液压作动系统阀泵联合控制技术研究

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液压作动系统的发展趋势是向质量轻、体积孝高压化、大功率、变压力、多余度等方向发展。随着负载需求的牵引，高压化及大功率是发展核心。以战斗机用液压作动系统为例：从 1940年起，其工作压力从 14 MPa发展到35 MPa，功率需求从 50 kW发展到500 kW。

液压作动系统向高压化及大功率方向发展的同时，必然伴随系统的无效功率的损失会大幅增加。此项功耗损失会产生如下影响：(1)功率损耗转换为系统的发热，发热所产生的温升又导致对液压介质及密封材料提出更高的要求，如发热显著，系统还必须配置主动或被动散热装置，这样势必增加液压油箱或散热装置的体积和重量；(2)功率损耗的增加对液压作动系统初级能源的需求同时大幅提升，如初级能源采用电池或燃气发生器等方式，则初级能源的功率、重量、体积均会有显著上升，直至不能承受。

根据麦克唐纳飞机公司对执行典型空战飞行任务的F/A.18战斗机在空战格斗的数据分析表明：在95%的时间内工作压力低于最高压力21 MPa，大多数时间内工作压力在7 MPa以内，在7 MPa下液压泵的热损耗可以减少 50%，对于锐边节流阀，由内部泄漏引起的系统发热可以减少 50%。然而 目前现代飞机液压系统几乎都是恒压变量泵源系统，系统的恒压力必须按最高压力设定，但其使用时间极短，因此造成很大的功率浪费。

近20年来，为解决因系统高压化大功率的应用而带来无效功率消耗增加的问题，变压力泵源系统在飞机液压作动系统中得到了很大的发展。

变压力泵源系统所用的核心部件双级压力变量泵及智能泵均是基于变量泵技术发展而来，变量泵基于输入转速不变，通过调节泵排量控制输出流量及负载扭矩需求：Q口071nq (1)式中i Q-- 泵输出流量，IMminn-- 泵转速，r/minq-- 泵排量，mL/r.，7 -- 泵容积效率M (2)zrr/m式中：P-- 系统压力，MPa叼 -- 泵机械效率从式(1)、(2)可以看到：系统压力为定值，变量泵根据系统流量需求调节排量，在系统流量需求减少时，液压泵的流量输出减少，泵的输入扭矩需求同时减少。

变压力泵源系统相对于变量泵源系统，其泵压力可调，收稿 日期：2012-08.14作者简介：曹泽生(1975- )，男，北京人，高级工程师，本科主要从事航天运载器伺服机构研究工作。

30 液压与气动 2013年第2期机控制器紧密结合构成-个整体，因此液压作动系统采用阀泵联合控制技术方案后向集成化-体式方向发展是趋势。

(2)系统组成元件的参数优化技术 在采用阀泵联合控制技术方案后，无刷电机、液压泵、液压蓄能器三个关键元件需要特殊重视，设计或选型前需要进行参数优化。例如：将容积式控制应用于能源回路中，虽然能源回路要求的动态响应要求较低，但为确保系统的工作压力稳定，还是有-定的动态要求，如将动态要求全部置于电机控制器.直流无刷电机.定量柱塞泵。

压力传感器”之上，对电机、泵的动态响应要求会很高，显著提高了硬件成本。因此可以在系统中设置-适当规格的液压蓄能器，此时，液压蓄能器不仅可以完成产生系统闭式油箱背压、系统峰值流量提供和抑制系统压力脉动等三项基本功能外，自身还具有较强的积分效应，可以做为系统的积分器，以降低对电机、泵的动态响应要求。因此，液压蓄能器规格的选取需要从系统级着手进行优化，在满足系统功能的基础上，力争轻质小型化。

(3)系统伺服控制回路控制软件优化技术 在航空、航天、船舶等军用领域，液压作动系统的负载对象大部分同时具有大惯量、低刚度、高扭矩等复杂特征，因此对伺服控制回路软件的设计要求本身很高。在采用阀泵联合控制技术方案后如需进行分级或多级压力控制，系统采用变增益的控制方式以及不同压力等级之间如何衔接过渡等均需伺服控制回路控制软件实现。因此，对系统伺服控制回路控制策略的选择提出了更高的要求。

(4)系统能量管理回路控制设计技术 不可否认，液压作动系统采用阀泵联合控制技术后，系统能量管理回路控制的要求显著提高，其在电机控制器.无刷电机.变量柱塞泵”方案的电机控制器定占空比恒速拖动技术的基础上，采用电机控制器.无刷电机.恒量柱塞泵”方案的电机控制器变占空比调速驱动技术，实现系统压力反馈闭环恒液压控制。随着系统功率等级的提高，系统能量管理回路的硬件及软件设计的难度显著增大。系统能量管理回路控制设计的难度体现在电机控制器硬件的可靠性、发热、效率以及电机控制器软件的适应性等方面。

4 阀泵联合控制技术的实现4.1 能量管理回路在普通的液压回路中，较普遍采用直流有刷电机.变量柱塞泵”恒速拖动技术或电机控制器-无刷电机.变量柱塞泵”恒速拖动技术，其基本原理是电机的转速基本不变，而通过变量泵排量的改变控制输出流量。而本方案的能量管理回路采用电机控制器.直流无刷电机.定量柱塞泵-压力传感器”压力反馈闭环恒液压控制。通过电机变频调速对能源压力进行闭环控制，即根据作动器控制动作的需要，及时改变电机转速，从而改变液压泵供油流量，保持电液伺服能源输出压力恒定，以此实现能源的能量管理，从而达到提高能源利用效率，优化系统性能等目的。其基本原理是泵的排量保持不变，而通过调整电机转速改变控制输出流量。采用能量管理回路后，液压作动系统中具有以下特点：(1)简化液压作动系统硬件配置 采用配置简单的定量泵替代结构复杂、工艺难度高的恒压变量泵，可以提高产品的可制造性以及采购成本。

