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一种节能的电动式压力补偿液压系统
摘要：移动液压系统的开发旨在实现更好的控制性能和更高的能源效率。压力补偿器可控制控制孔上的压降，广泛用于多执行器系统中以改善其可操作性。但是，额外的能量也会在补偿器中耗散，特别是在过载的情况下。本文提出了一种新型的节能系统，其中补偿器设计为由液压马达和发电机组成的再生装置。然后，可以再生液压能，并通过使发电机的电磁转矩也适应负载来实现压力补偿功能。发电机的闭环控制是通过有效的压降估算来设计的。提出的节能系统和控制器在配备有电能存储装置的混合动力挖掘机的实验平台上实现。实验结果表明，其良好的控制性能和显著的节能效果。
第一部分：介绍
近年来，能源危机和环境污染已成为世界需要面临的日益严重的问题。我们在各领域为了节省能源并减少排放，已经付出了很多努力。液压系统已广泛应用于工业应用中，但是效率非常低，效率范围为6％至40％[1]。因此，挖掘液压传动装置的节能潜力具有重要意义。
开发高效的液压系统是节省流体动力能量的重要方法，通常分为两种类型。一种是使泵的输出功率与所需功率匹配，另一种是使致动器的可回收能量再生，例如制动动能和重力势能。
在第一类高效系统中，典型的是负载感测（LS）系统，该系统已广泛应用于移动液压机。 LS技术的基本思想是通过最高负载压力的反馈来控制流量供应[2]。但是，由于反馈控制，LS系统易于振荡，因此应仔细检查其阻尼和稳定性[3]，[4]。在传统的控制阀中，进油口和出油口是机械连接的，这在某些工作条件下会导致额外的计量损失。具有单滑阀的LS系统的进步性是将阀中的计量孔分开，以节省更多的能量[5]。泵控制系统是另一种节气门调节系统更有效的控制系统，因为在主液压管路内彻底消除了节气门损失。但是，由于存在非线性和高阶动态特性，该系统导致了具有挑战性的控制器设计[7] – [8] [9]。
能量再生可以通过三种方法实现：交叉连接法，液压存储法和电存储法。姚和刘研究了一种节能的电动液压系统，其中单杆气缸由五个独立的插装阀控制[10]-[11] [12] [13]。四个阀构成一个单独的计量系统，另外一个控制着气缸的两个腔室的连接，以进行能量回收。液压存储方法是将可回收能量转换为液压形式，将其存储在蓄能器中，然后通过使用辅助组件或辅助缸[14] – [15] [16] [17]释放。由于液压蓄能器通常需要较大的安装空间，因此增加其能量密度将显着改善其应用[18]。在电气再生系统中，可回收的能量转换为电气形式，可以直接传递给任何电气执行器。因此，对于已装有电池或超级电容器[19]-[20] [21] [22]的混合动力或电力驱动液压机，这是一种合适的节能方法。但是，当由发电机的旋转速度而不是阀门的开度控制时，大型移动机器（如挖掘机）中的液压致动器的可控性将变差[23]。
良好的控制性能也是液压系统追求的重要方面。 在单泵多执行器系统中，通常使用压力补偿器来控制控制孔上的压降，从而减小了负载变化的影响，从而几乎可以在没有串扰的情况下操作不同的执行器[6]。 但是，缺点是，泵应提供使用补偿器时消耗的额外能量，尤其是在超负荷条件下[24]。
本文提出了一种节能的压力补偿液压系统，该系统将压力补偿器和电气再生装置结合在一起。该系统可以同时实现压力补偿和能量再生的功能。可回收的能量，包括所提供的过量泵和外部输入（例如重力势能），在需要时会转换为电子形式并重新使用。再生装置主要由液压马达和矢量控制发电机组成。通过使发电机的电磁转矩适应负载，可将计量孔上的压降控制在较低水平。基于有效的压降估算，设计了无传感器闭环控制器。最后，在混合挖掘机的各种工作模式下的实验平台上对提出的节能系统和控制器进行了测试。实验结果表明，节能系统和控制器有良好的控制性能和显着的节能效果。
