專利名稱：永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源的制作方法
技術領域：
本發明屬于液壓設備的制造，具體涉及一種永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力 源，可為不同工作狀態的液壓設備提供液壓能。
背景技術：
液壓設備由于其傳動平穩、調速方便、功率體積比大等優良特性被廣泛的應用于 機械工程中，但液壓動力系統的整體能量利用率不高，系統效率較低。因此，采用節能設計 提高系統效率成為液壓技術工作者所關注的重大課題。以往的節能設計都將重點放在了液 壓回路的設計和高效液壓元件的選擇上，并且取得了較好的節能效果。如采用負載自適應 控制，盡量減少溢流、節流等損耗，采用二次元件和蓄能器回收部分能量。但是隨著設計的 改進和液壓回路效率的提高，想要進一步提高其效率變得越來越困難，因此有必要將整個 液壓系統(包括原動機和負載)綜合考慮，設計出更加節能的液壓系統。傳統的電機驅動式液壓動力源絕大多數都采用異步電動機進行拖動，而異步電機 在使用中存在以下諸多缺陷
1)許多場合需要電機帶動較大的負荷啟動，但異步電機的低速特性較差，低速時效率 很低，輸出轉矩也較小，因此為了帶動負載，在無軟啟動措施的前提下只能加大電機的功 率；
2)由于熱慣性的原因電機短時過載是允許的，而異步電機的過載倍數較低，一般在2.2 以下，因此有時為了滿足瞬時較大負載的要求不得不采用更大功率的電機；
3)異步電機的功率因數較低，在額定載荷時約為0.7 0. 9，而在輕載或空載時更低， 只有0. 2 0. 3 ；
4)異步電機定子電流可分解為兩部分，一部分是用以在轉子中形成磁場的勵磁電流， 另一部分為用于輸出轉矩的負載電流，無論電機是否有實際轉矩輸出，勵磁電流都存在，并 且在低速或空載情況下勵磁電流所占比例會更大，而勵磁電流的存在會消耗一定的電機功 率。即使使用變頻驅動技術能夠減小異步電機定子電流，起到一定的節能效果，但不能根本 消除勵磁電流的存在，節能效果有限，因此使用異步電動機很難達到較好的節能效果。傳統的液壓動力源的油泵可以選擇定量泵或變量泵，與普通異步電機或變頻異步 電機相連接可形成四種不同的液壓動力源
(1) “定量泵+普通異步電機”，電機轉速恒定不變，油泵輸出流量也基本恒定，系統流 量靠溢流閥調節，多余的流量通過溢流閥流回油箱，系統能耗大，油液發熱嚴重，系統穩定 性差，油液壽命短。(2) “定量泵+變頻異步電機”，油泵的輸出流量可以通過電機的轉速來調節，由 于流量的可控性提高，使得系統對壓力的控制也有了較高的控制精度。但在低速時，電機轉 矩明顯下降，系統響應速度變慢，負載變化時，電機速度變化較大，抗負載擾動能力差。(3) “變量泵+普通異步電機”，油泵轉速不變，輸出流量可以動態或靜態調節，響應 速度快。缺點是油泵結構復雜，抗污染能力差，故障率高，控制精度差，壓力無法自動調節，系統在小流量時，電機和泵仍然高速運轉，加速機械磨損。(4) “變量泵+變頻異步電機”，相對于“變頻異步電機+定量泵”，由于油泵采用 變量泵，可以彌補電機低速轉矩小，抗負載波動能力差的不足，提高了系統控制的穩定性和 響應速度。缺點是系統更為復雜，抗污染能力差，性價比不高。綜上所述，傳統液壓動力源固有缺陷不符合現代液壓系統節能、高效、靈敏、精確 等要求，因此尋找新的液壓動力源一直被業內人士所關注。
發明內容
針對上述現有技術存在的以上問題，本發明的目的在于，提供一種永磁伺服電機 驅動的節能型液壓動力源。為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案
一種永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，包括用于提供油壓的液壓油泵、驅動油 泵的伺服電機、測試系統運行狀態參數的傳感器和控制電機運行的伺服控制器，其特征在 于，所述的伺服電機為永磁電機，所述的伺服控制器包括DSP控制器、存儲單元和外圍接 口電路；其中，數據采集模塊用于接收光電編碼器、壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器 的信息，存儲單元用于存儲預設要求量、控制伺服電機運行狀態的各項參數和計算；外圍接 口電路主要用于連接數碼顯示管、鍵盤和上位計算機；DSP控制器分別連接數據采集模塊、 存儲單元和外圍接口電路，用于將數據采集模塊接收到的當前系統狀態參數與存儲器中的 要求量進行比較，再根據永磁電機的預設計算方式計算出PWM值，進而驅動永磁電機。本發明采用了永磁電機，由于永磁電機是采用稀土永磁材料作為電機的轉子磁 極，從根本上不需要產生勵磁電流，因此也不會產生由于勵磁電流所引起的功率消耗。