(2)效率有所提升 采用电机控制器.无刷电机.变量柱塞泵”恒速驱动技术，电机轴带动泵芯高速旋转所做的无用功率损耗导致存在较高的电流需求及系统发热；而在系统相同压力设定情况下，采用电机控制器.直流无刷电机-定量柱塞泵.压力传感器”压力反馈闭环恒压控制技术后，电机处于实时调速状态，如作动器的运动缓慢，则电机基本处于低速工作状态，定量泵流量输出仅补充液压泵的泄漏损失及伺服阀的泄漏损失，同时由于电机控制器内部电力电子的调速效率远高于变量泵高速旋转的机械效率，因此，系统的无用功耗损失有较大规模的下降。以某型液压作动系统为例：变速定量泵驱动技术相较于恒速变量泵驱动技术，在泵源21 MPa恒压、作动器静态工作条件下，电流消耗由24 A降低到20 A，同时系统在工作 3 rain时温升降低了 10 ，其中图3为电流消耗对比。

70605040髫100图3 液压作动系统不同驱动技术电流消耗比对图(3)减小液压泵的磨损 采用电机控制器.直流无刷电机.定量柱塞泵-压力传感器”压力反馈闭环恒压控制技术后，电机处于实时调速状态，液压泵的工作2013年第2期 液压与气动 31转速在大量时间内低于其额定设计转速，液压泵的磨损减小，由于在系统中液压泵的工作寿命因素对液压作动系统的可靠性影响很大，因此，延长液压泵的工作寿命，可以提高系统长时间工作可靠性。

(4)可以方便实现分级压力控制 当负载变化在整个工作过程中划分较为清晰的情况下，液压作动系统可以方便实现分级甚至多级压力控制。例如在低负载工况情况下可以将系统压力设定较低，高负载工况情况下将系统压力设定较高。试验表明对某型液压作动系统：在21 MPa恒压变量工况下连续工作6 min，系统油液温升为110℃，而采用分级压力控制后，14 MPa连续工作 3 min，21 MPa连续工作 3 min，系统油液温升约为70℃，温升降低约为40。。

(5)大幅减少初级能源的能量消耗 采用分级压力控制后，由于低工况的系统压力低于高工况系统压力，通过式(2)可知，负载扭矩需求相应降低 ，如以电池为初级能源，则电池能量消耗大幅减少，容量、重量及体积大幅降低。同样以某型液压作动系统为例：如采用恒压力控制，在21 MPa恒压变量工况下连续工作6 min，需要采用两块电池，每块电池均为8 kg，采用分级压力控制后，14 MPa连续工作3 min，21 MPa连续工作3 min，低工况情况下负载降低，这时低工况电池仅需3 kg，因此电池减重为 30%。

4.2 伺服控制回路伺服控制回路保持了节流伺服阀控液压缸的工作方式，完全确保了伺服高动态、快响应的技术特点。

在此需要指出的是：如果液压作动系统采用分级甚至多级压力控制方式，由于系统工作压力在不同设定区间，必然导致伺服阀的流量增益表现不同，为使系统的回路增益基本保持-致，因此，需要伺服控制器根据系统压力，分档调整放大器增益。以此实现液压作动系统内部伺服控制回路变增益控制，达到使系统在获得高动态的同时具有较好的鲁棒性。目前，随着数字控制技术的发展 ，伺服控制回路变增益控制比较容易实现。以某型液压作动系统为例：在 14 MPa的低负载工况以及21 MPa的高负载工况条件下，伺服控制回路采用变增益控制后，系统的各项性能指标可以基本保持-致，图4为动态特性实测曲线。

5 阀泵联合控制技术的发展方向(1)向大功率液压作动系统方向发展 目前，阀泵联合控制技术已在几十千瓦级的系统上得到成功应用，在上百千瓦级系统上还未应用。鉴于阀泵联合控制技术效率较高，因此在大功率系统上应用其能量的节省十分可观。

b)相位特性图4 液压作动系统变增益控制动态特性实测曲线图(2)系统结构深度-体化 采用阀泵联合控制技术方案后，系统已应用集成化设计技术，但还可继续深入应用，例如适宜采用-体化伺服电动泵技术，它将电机外壳与液压泵壳体设计为-体，这样可以取消液压泵高速轴密封，解决了高速轴的动密封性问题，不仅提高了系统的功率质量比，还进-步地提高了产品可靠性。

(3)系统冗余技术的应用 系统采用阀泵联合控制技术后，对电力电子设备以及控制回路的可靠性要求显著提升，因此在提升伺服控制器、电机控制器、永磁无刷电动机、压力传感器等产品的固有可靠性基础上，在兼顾成本、效率的前提下，如何采用冗余技术还需进行深入的设计分析。

(4)新型控制策略的应用 为满足系统在某些领域的特殊需求，可以采用有针对性的控制策略，例如：液压作动系统对能源回路响应快速性的要求很高时，可以采用预测控制策略，众所周知，作动器的动作直接消耗液压能源，进而影响液压作动系统压力，因此系统将作动器的位移输出作为能量管理回路反馈闭环恒液压控制的-环，以此可以显著提高能源回路响应速度。

6 结论随着负载需求的牵引，液压作动系统在向高压化及大功率方向发展，容积式控制方式是发展方向。在当前数字伺服快速发展的阶段，阀泵联合控制技术得到了发展与应用，它结合了阀控与泵控两种控制方式，兼顾了液压作动系统的响应及效率，可以在航空、航天、船舶等民用及军用等领域扩展应用。