的结构具有非线性特性。但与电路元件如电阻或电容相比，液压系统的几个基本组成部分具有非线性特性。
主要非线性特性是由开关阀和止回阀以及在蓄能器的气体弹簧的特性决定的。气体弹簧的巨大的容量必须由严格有界的工作范围和一个渐进的弹簧特性来实现。此外，目前市售的蓄电池开关变换器由于入口处的口的原因速度太慢。
4.5噪声
由于供应压力和油缸压力之间切换过程压力变化是在几毫秒内产生。这些突然的变化（这对效率是必不可少的）激发一个非常宽的频带频谱，这可能会导致一个令人不悦的噪声，这必须通过适当的转换器设计来保持在可容忍的范围内。
5模拟
在下面的部分中将呈现被选中的某些配置的仿真结果。在所有的模拟情况中，主管道中波的传播情况（电感）被认为是Zielke-Suzuki模型[ 10 ]。管子长度为1.7m和内径为8mm。开关阀门的大小对应于上面提到的当前可用的组件。此外，只有主动开关阀的动态特性被加以考虑和恒定的供应压力和恒定的油缸压力被假定。进一步在所有情况下的开关频率为50赫兹。
只有最有趣的压力和流量被解释说明到。然而，位置和速度图却被忽略，因为模拟只代表开环的情况。
5.1液压降压转换器
在本节中，呈现了液压降压转换器的仿真结果，如图5所示。图7中的图表显示了在液压占空比为50%时，当仅供给侧开关阀作用时，液压阀在扩展方向上的压力和流量。左边的图显示了近似矩形信号的压力。在高压相的波纹是由于在管道中的波的传播。在切换阀关闭后，压力降到油缸压力水平以下，并通过止回阀从油缸吸入油。图7右图描述了相应的流量情况。由于在下一个切换周期开始之前，通过单向阀的流量返回到零，转换器在流量控制模式下工作。从左图可以看出负载压力下降得很快。
图7的右图表明通过供给单向单向阀的不需要的回流率在很短的时间内出现。这种流量在原则上是不必要的，但这种效果来自充电的节点体积和反射的电感管的端部之间的相互作用.
图7.仅用于压力阀的压力和流量
在图8中显示了在占空比为50%时检索过程的主要结果（只有油缸阀门启动时）。与以前的情况相比，调电感的动能将通过供应站止回阀从而能量调理。此外，在这种情况下，组合的能力充电和传入反射波施加短的不需要的吸入相。
图8.运动时的压力和流速
必须提到的是，图5所示的应用程序的工作点取决于气缸的横截面比。如果这个比例不满足一定的条件，降压转换器可能无法有效工作。
5.2液压Cuk变换器
以下介绍液压Cuk变换器的仿真结果图，如图6所示。为了简洁，只有正向运动被处理。如前所述，在这个移动方向，阀工作。在图9中，左上角图显示了通过增压阶段的主要的流量，因为流量是负责提高压力。右上角图片中的曲线反映了通过驱动阶段 的流量，其中流量决定了效率高低。
图10中展示了关于Cuk变换器更有趣的信号。在那里，说明了所有相关的压力信号。在升压压力和油缸压力之间交节点压力和不断进行切换。在这种情况下，在供应压力为100bar时增压压力接近200bar。一个有趣的事实是，助推器的容量可以远远小于负载侧的容量。这是阀门同步切换的结果。
图9.正向运动时的液压Cuk变换器的流量
图10.正向运动时的液压Cuk转换器的压力
6测量
在下面，提出了第一
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