“万能”的电比例泵控系统

“万能”的电比例泵控系统饶治国，湛良传，刘文彬，滕召金(恒天九五重工有限公司旋挖事业部)摘 要：阐述液压传动控制方式众多带来的弊端和电比例泵控系统的调节机理；介绍恒功率控制、负载敏感控制和DA控制等控制方式的原理及电比例泵控系统对这几种控制方式替代的实现过程；并展望电比例泵控系统的应用前景。

关键词：电比例；泵控系统；恒功率控制；负载敏感控制；DA控制液压传动的功率密度高、控制便利和布置灵活等诸多优点使其在工程机械中占有举足轻重的地位。由于工程机械种类繁多、工况复杂，为适应各类主机的传动需求，液压传动演变出多种控制方式，如：恒功率控制、负载敏感控制、DA控制等。每种不同的控制方式均对应着一种类型的泵，这就给通用化、模块化带来困难，增加了库存压力；另外，由于上述几种控制方式大多是依靠泵、马达内置的功能阀来实现其控制目的，因此给智能控制器IC(Intel—ligent Controler)参与控制带来了障碍。

本文在总结工程机械领域液压传动与控制实围日匿 践经验的基础上，提出将电比例泵控系统和可编程控制器结合使用，以替代工程机械液压传动领域的其他控制方式，并减少常用泵的种类。

1 电比例泵控系统的调节机理在液压传动与控制的过程中，压力 、流量和方向是 3个基本量，压力取决于负载，系统只是限定其最高压力，方向虽然可控但对控制本身意义不大，对控制有决定性意义的只有流量。电比例泵控系统就是通过控制泵的排量来改变其输出流量进而实现各种控制目的，其控制流程如图l所示。

日匿 日图 1 电比例泵控系统控制流程以 目前在工程 机械领域 应用较 为广泛 的A1 1VO开式变量柱塞泵为例进行分析，图2为其液压原理图。

该泵主要由主泵部分、梭阀(用于内外部控制压力选择)、比例电磁铁、反馈机构和差动变量液压缸组成，可内置压力切断阀，当系统压力达到压力切断阀的设定压力时，斜盘向最小排量 口 方向回摆，此时泵仅输出维持系统泄漏所需的流量，可作为系统的安全阀使用 ；当控制器输入 200～600 mA圈 日固 的控制电流时，泵的排量将从 g 变至最大 g一，特性曲线如图 3，其变量过程最短可在 200～500 ms内完成，可满足目前工程机械绝大部分工况的使用要求。

2 电比例泵控系统用于恒功率控制2．1 恒功率控制的原理及其一般实现方法恒功率泵控系统在工程机械领域应用较为广泛，其控制原理是根据系统压力的变化调整泵的输作者简介：饶治国(1978一)，男，湖北荆州人，工程师，学士，研究方向：工程机械的液压传动与控制研究、技术管理。

· - - — — 34—-—— 例电磁铁媛雹器图2 AllVO开式变量柱塞泵液压原理图／ ／ 。

／ ／ ／ 。 ／ ／ ／ O 0．5排撼咖 ?图3 A11VO开式变量柱塞泵控制电流与排量变化特性曲线出流量，最终使泵的输出功率接近发动机的功率，即系统的压力和流量满足：pxQ=P (1)式中：P为压力；Q为流量；尸为发动机功率。

图4为 A10VO压力流量恒功率控制开式泵的液压原理图，该泵主要包括主泵部分、流量阀、恒压阀、恒功率阀，外加可调节流装置。该泵的p-Q特性曲线见图5，在恒功率 bcd段并非真正意义上的二次曲线，而是通过在恒功率阀中配置两级弹簧得到两级不同的弹簧力，从而用折线 bcd来近似模拟二次曲线，这样带来的问题是该折线并不能和发动机的功率曲线完全吻合，从而造成功率上的浪费。

在设计阶段，恒功率控制的液压系统其原动机的功率需根据泵的最大功率曲线的包络面积来选择，这样往往会造成原动机的功率偏大，另外由于厂 == ==：=可一]S图4 A1OVo压力流量恒功率控制开式泵液压原理图磨《压力P图 5 压力流量恒功率控制泵的p．-Q特性曲线主机厂一般缺乏必要的设备来设定恒功率阀的弹簧力，也会因此造成功率设定上的偏差。

