伺服泵控系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

對(duì)液壓設(shè)備而言，各個(gè)階段需要的壓力和流量是不同的，整個(gè)過程是處于不斷變化的負(fù)載狀態(tài)，而目前系統(tǒng)絕大部分使用恒速恒壓泵組，且工作過程中異步電機(jī)一直處于工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于部分工藝環(huán)節(jié)只需極小流量，因此，多余的液壓油只能通過高壓溢流回到油箱（變量泵也不能做到絕對(duì)零排量，因泵自身潤(rùn)滑需要，最低也會(huì)有標(biāo)稱流量的5%左右的溢流），造成了能源的大大浪費(fèi)，同時(shí)也大大降低了電機(jī)的工作效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)：由高壓溢流造成的能量損失高達(dá)30％～80％。

伺服油泵液壓系統(tǒng)現(xiàn)用的開環(huán)變量泵系統(tǒng)的主要區(qū)別是：動(dòng)力源不同。開環(huán)變量泵液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源是三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)開環(huán)變量泵，而伺服油泵液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源則是用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵（齒輪泵或柱塞泵），液壓系統(tǒng)的核心部分 —— 動(dòng)力源的改變，意味著液壓系統(tǒng)的控制和性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)的變化。本文將詳細(xì)敘述伺服油泵的工作原理及其性能，并將其性能與變量泵性能做一對(duì)比。

伺服油泵是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，伺服電機(jī)屬于控制電機(jī)的范疇，其主要功能是傳遞和轉(zhuǎn)換信號(hào)，如伺服電機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等等。對(duì)控制電機(jī)的主要要求：動(dòng)作靈敏準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠、耗電少等，也適用于伺服電機(jī)。

在液壓系統(tǒng)中，泵的輸出功率為 W=P*Q ，式中， P 為泵輸出壓力， Q 為泵輸出流量，從該表達(dá)式中可以看出，改變泵的輸出壓力或輸出流量，均可改變泵的輸出功率。我們知道，液壓系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作所需的功率不一樣，而且變化較大，若能使泵的輸出功率與負(fù)載功率相匹配，則可達(dá)到節(jié)省能源的效果。不難看出，在負(fù)載一定的情況下，在定量泵液壓系統(tǒng)中，由于泵輸出的流量是一定值，但負(fù)載有速度要求，所以一部分流量需從主溢流閥流回油箱，這就是我們常說的溢流損耗。另外，由于用比例節(jié)流閥做調(diào)速回路，所以又存在節(jié)流損耗。在開環(huán)變量泵液壓系統(tǒng)中，由于有斜盤改變泵出口的大小，從而改變了泵輸出流量的大小，所以沒有溢流損耗，但是，開環(huán)變量泵在流量控制狀態(tài)下也存在著節(jié)流損耗，所以，開環(huán)變量泵的調(diào)速回路是容積 —— 節(jié)流調(diào)速回路。閉環(huán)變量泵由于其是用一比例減壓閥或比例伺服閥控制斜盤活塞，使斜盤保持一定的開口，當(dāng)泵輸出壓力達(dá)到預(yù)定壓力（由壓力傳感器監(jiān)測(cè)）時(shí)，泵切換至壓力控制狀態(tài)，所以，閉環(huán)變量泵既無溢流損失，也無節(jié)流損失。

對(duì)變量泵（開環(huán)或閉環(huán)）液壓系統(tǒng)而言，它有以下必要特性： 一 液壓系統(tǒng)構(gòu)成必要特性： A 節(jié)能；B 壓力、流量比例控制；C 動(dòng)作高響應(yīng)。 二 液壓泵必要特性： A 容積調(diào)速（流量可變）；B 高機(jī)械效率；C 壓力控制狀態(tài)和流量控制狀態(tài)能順暢地切換。 同樣，對(duì)于伺服油泵液壓系統(tǒng)而言，它也應(yīng)該有它的必要特性。我們可以先對(duì)伺服電機(jī)的工作原理做一番了解，這有助于我們導(dǎo)出伺服油泵液壓系統(tǒng)的必要特性。

交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電機(jī)，有鼠籠形轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。與普通電機(jī)一樣，交流伺服電機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個(gè)繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組，兩個(gè)繞組在空間相差 90 °電角度?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子和普通三相籠式電機(jī)相同。在這里我們以杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖一：

杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖由外定子，杯形轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子脈沖計(jì)數(shù)裝置四部分組成。轉(zhuǎn)子由非磁性導(dǎo)電材料（如銅）制成，內(nèi)定子僅作磁路用。這類交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的區(qū)別。但是，交流伺服電機(jī)必須具備一重要特性：可控性。即無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在控制繞組加控制電壓（ U 2 ）的情況下，勵(lì)磁繞組和電容串聯(lián)，產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近 90，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號(hào)（ U 2 ）的增強(qiáng)，磁場(chǎng)接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變 U 2 的相位，即移相 180 o （極性改變），旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流（ I 1 ），伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng)，脈動(dòng)磁場(chǎng)分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距 T 、 T 的合成轉(zhuǎn)矩 T 的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，所以電機(jī)在控制繞組電壓為零時(shí)，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號(hào)的作用，如圖二所示。