本文的其余部分安排如下。 系统方案在第二节中介绍。 性能分析在第三节中介绍。 第四节给出了实验设置和评估，第五节给出了结论。
第二部分：系统方案
A：配置
该研究的基本思想如图1所示。其目的是同时实现压力补偿和能量再生的功能。在提出的结构中，传统的减压阀被由液压马达和同轴耦合的发电机组成的再生装置代替。
图一
（a）传统压力补偿器（b）提出的结构
图2显示了所提出的液压系统的示意图。它可以用于多个执行器一起工作的应用中。此外，当两个执行器之间的负载差异较大时，节能效果会更大。负载条件可以是超限运行，也可以是阻力运行，这取决于外力的方向和大小。供油通过梭阀承受最高的工作负载，并将泵压力设置为主要负载压力和恒定裕量之和。液压马达和发电机用于将液压能转换为电气形式并提供补偿压力。为了使系统紧凑和高效，轴向柱塞液压马达和永磁同步发电机由于其高效率和功率密度而成为优选的候选者。电池和超级电容器通常被用作普通的电能存储装置。将该系统应用于混合动力或电力驱动的液压机是相对经济的，因为该机器已配备了电能存储装置。否则，存储设备的额外成本将削弱所提出系统的节能优势。
图二
提出的液压系统的示意图。
B.可回收能源
有必要评估不同负载条件下的可回收能量。主液压回路中的能量分布如图3所示，其中是泵提供的压力，是电动机的进口压力，和是气缸的活塞侧和活塞杆侧的流量，和是在进油口和出油口上的压力下降，是外力，是气缸速度。
图三
能量分布：（a）阻力负载（b）超负荷
忽略摩擦和泄漏损失，电阻负载下的可回收能量可以表示为
（1）
在超负荷下，表达式写为
（2）
根据（1）和（2）可以观察到，当负载超载时，所供应的过量泵和外部输入能量都是可以回收的。但是，当负载是阻力性的时候，只有过量泵提供的能量可以再生。此外，如果当前致动器的负载压力是最高的，则将没有可回收的能量，因为电源仅满足致动器消耗的要求。 因此，可回收能量与负载条件密切相关。
C.功能实现
如何将孔口的压降控制在较低的常数是要解决的关键问题。传统的液压补偿器采用来自调节孔两个端口的压力油作为先导供应。同样，一个直接的想法是在压力传感器的反馈中使用压降闭环控制，但是这会花费额外的硬件费用。开发一种简单经济的方法来实现补偿功能，如下所述。首先，基于矢量控制的永磁电机的转速信息计算通过孔口的流量。其次，根据孔口的逆流映射估计孔口上的压降。第三，调整比例反馈控制器以控制压降。
如图1所示，忽略油压，可以将流量计算为
（3）
其中是转速，是排量，是液压马达的体积效率。根据实验测试，的变化可以忽略不计。建议使用查询表以获得更准确的结果，尤其是在液压马达的泄漏流量较大时。
通过孔口的流量表示为
(4)
其中是孔口的流量增益系数，是阀芯位移，而是孔口上的压降。在实验中，阀的动力学特性可以忽略，而阀芯位移通过已知的静态映射直接与控制信号相关[25]。因此，可以通过将计算出的流量代入（4）来估算压降，并给出为
(5)
可以通过孔口的规格和测试来确保逆流映射的准确性，并且在某种程度上可以容忍较小的建模误差。然后，基于有效估计，设计了一个简单的压降反馈控制器。发电机的电磁转矩指令为
(6)
其中lambda;是比例增益，而是所需的压降，该压降是预定常数。从该表达式可以看出，当孔口上的压降大于期望值时，发电机的再生扭矩将增加以减少孔口耗散。的值被上下限饱和，即发电机的最大转矩和零，以避免发电机过载或在电动机模式下工作。
第三部分：性能分析
- 稳态分析
在[25]中已经很好地建立了传统的节气门控制单杆气缸模型。与常规系统相比，提出的系统的主要区别是用计量输出的液压油来驱动再生装置，而不是返回油箱。因此，本研究主要集中在如图1所示的再生装置上。孔板上的实际压降写为