2．2 用电比例泵实现恒功率控制以 A1 1VO开式变量柱塞泵为例 ，在泵的主压力油路增加一个压力传感器，将该压力信号和发动机的转速信号经过适当的处理后输入智能控制器 ，其原理图见图6，经过运算即可得泵对应的瞬时排量 q：口：kx旦 ：k× (2)pxn pxn式中：后——转换系数；— — 转速为17,时发动机对应的最大许用功率；p——主系统压力；n——发动机的转速。

一 35一 ∞ ∞ 棚 ∞ 册 ∞ ∞ ∞ 8 7 6 5 4 3 2 ●
图6 AllVO电比例变量泵液压原理图根据图 3所确定的函数关系，智能控制器即可输出一个电流信号来控制泵的瞬时排量，此时泵所吸收的瞬时功率即为发动机在该转速下的最大许用功率，运用该方法可以在一定的转速范围内完全按照发动机的功率特性曲线(图7)来设定 )，达到充分利用发动机输出功率的目的，同时不致让发动机严重失速或熄火。

／ ， ／ ＼ ／ ／ ＼ ，， ／／，，l 5iX)l 400l 3001 200I l(x)l O0o8o0 1 0o0 1 200 I 400 1 600 l 8o0 20o2 2oon／(dmin)图 7 发动机功率特性曲线3 电比例泵控系统用于负载敏感控制3．1 负载敏感控制的原理负载敏感控制就是根据负载需要的压力 、流量来匹配泵的输出压力、流量以提高液压系统效率的控制技术。其本身是一个比较广泛的概念，在工程一 36一 机械领域的应用形式以定量泵或变量泵和多路阀组成系统来控制多个负载回路为主。能实现比较精确的流量匹配，节流和溢流损失较少，系统效率较高，用较少的泵就能实现多个与负载压力无关的复合动作(多路阀须带压力补偿功能)，其原理图如图8。当系统工作时，梭阀组把各负载的最高压力P取出，与泵的出口压力 P。进行 比较 ，在弹簧力的作用下两者达到一个动态平衡 ，此时泵会输出一个对应的流量来和负载所需流量进行匹配，但出口压力P。

始终 比负载所需的最高压力 P高 出一个 Ap，即po--p+Ap。

图8 负载敏感控制原理图3．2 关于压力补偿当负载敏感控制用于多个负载回路时，由于负载所决定的压力不同，泵所输出的流量大部分会流向压力低的负载，导致压力高的负载动作缓慢甚至无动作，动作复合质量差，无法满足两个或两个以上同时动作的工况需要，因此，需要对各回路进行压力补偿。根据薄壁孔口的一般流量公式：— — 一 一 — Q=C~4、／ Ap=KA、／p (K=c 、／ )(3) Vi
- " V式中，在一般情况下系数 K可作常数处理( 为流量系数，P为液体密度)，那么流经孔口的流量 Q仅与其开口面积A和孔 口前后的压差 △p相关 ，压力补偿的意义在于使各孔口前后的压差(近似)相等，那么负载的动作速度仅与对应的阀的开度有关而与负载本身的压力大小无关，压力补偿的意义在于提高了动作复合的质量。

3．3 负载敏感控制的不足负载敏感控制相对于节流控制，能够使液压系统的效率得到大幅提高，但由于其原理上的缺陷，仍矧叫 叫 矧) 2 2 2 2 ● ， ● 存在不足之处：1)两个以上的动作复合时，由于各负载所决定的压力不等会造成功率上的浪费，且压力相差越大功率浪费越大；2)从操作手柄动作到泵实现变量，由于中间环节较多，造成流量匹配滞后、动作迟缓；3)智能控制器无法有效参与控制，无法考虑发动机的状态。

3．4 电比例泵控系统用于负载敏感控制在工程机械应用领域通常会有两个或两个以上的动作复合 ，如图 9采用两个电比例泵、切换阀组、电液换向阀、控制器与各负载组成系统，当某两个动作需要复合时，通过控制器控制切换阀组，让每个电比例泵各 自控制一个动作 ，两个动作之间无交叉干扰，动作的复合质量高，当单个动作时，通过控制器控制切换阀组还可实现双泵合流，提高动作速度。

由于所有动作的速度调节都是由变量泵的容积调速过程来完成的，因此动作平稳、微动性能好，系统无节流、溢流损失，系统效率高。

电液换向电n—．L—j控制器l； I图9 电比例变量泵用于负载敏感控制原理图另外，由于智能控制器的灵活性 ，用电比例泵控系统替代负载敏感控制，不但可以实现负载敏感控制的全部控制功能，还可综合考虑发动机的状态，在节能和动作复合质量方面比负载敏感控制更加优越，通过在国内某知名工程机械企业大型汽车起重机上的应用，更是证明了这一点。

