基于amesim的泵控龍馬變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

基于amesim的泵控龍馬變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

0自動化程度低、工作效率不高變量泵控制單元的體積-速度控制回路通常用于大型機械化系統(tǒng)，也可以廣泛應(yīng)用于采煤機、液體提升機等工程領(lǐng)域。但是這種泵控馬達容積調(diào)速方式存在系統(tǒng)復(fù)雜、自動化程度低、對油液要求較高等缺點,其控制精度、工作效率沒有得到很大的提高。交流變頻電機與定量泵構(gòu)成的電液控制系統(tǒng)不僅同樣可以避免節(jié)流和溢流損耗,而且在輕載時還可提高異步電動機的運行效率和功率因數(shù),泵控馬達變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)在不同的控制參量時具有不同的性能特點和控制方法,本文主要是通過在AMESim中建立系統(tǒng)的仿真模型,分析馬達的轉(zhuǎn)速特性,并通過PID控制,改善系統(tǒng)的性能。1電機回轉(zhuǎn)控制泵控馬達變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,系統(tǒng)主要有由變頻器、變頻調(diào)速三相異步電機、變量泵、溢流閥、比例方向閥、比例溢流閥、馬達和加載泵組成。改變變頻器1接收的控制信號,可以改變變頻器供給異步電機2的電壓,從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,電機帶動主液壓泵3旋轉(zhuǎn)使其輸出一定流量的壓力油,壓力油經(jīng)單向閥4、截止閥5和比例方向閥7驅(qū)動雙向定量馬達8做回轉(zhuǎn)運動,通過改變主泵的轉(zhuǎn)速和方向來控制馬達8的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向,馬達出油口的低壓油經(jīng)比例方向閥再流回油箱。馬達輸出軸用聯(lián)軸節(jié)同轉(zhuǎn)子軸相連,在轉(zhuǎn)子軸上裝有慣性輪9和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器10,轉(zhuǎn)子軸的另一端用聯(lián)軸節(jié)同加載泵11的輸出軸相連,所以馬達8的回轉(zhuǎn)又帶動加載泵11回轉(zhuǎn)。電機15帶動泵14旋轉(zhuǎn),泵14起到補油作用,以免加載泵11吸空,引起系統(tǒng)振蕩。調(diào)節(jié)比例溢流閥16可以改變加載的大小,單向閥13的開啟壓力較大,保證低壓管道有一個恒定的壓力值,以防止出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象和空氣滲入系統(tǒng)。2.1電機轉(zhuǎn)速隨變壓器轉(zhuǎn)速的實驗結(jié)果變頻器接受控制器的轉(zhuǎn)速指令信號,輸出模擬正弦波,從而改變輸出到電機定子側(cè)的電壓U1和電流頻率f1。變頻器的控制電壓uc到主泵轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換過程如圖2所示,輸入到變頻器的控制電壓uc的范圍是0～10V,電流頻率的變化范圍是0～50Hz,變頻電機和主泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍是0～1500r/min。uc與f1的關(guān)系可表示為:f1=Kuuc(1)f1=Κuuc(1)異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式:Tn=3mp2πR′2KfU1?m2p40πR′2Kf2np=K1U1?K2np(2)Τn=3mp2πR′2ΚfU1-mp240πR′2Κf2np=Κ1U1-Κ2np(2)電機軸的轉(zhuǎn)矩平衡公式:dnpdt=(Tn?TLT?K4np)?K5(3)dnpdt=(Τn-ΤLΤ-Κ4np)?Κ5(3)電機負載轉(zhuǎn)矩公式:TLT=DpPPηpm=K3PP(4)ΤLΤ=DpΡΡηpm=Κ3ΡΡ(4)式中Ku為變頻器的增益系數(shù);mp為電機的磁極對數(shù);R′2是電機折合到定子側(cè)轉(zhuǎn)子每相電阻;U1是異步電機的相電壓;Kf是頻率電壓轉(zhuǎn)換系數(shù);np是電機的實際轉(zhuǎn)速;Dp是泵的排量;Pp是泵的出口壓力;ηpm是泵的機械效率;K1、K2、K3、K4、K5均為系數(shù)。根據(jù)以上3個公式,在AMEsim里建立變頻器及電機的仿真模型,如圖3所示。為了驗證仿真模型的正確性,對模型進行仿真并和實驗結(jié)果進行比較。圖4中曲線1、2、3分別為當變頻器的控制電壓uc的值為3V、5V和7V時電機的轉(zhuǎn)速。