并且 由于轉子磁極基本恒定，所以永磁電機無論是在低速運轉還是在高速運轉時都可以輸出較 大的負載轉矩。另外永磁電機還具有過載倍數大、響應速度快、運行平穩和體積小等優點。所述的DSP控制器上連接有串行通信接口、鍵盤顯示模塊、智能功率模塊、QEP接 口、A/D通道、JTAG接口、外部存儲器和電源模塊。所述傳感器主要包括測試泵出口壓力的壓力傳感器、泵輸出流量的流量傳感器、 進行油泵轉速補償的油液溫度傳感器，以及測試永磁電機轉子轉速和位置的光電編碼器。所述液壓油泵采用齒輪油泵或葉片泵或柱塞泵，具有性價比高、抗污染能力強、噪 音低和運行可靠等優點。本發明的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，采用永磁電機拖動油泵，建立 了油泵出口流量和壓力與電機驅動電壓和電流之間的函數關系，通過監測和控制電機驅動 電壓和電流適時調整電機轉速和轉矩，同時也起到了對泵的出口流量和壓力的監測和控制 作用。另外本系統還具有油液溫度自動補償功能，并且針對不同的液壓回路采用不同的 控制策略，解決了傳統液壓動力源系統所存在的效率低、自適應負載能力差、低速穩定和抗 污染能力差等問題。由于使用了效率高、機械特性好、過載倍數大和調速性能好的永磁伺服 電機拖動油泵，采用了壓力、流量雙閉環控制和電機電壓、電流對系統流量、壓力的冗余監 測系統，并且具有油液溫度自動補償功能。本發明還針對不同的液壓負載工況提供了壓力 自適應、流量自適應和功率自適應三種工作模式，而每種工作模式都采用不同的控制策略進行優化，因此具有應用范圍廣、系統效率高、低速穩定性好、響應速度快和調速精確等優
點ο
圖1為本發明的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源結構框圖； 圖2為本發明的伺服控制器模塊組成框圖3為本發明的壓力自適應模式控制圖； 圖4為本發明的流量自適應模式控制圖； 圖5為本發明的功率自適應模式控制圖；； 圖6為本發明的實測壓力_電流關系曲線； 圖7為本發明的實測流量_電壓關系曲線； 以下結合附圖與實施例對本發明做進一步詳細描述。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，包括齒輪油泵、三 相交流永磁同步電機、伺服控制器、流量傳感器、壓力傳感器、油液溫度傳感器、光電編碼器 以及油箱、負載和上位計算機。其中伺服控制器是整個控制系統的核心，通過上位機可方便 的對其進行參數設置和運行狀態參數監測。光電編碼器、三相交流永磁同步電機和伺服控 制器組成閉環交流伺服系統，其中光電編碼器用來測量三相交流永磁同步電機轉子的轉速 和位置，伺服控制器通過事件管理器EVA輸出PWM信號驅動三相交流永磁同步電機旋轉。壓 力傳感器和流量傳感器分別測量系統油液的壓力和流量，并將壓力和流量信號傳送給伺服 控制器，伺服控制器根據壓力和流量的變化量控制三相交流永磁同步電機轉速，并根據油 液溫度信號對三相交流永磁同步電機轉速進行修正。如圖2所示，伺服控制器由TI公司的DSP控制器TMS320LF2407及外圍電路組成。 DSP控制器上連接有串行通信接口、鍵盤顯示模塊、智能功率模塊、QEP接口、A/D通道、JTAG 接口、外部存儲器和電源模塊。圖中串行通信接口用于連接上位計算機，通過計算機進行 狀態監測、參數設置、數據存儲等。鍵盤顯示模塊提供人機信息交互，用于控制器參數設置 和主要運行參數顯示。智能功率模塊內部包含有一個三相逆變橋的6個IGBT和6個快恢 復功率二極管及相應的驅動電路和保護電路，每個IGBT功率單元均為300A/600V，開關頻 率可以達到20kHz。QEP接口用于連接光電編碼器，檢測電機轉子的位置和速度。A/D通道 將電機三相電流中的兩相和油液壓力、流量、溫度轉換為數字信號。在線調試與仿真接口 JTAG用于控制和觀察處理器的運行、測試芯片和下載程序。電源模塊分為兩路，一路為單相 220V,整流濾波后經DC-DC變換為3. 3V、5V、12V等給DSP、存儲器、傳感器等供電，另一路為 三相380V經整流濾波后給功率模塊供電，用于驅動三相交流永磁同步電機運轉。如圖3所示，壓力自適應模式即齒輪油泵的工作壓力自動地與負載壓力相適應， 例如當負載增加時會引起系統壓力變大，油泵的內泄增加輸出流量變小，伺服控制器根據 流量信號％與設定值&進行對比，控制三相交流永磁同步電機轉速增加以適應負載壓力的 要求，這時壓力傳感器只起到監測油泵出口壓力&的作用，此模式適用于負載變化較大而 負載速度較為穩定的場合。三相交流永磁同步電機在基頻范圍以內采用恒壓頻比控制，即