4 电比例泵控系统用于 DA控制4．1 DA控制阀的原理DA控制阀也称转速感应控制阀，一般用于工程机械的行走驱动控制，在行走泵的后面同轴串联一 个齿轮泵(如图 10)，当发动机启动后齿轮泵输出一 个流量 Q。，Q 经过 DA控制阀的阻尼板时会产生调节图lO DA控制阀及控制原理图一 个压差 AP，该压差将克服调定的弹簧力 F，推动阀芯左移，DA控制阀输出控制压力P 。

忽略阀芯上的稳态轴向液动力，则：p3= 。 一K (4)式中：K 、K 、K。均为常数；Q 为经过阻尼孔的流量；d为阻尼孔的直径。从上式不难看出，在阻尼孔直径d和弹簧力 F一定的情况下，控制压力P 与流经阻尼板的流量 Q 的平方成正比，Q 又与发动机的转速成正比，因此，p。与发动机转速的平方成正比。

在行走驱动控制中适当调节控制的起点压力和终点压力 ，DA控制阀配合三位四通电磁换向阀可以实现机器随发动机转速控制的行驶速度调节和前进、停止、后退等功能；调节DA控制阀上的调节螺钉，将控制的起点压力调整到稍高于发动机怠速点控制压力的状态，保证发动机怠速时机器不会行走，起到安全保护的作用；此外，由于发动机具有当外负载增加时其转速会自动降低的特性，因此 DA控制还能实现恒转矩调节和自动功率分配，减小了操作者的劳动强度，充分利用了发动机的输出功率并能避免发动机过载。

将控制压力P 通过一个可调节流阀 (即微动阀)连接油箱，可以实现不取决于发动机转速的任意低的控制压力，实现发动机功率向行走之外的其他作业动作(如：举升、装卸)的分配。

4．2 电比例泵替代 DA控制从理论上讲，用电比例泵控系统替代 DA控制是非常容易实现的，如图 11所示，由电比例泵和马一 37— 电 匕例阀图 11 电比例泵控系统实现DA控制原理图达组成的闭式驱动回路，在泵的并行高压油口MH口接一压力传感器，将主回路压力的信号和发动机的转速信号一并输入智能控制器，当发动机的实际转速超过怠速转速一定的比例时，智能控制器开始给泵的电比例阀一个控制信号，机器开始行驶，当发动机的实际转速达到额定转速时控制信号最大，此时机器达到最高行驶速度，实现机器行驶速度随发动机转速的自动控制。

按照本文 2．2部分的思路，在实现 DA控制的同时还可实现恒功率控制，充分利用发动机的输出功率，达到节能的目的；如果驱动马达同时也是电比例马达 ，通过编程还可实现行驶速度优先或驱动转距优先的控制策略，以满足工程机械不同工况的需求。

5 电比例泵控系统的应用展望由于智能控制器通过编写适当的控制程序几乎可以实现“万能”的控制策略，而电比例泵控系统恰好为智能控制器的这种“万能”特性提供了一个电液转换接口。此外，电比例泵控系统的调节都是通过泵或者马达的容积调速过程来完成的，避免了节流和溢流带来的能量损失，并且可以实时感知原动机和负载的变化而自适应，因此电比例泵控系统和其他形式的液压控制方式相比具有更高的传动效率。

通过以上浅析可知，电比例泵控系统和智能控制器结合在工程机械领域不但可以实现对多种控制方式一 38一 的替代，而且具有更加优越的控制特性和节能效果。

现代工程机械主机的装机功率越来越大(功率越大对节能的要求也就越高)、智能化程度越来越高，由于电比例泵控系统符合主机的这种节能化、智能化的发展趋势，因此在大型泵车、大吨位起重机、摊铺机等大功率、复杂主机上呈现应用趋势。

在我国关键液压元件暂时仍依赖进口的情况下，如果主机厂商能集中应用电比例泵控系统，那么电比例泵、马达等将会形成一个较大的批量，这将促使国内液压元件制造商找到一个突破口，实现我国关键液压元件的突破!参考文献?1李元元，寇子明．A4V系列泵 DA阀的控制原理与应用[J】．机械管理开发，2004(6)：33—34.

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