由圖4可知,電機的穩(wěn)態(tài)值和控制電壓的輸入值成比例關(guān)系,比值大約為150。圖5為電機轉(zhuǎn)速隨變頻器給定信號變化的實驗曲線。給定變頻器的輸入信號,從變頻器的顯示屏上讀取電機的轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)值,從圖5可以看出電機轉(zhuǎn)速和變頻器輸入信號的比值近似為150,驗證了仿真模型的正確性。2.2泵控馬達閉環(huán)pid流程仿真模型根據(jù)泵控馬達變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖,利用AMESim中的信號庫、機械庫和液壓庫建立泵控馬達變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的開環(huán)仿真模型,把馬達的目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速通過比例環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成電壓信號,并將它們的值進行比較,得到的差值經(jīng)PID控制器處理,再作為變頻器的輸入信號,可建立泵控馬達閉環(huán)PID調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,如圖6所示。給定比例方向閥的信號可以調(diào)節(jié)比例方向閥開口的大小。根據(jù)實驗臺液壓系統(tǒng)中元件的銘牌和型號,設(shè)定仿真系統(tǒng)液壓元件的參數(shù),如主泵的公稱排量為63ml/r,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min;馬達的排量為312ml/r,額定轉(zhuǎn)矩為675N.m;補油泵的額定排量為64.7ml/r,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。設(shè)置好元件和液壓管路的參數(shù)后,就可以對系統(tǒng)進行仿真了。3馬達轉(zhuǎn)速仿真仿真系統(tǒng)中的溢流閥的開啟壓力設(shè)置為10MPa,給定模擬加載部分比例溢流閥的信號為階躍信號,負載在1秒時從0階躍到6MPa,給定比例方向閥的信號為-10V,此時比例方向閥的閥口全開,給定馬達的目標轉(zhuǎn)速為從0階躍到180r/min,圖7a是開環(huán)仿真結(jié)果,圖7b是閉環(huán)PID仿真結(jié)果,其中曲線1為馬達的目標轉(zhuǎn)速,2為馬達的實際轉(zhuǎn)速。從圖7a可知,馬達轉(zhuǎn)速在初始階段有一定的超調(diào)量,響應(yīng)較快,約在0.2s內(nèi)就穩(wěn)定了,穩(wěn)定時間較短,馬達實際轉(zhuǎn)速比馬達目標轉(zhuǎn)速小,當受到負載擾動時超調(diào)量大,達到穩(wěn)定后的速度有明顯的降落。從圖7b知系統(tǒng)穩(wěn)定的時間大約為0.3s,可以看出PID控制的系統(tǒng),沒有超調(diào)量,平穩(wěn)性好,穩(wěn)態(tài)誤差為0,當受到負載擾動時,超調(diào)量比開環(huán)時小,擾動的負載對馬達轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)值影響很小。對于閉環(huán)PID仿真系統(tǒng),當馬達的目標轉(zhuǎn)速按正弦規(guī)律變化時,正弦曲線的頻率為0.1Hz,幅值為200r/min,其它參數(shù)的設(shè)置仍保持不變,馬達轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖8所示,泵輸出的流量如圖9所示。從圖8可以看出,此時馬達轉(zhuǎn)速跟蹤效果較好,由圖9可知,泵的輸出的流量是與負載流量相適應(yīng)的,避免了溢流能量損失,系統(tǒng)效率較高且不易發(fā)熱。當馬達目標轉(zhuǎn)速的正弦頻率增大到10Hz時,仿真結(jié)果如圖10。由圖10可以看出,馬達實際轉(zhuǎn)速不僅明顯滯后于目標轉(zhuǎn)速,而且馬達轉(zhuǎn)速的峰值遠遠小于設(shè)定值,要想得到很好的跟蹤效果必須重新調(diào)整PID的參數(shù),調(diào)節(jié)PID的參數(shù)進行校正,校正后的仿真結(jié)果如圖11,由圖11可知調(diào)整PID參數(shù)后馬達轉(zhuǎn)速的跟蹤特性有很大改善。4開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的性能對比泵控馬達變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)的輸入流量與馬達負載流量相適應(yīng),