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IEEE / ASME机电一体化交易，第19卷 2014年4月2日
使用电气方式的节能压力补偿液压系统
王涛和王庆峰
摘要 —移动液压系统是向更好的控制性能和更高的能源效率发展。压力补偿器，控制控制装置上的压降孔，广泛用于多执行器系统以改善其可操作性。但是，额外的能量也会在补偿器中被消散，尤其是在过载的情况下。本文介绍了一种新颖的节能系统，其中补偿器是由电动马达和发电机组成的再生装置。然后，液压能可以再生，并且压力补偿功能是通过使发电机的电磁转矩应用于负载上。通过有效的压降估算设计发电机的闭环控制。被提出的节能系统和控制器被装备在一个配备电能的混合动力挖掘机的试验平台上。实验结果表明了好的控制能力性能和显著的节能效果。
关键词 -能源节约型，混合动力系统，液压执行机构，压力补偿，再生。
I. 简介
近年来，能源危机和环境污染已经成为世界必须面对的越来越严重的问题。在各个领域，为了节省能源和减少排放，我们付出了很多努力。液压系统广泛在工业应用中使用，但它们的效率非常低效率从6％到40％不等[1]。因此，挖掘液压传输的节能潜力具有重要意义。开发高效的液压系统是节省液压能的重要方法，通常可以分为两种。一种是匹配泵的输出功率到所需的功率，另一种是再生执行器的可用能量，例如制动动能和重力势能。
在第一类高效系统中，典型的是负载传感（LS）系统已被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确定[2]。但是，LS系统容易产生振荡反馈控制，因此应注意其阻尼和稳定性[3]，[4]。在传统的控制阀中，进油孔与节流孔是机械连接的，在某些工作条件下会导致额外的计量损耗。带单滑阀的LS系统向前迈进了一步解耦阀门中的计量控制孔，以便节省更多的能量[5]，[5]。泵控制系统是另一种比节气门调节系统更有效的一种，因为在液压管路中节流损失被彻底消除。但是，由于存在非线性和高阶而导致拖曳器，这种系统导致了具有挑战性的控制器设计。动态特性[7] – [9]。
能量再生可以通过三个步骤来实现方法：交叉连接，液压存储和电气存储。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] – [13]。四个阀构成一个独立的计量系统，额外的一个控制缸的两个腔室的连接，用于能量回收。液压存储方法是将可回收的能量转化成液压形式，将其存储在蓄能器中，然后通过使用辅助部件或辅助气缸[14] – [17]。由于液压蓄能器通常需要大型安装空间，增加其能量密度将大大改善其应用[18]。在电气再生系统中，可回收能量被转换成电子形式，可以直接用于任何电动执行器。因此，对于配备了电池或特级电容器的电力或混合动力驱动液压设备机器，这是一个适用的节能方法[19] – [22]。但是，当他们被发电机的旋转速度，而不是阀门控制时，大型移动机器，例如，挖掘机，的可控性变得更糟[23]。
良好的控制性能也是一个重要方面液压系统的追求。在单泵多执行器系统中，压力补偿器通常用于控制在控制孔的压力降上，从而使负载变化的影响减少，因此不同的执行器被几乎不需要交谈地操作[6]。但是，缺点是泵应提供额外的能量供给补偿器的消耗，尤其是在超载情况下[24]。
本文提出了一种包含合了压力补偿器和一个电气再生装置的节能的压力补偿型液压系统。
图1.基本思想。（a）传统压力补偿器。（b）建议的结构
该系统可以同时实现压力补偿和能量再生的功能。可回收能量，包括泵提供过多的能量和外部输入（例如重力）势能，被转换成电子形式，并在有能量需求的时候被使用。再生装置主要是由液压马达和矢量控制发电机组成。通过把电磁转矩应用于负载上，计量孔上的压降控制在相当低的水平上。根据有效的压降估算设计了无传感器闭环控制器。最后，提出的节能系统和控制器已在不同混合动力挖掘机的实验平台被测试。实验结果表明了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。表现分析在第三节。实验设置和评估在第四节，结论见第五节。