通常交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率大于 1 。這樣使伺服電機(jī)啟動(dòng)迅速，而且穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。

控制電壓大小變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)速與電壓成正比?？刂齐妷旱臉O性改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也將改變。圖三是交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。

圖三：交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

可以看出：普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常情況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對(duì)稱運(yùn)行來達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。

所以，伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化。現(xiàn)在我們可以導(dǎo)出伺服油泵液壓系統(tǒng)的必要特性： 一 液壓系統(tǒng)構(gòu)成必要特性： A 節(jié)能；B 動(dòng)作高響應(yīng)。

二 液壓泵必要特性： A 變速控制；B 高機(jī)械效率。 三 伺服電機(jī)必要特性 A 高響應(yīng)；B 高效率； C 低速時(shí)大轉(zhuǎn)矩 四 適應(yīng)性 A 壓力流量比例控制；B 控制對(duì)象能順暢地切換。

伺服油泵液壓系統(tǒng)的控制原理：圖四是伺服油泵液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。該系統(tǒng)也有兩種工作狀態(tài)：流量控制狀態(tài)和壓力控制狀態(tài)。在流量控制狀態(tài)下，壓力傳感器所監(jiān)測(cè)到的壓力小于設(shè)定的壓力，伺服馬達(dá)按流量控制狀態(tài)工作，即控制伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使泵的輸出流量保持在設(shè)定值。流量控制狀態(tài)時(shí)，泵處于流量閉環(huán)控制狀態(tài)。在壓力控制狀態(tài)下，壓力傳感器所監(jiān)測(cè)到的壓力將達(dá)到或達(dá)到設(shè)定值時(shí)，伺服馬達(dá)按壓力控制狀態(tài)工作，即控制伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)速至最小，僅向系統(tǒng)控制泄漏或保壓所需的流量。此時(shí)泵處開壓力閉環(huán)控制狀態(tài)。

圖四：伺服油泵液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 為什么伺服油泵系統(tǒng)比變量泵（即使是閉環(huán)變量泵）系統(tǒng)更節(jié)省電力？1 伺服油泵的馬達(dá)效率高。2 伺服油泵在從保壓狀態(tài)到最大排出量時(shí)能節(jié)省更多的電力。3 內(nèi)控型變量泵必需在 14bar 左右時(shí)才能處于可控狀態(tài)，而伺服油泵則可以在 1bar 壓力下工作。其中，伺服馬達(dá)的性能對(duì)省電性能直接的影響。引入磁阻扭矩和含有稀士元素的永磁鐵技術(shù)會(huì)使伺服油泵的節(jié)電性能更好。

由于伺服油泵所輸出的壓力、流量可以閉環(huán)控制，所以它的壓力重復(fù)精度好，而且在低壓力下也可以可靠的工作。伺服油泵所輸出的流量是靠數(shù)字信號(hào)來控制的，有很好的線性和低速可控性，其流量的重復(fù)精度也較高。

另外，伺服油泵所產(chǎn)生的噪音也較變量泵低。

然而伺服油泵也有它的缺點(diǎn)。在變量泵系統(tǒng)中，在保壓時(shí)不會(huì)擔(dān)心電機(jī)的輸出扭矩不同，因?yàn)殡姍C(jī)的功率沒有改變；伺服油泵在保壓時(shí)轉(zhuǎn)速減小，其輸出扭矩必然減小，所以，伺服油泵的伺服馬達(dá)必需是專用的、并且在低速時(shí)有較大扭矩輸出。另外，伺服油泵對(duì)電源的要求比較高，即使在變動(dòng)幅 10% 以內(nèi)，特別是在正側(cè)變動(dòng)時(shí)，由于主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件、負(fù)荷條件，也會(huì)有超負(fù)荷報(bào)警的可能。負(fù)荷容積較大且在高壓維持狀態(tài)下，如果忽然斷電，可能會(huì)造成控制器的損壞。

下表是伺服油泵與變量泵系統(tǒng)的性能對(duì)比：

可以看出，伺服油泵在壓力、流量的響應(yīng)時(shí)間上比開環(huán)泵略高，其余均遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)變量泵。伺服油泵的優(yōu)點(diǎn)十分很突出：節(jié)電最高可達(dá) 70% ；低速、低壓控制可靠；有較好的重復(fù)精度。

審核編輯 ：李倩