(7)
其中是节流孔的输入压力，是液压马达的输入压力。
在稳定状态下，忽略摩擦扭矩，再生装置将达到扭矩平衡，并表示为
(8)
根据（6）-（8）并将计算出的压降替换为实际值，可以得到以下表达式：
(9)
可以看出，当比例增益适当大时，压降接近预定常数。这样，孔口的输入压力对流量几乎没有影响，并且再生装置相当于液压补偿器。
(14)
- 频率响应
在标称工作点进行线性化，以分析系统的频率响应。在线性化模型中,通过孔口的流量可以表示为
(10)
其中是线性化的流量增益，而是流量压力系数。估计的压降为
(11)
式中，和分别是估计的压降与转速和阀芯位移的差值。
孔口和液压马达之间的腔室的流动方程为
(12)
其中是腔室容积，是液压马达的总泄漏系数，它是内部泄漏系数和外部泄漏系数的总和，是油箱压力，近似是零。
再生装置的转子动力学表示为
(13)
其中是总惯性矩，是库仑摩擦转矩，是阻尼系数和粘性摩擦转矩的组合系数。
从输入压力到流量的传递函数可以通过采用（6）和（10）–（13）的拉普拉斯变换并求解页面底部所示的方程组（14）来获得。
从（14）中可以看出，在低频范围内，传递函数的大小非常小，这是因为孔口的流体压力系数通常比泄漏系数大得多。在高频范围内，幅度几乎等于，这意味着禁用了压力补偿功能。因此，应将工作频率设计为远离禁用的频率范围。
有必要对参数进行量化以进行详细分析。在工作点，为10 MPa，为8.33e-4 / s。其他参数值见表一。图4显示了在不同比例增益下/（）的频率响应。可以看出，随着比例增益的增加，幅度变小，工作频率范围变窄。因此，控制参数的设计应考虑执行器的实际运动频率，以保证系统的压力补偿功能。在实验中，比例增益的值选择为12.0。
表一
图四
第四部分：实验研究
- 实验平台
所提出的节能系统和控制器在混合动力挖掘机实验平台上实现，如图5所示。
图五
在平台中，气缸的活塞直径和杆直径分别为0.115和0.065 m。由由发动机和电机组成的混合动力源驱动的泵，最大每秒可提供0.002的液压油，压力为31.5 MPa。比例方向流量阀的标称流量为1.67e-3 / s。液压马达的固定排量为5.5e-5 。泵，阀和马达均为博士力士乐产品。永磁同步发电机是专门为满足再生应用的要求而设计的，其最大电磁转矩为160 Nm。超级电容器是Maxwell产品，其容量和标称电压分别为6.25 F和400V。转换器是Infineon产品，其最大电流和电压分别为200 A和600V。数字信号处理卡dSPACE DS1104。每转具有3200个脉冲的旋转位置传感器用于检测发电机的转子位置和速度信息，以进行矢量控制和流量计算。在发生器的矢量控制中，采样率为10 kHz，在其他情况下，采样率为1 kHz。实验系统还配备了辅助传感器，包括流量计，压力传感器，位移传感器，扭矩传感器以及电流和电压传感器，用于监视系统状态。图6显示了平台的部分硬件。
图六
- 基本运动测试
首先测试动臂油缸的一些基本运动。在实验中，泵压力设置为14 MPa，能够在满载条件下升高动臂。输入信号通过编程生成以进行比较。
图7显示了当铲斗为空时在0.02、0.06和0.10 m / s的速度下的速度阶跃响应。图8显示了铲斗已满时的结果。动臂上升时，速度为正；动臂下降时，速度为负。可以看出，该系统具有良好的动态性能，响应时间均小于0.5 s。斜坡跟踪的实验结果显示在图9中，该图表明测得的速度和命令值之间的误差非常小。图10显示了速度的连续方向变化。可以看出，实际速度和位移平稳地变化而没有振荡。它还显示可以通过在阶跃输入信号上添加适当的斜坡来减少过冲。
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