第二节 系统方案
A.配置
这项研究的基本思想如图1所示。他的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，传统的阀门被一个由液压马达和同轴耦合的发电机取代。图2显示了建议的液压系统的示意图系统。
图2.提出的液压系统的图示
它可以用于多个执行机构的应用中。此外，当两个执行器之间的负载差更大时节能更多。负载条件可以是超载或反抗转矩，取决于外力的方向和大小。供油采用的是通过换向阀控制最高工作负荷并将泵压力设置为主要的负载压力和恒定的余量的和。液压电机和发电机用于液压将能量转化为电形式并提供补偿压力。为了使系统紧凑高效，由于其高效和强大的能量密度，采用轴向活塞式液压缸电动马达和永磁同步发电机。通常使用电池和超级电容器作为普通的电能存储设备。由于此机器已配备带有电能存储设备，将该系统应用于混合动力或电力驱动液压机也相当经济。否则，存储设备的额外费用将削弱提出的节能系统的优势。
图三 能量分布。（a）反抗性负载。（b）位能性负载
B.可回收能源
有必要评估不同压力条件下的可回收能量。在液压主回路中的能量分布如图3所示，其中Ps为泵供给压力，Pm是电动机入口压力，Q1和Q2是气缸的活塞侧和活塞杆侧的流量，Delta;Pin和Delta;Pout是仪表入口和仪表入口的压降，Fex是外力，vc液压缸速度。
忽略摩擦和泄漏损失，在反抗性负载下可回收的能量可以表示为 （1）
在超载下，表达式写为
（2）
根据（1）和（2），可以观察到当负载超限，泵供应的多余能量
和外部的输入能量都是可回收的。但是当负载是反抗性时只有泵的多余的能量可以再生。并且，如果当前执行器的负载压力为最高时，将没有可回收的能量，因为供应恰好满足执行器消耗的要求。因此，可回收能量与负荷密切相关。
C.功能实现
如何将节流孔的压降控制在稳定的较低水平是要解决的关键问题。传统液压补偿器采用了来自两个端口的压力油作为先导供应。同样，一个直接的想法是使用带有压力传感器反馈的压降闭环控制的情况下，但要花费额外的硬件。开发了一种简单经济的方法来实现补偿功能并描述如下。一，通过矢量控制的永磁体机器的旋转速度计算孔的流量。其次，通过根据孔的逆流映射估计孔口上的压降。第三，比例反馈控制器已调整以控制压降。
如图1所示，忽略油的可压缩性，流量可以计算为
（3）
其中是转速，是位移，并且eta;v是液压马达的容积效率。eta;v的变化根据实验测试合理忽略。当液压马达的泄漏流量相对较大时，一种建议是使用查询表以获得更准确的结果。
通过孔口的流量表示为
（4）
其中Kq是孔口的流量增益系数，xv是阀芯位移，Delta;Pv是压降。在实验中，可以忽略阀门动力学特性，阀芯位移与控制信号通过已知的静态映射直接相关[25]。因此，压降可以通过将计算的流量代入（4），并给出为
（5）
逆流映射的精度可以通过孔的规格和测试确保，以及较小的建模误差在一定程度上是可以容忍的。然后是基于有效估计来设计压降的一个简单的反馈控制器。需要的发电机的电磁转矩指令为给出为
（6）
其中lambda;是比例增益，而Delta;P0是所需压力下降，这是一个预定的常数。从中可以看出表达式中，当耗散孔口的压降大于所需值时，发电机的再生转矩会增加以减少孔口压力消散。的值有上下限，为了避免发电机过载或在马达模式工作，其分别为饱和的发电机的最大扭矩和零。
三，性能表现分析
A.稳态分析
传统的节气门控制单杆模型油缸已经在[25]中得到了很好的确立。相比于传统系统，建议的主要区别是用输出的油来驱动再生装置而不是返回油箱。因此，本研究主要集中于再生装置，如图1所示。实际压力降为
（7）
其中Pi是孔口的输入压力，Pm是输入液压马达的压力。
在稳态下，忽略摩擦转矩，再生设备是扭矩平衡的，表示为
（8） 。
根据（6）–（8）并用实际压降替换计算出的压降，可以获得下面的表达式：
（9）