5三相交流永磁同步電機定子電壓和三相交流永磁同步電機轉速比恒定，而三相交流永磁同 步電機的轉速(也就是油泵的轉速)與油泵的輸出流量在壓力一定時成線性關系，所以三相 交流永磁同步電機定子電壓+與油泵的輸出流量&成線性關系。圖6為本發明實測的三 相交流永磁同步電機電壓與齒輪油泵的輸出流量&在不同壓力時的特性曲線，由圖中可 以看出其成線性關系。因此本發明采用永磁電機定子電壓…與流量信號&組成冗余監測 系統，當流量傳感器出現故障時，可由電壓信號參與控制，保證系統輸出流量穩定。當溫度 上升時，油液粘度降低，泵的內泄增加，輸出流量減小，因此適當提高三相交流永磁同步電 機轉速增加輸出流量。如圖4所示，流量自適應模式即泵所輸出的流量自動地與負載所需的流量相適 應，例如當負載流量增加時，負載壓力將降低，伺服控制器將壓力信號&與設定值凡進行比 較，控制三相交流永磁同步電機轉速增加，此模式適用于負載速度變化較大而負載大小較 為穩定的場合。三相交流永磁同步電機在額定轉速以下具有恒轉矩特性，轉矩的大小與三 相交流永磁同步電機定子電流力成正比，而三相交流永磁同步電機的轉矩與泵的出口壓力 Pp也成正比。圖7為本發明實測的三相交流永磁同步電機電流之與齒輪油泵的出口壓力 &在不同轉速時的特性曲線，由圖中可以看出電流i,.和壓力&近似成線性關系，因此本實 施例采用三相交流永磁同步電機電流力與齒輪油泵的出口壓力&組成冗余監測系統，當壓 力傳感器出現故障時，可由電流信號控制泵的輸出壓力/V保證系統壓力穩定。如圖5所示，功率自適應模式即泵的輸出功率自動的與負載所需功 率相適應，此時系統壓力和流量都將發生變化，伺服控制器根據壓力變化量 %和流量變化量知分別控制三相交流永磁同步電機的轉速和轉矩，這時三相交流永磁同 步電機定子側電流ii和電壓Ui起到輔助監測泵的輸出壓力&和流量的作用qp0
權利要求
一種永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，包括用于提供油壓的液壓油泵、驅動油泵的伺服電機、測試系統運行狀態參數的傳感器以及控制電機運行的伺服控制器；其特征在于，所述的伺服電機為永磁電機，所述的伺服控制器包括DSP控制器、存儲單元和外圍接口電路；其中，數據采集模塊用于接收光電編碼器、壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器的信息，存儲單元用于存儲預設要求量、控制伺服電機運行狀態的各項參數和計算；外圍接口電路主要用于連接數碼顯示管、鍵盤和上位計算機；DSP控制器分別連接數據采集模塊、存儲單元和外圍接口電路，用于將數據采集模塊接收到的當前系統狀態參數與存儲器中的要求量進行比較，再根據永磁電機的預設計算方式計算出PWM值，進而驅動永磁電機。
2.如權利要求1所述的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，其特征在于，所述的 DSP控制器上連接有串行通信接口、鍵盤顯示模塊、智能功率模塊、QEP接口、A/D通道、JTAG 接口、外部存儲器和電源模塊。
3.如權利要求1所述的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，其特征在于，所述的 永磁電機為三相交流永磁同步電機。
4.如權利要求1所述的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，其特征在于，所述的 液壓油泵采用齒輪油泵或葉片泵或柱塞泵。
5.如權利要求1所述的永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，其特征在于，所述的 傳感器主要包括測試泵出口壓力的壓力傳感器、泵輸出流量的流量傳感器、進行油泵轉速 補償的油液溫度傳感器，以及測試永磁電機轉子轉速和位置的光電編碼器。
全文摘要
本發明公開了一種永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源，包括永磁伺服電機、伺服控制器、液壓油泵(包括:齒輪油泵、葉片泵以及柱塞泵)和傳感器等。本發明使用了效率高、機械特性好、過載倍數大和調速性能好的永磁伺服電機拖動油泵，采用了壓力、流量雙閉環控制和電機電壓、電流對系統流量、壓力的冗余監測系統，并且具有油液溫度自動補償功能。本發明還針對不同的液壓負載工況提供了壓力自適應、流量自適應和功率自適應三種工作模式，而每種工作模式都采用不同的控制策略進行優化，因此具有應用范圍廣、系統效率高、低速穩定性好、響應速度快和調速精確等優點。
文檔編號F15B19/00GK101900153SQ20101025968
公開日2010年12月1日 申請日期2010年8月23日 優先權日2010年8月23日
發明者谷立臣, 賈永峰 申請人:西安建筑科技大學