可以看出，当比例增益为适当大的常数时，压降接近预定值。然后，孔口的输入压力对流量几乎没有影响，再生装置相当于液压补偿器。
B.频率响应
线性化是在标称工作点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Kvq是线性化流量增益，而Kvp是流量-压力系数。估计的压降为
（11）
其中和分别是所估计的差压对转速和阀芯位移的导数。
液压马达与孔之间的腔室流动方程为
（12）
其中Vm为腔室容积，Ct为液压马达的总泄漏系数，是内部泄漏系数和外部泄漏系数的总和，Pr是油箱压力，大约被视为零。
再生装置转子的动力学特性是按下为
（13）
其中Jt是总惯性矩，Tf是库仑摩擦扭矩，Bm是阻尼系数和粘性摩擦扭矩的和。
从输入压力到流量的传递函数可以通过对（6）和（10）-（13）进行拉普拉斯变换并且求解方程组（14）来获得
从（14）可以看出，变换函数的幅度在低频范围内很小，因为孔口的流量压力系数Kvp通常远远大于泄漏系数Ct。高频率范围，其大小几乎等于Kvp，这意味着压力补偿功能没有作用。因此，工作频率应设计成远离无用的频率范围。
有必要对参数进行量化以进行详细分析。在工作点，Pi为10 MPa，Qv为8.33e-4 m3/s。的其他参数的值如表I所示。图4显示了
在不同比例下的频率响应。可以观察到随着比例增益的增加，幅度变小并且可工作频率范围变窄。因此，为保证系统压力补偿功能，设计控制参数应考虑执行器的实际的运动频率。在实验中，比例增益的值的选择为12.0。
表一 动力分析参数
图4.不同比例增益下的频率响应。
A.实验平台
建议的节能系统和控制器安装在混合动力挖掘机的实验平台如图5所示。
在平台上，气缸的活塞和杆直径分别为0.115和0.065 m。被由发动机和电动混合动力源驱动的泵，每台每秒在31.5MPa下最大可提供0.002 m3液压油。比例方向流量阀的标称流量为1.67e-3 m3/s。液压马达的固定位流量为5.5e-5 m3。泵，阀门和马达都是博世力士乐的产品。永久的电磁同步发电机，专门设计用于满足再生应用的要求，具有最大电磁转矩为160 Nm。超级电容是Maxwell产品，其容量和标称值电压为6.25 F和400V。该转换器为Infineon产品，最大电流和电压为200 A和600V。实时控制算法在数字信号处理卡dSPACE DS1104。每转3200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用于矢量控制和流量计算。采样率在发电机的矢量控制中为10 kHz，在其他情况下1 kHz。实验系统也配备带有辅助传感器，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5 液压执行器的实验平台图示
图六 实验平台的部分硬件
B.基本运动测试
首先测试动臂油缸的一些基本运动。在在实验中，泵压力设置为14 MPa，即能够在满负荷的情况下升高动臂。输入信号是通过编程生成以进行比较。
图7 无负载时的速度阶跃响应
图8 有负载时的速度阶跃响应
图7显示了在铲斗空时，速度分布为0.02、0.06和0.10 m / s时，速度阶跃响应。图8显示存储桶已满时的结果。速度是正的当动臂上升时，当动臂下降时为负值。可以看出系统具有良好的动态性能，响应时间均小于0.5 s。斜坡跟踪的实验性结果如图9所示。测得的速度与指令值之间的误差很小 图10显示了连续的速度方向变化。可以看出，实际速度和位移平稳变化，没有振荡。它也显示
可以通过适当增加斜率可以减少过冲阶跃输入信号。
图9 无负载时的速度斜坡响应
图10 无负载时的连续变化指令的速度
C.压力补偿功能
然后，进行实验以验证补偿功能。由于动臂油缸是单杆且不对称，预定的在计量孔上压降，动臂上升时设定为0.5 MPa，动臂下降时设定为2 MPa。图11显示了在0.06 m/s的实验结果。
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