电液比例泵控马达系统动态特性分析

s
Ap
2
s
2
ωh
+2 ξh ωh
s+1
（11）
2.2 泵控马达机构
假定泵和马达为层流泄露，壳体回油压力为大气压，忽略低
压腔向壳体的外泄漏；连接管道较短，并认为两根管道完全相同，
可忽略管道中的压力损失，泵和马达组成的两个腔室总体积相
等，每个腔室的油温和体积弹性模量均为常数；补油系统工作无
No.2
Ｆｅｂ．２０１６
Abstract：Established the mathematical model of electro-hydraulic proportional pump-control-motor system，including the electro -hydraulic proportional servo mechanism，the pump -control -motor mechanism and the sensors. Electro -hydraulic proportional servomechanism is composed of the PWM amplifier，the electro -hydraulic proportional control valve and the valve controlled hydraulic cylinder，and the pump-control-motor mechanism is composed of the variable pump and the fixed motor. Used the Matlab/Simulink software to test and used the experiment to verify the dynamic characteristics of closed pump-control-motor system. Both the simulation analysis and experimental test show that: the displacement ratio is mainly controlled by the voltage signal，and the motor rotation speed is mainly controlled by the pump rotation speed and voltage signal. When the system runs in the normal work condition，the external load will have little impact on the system; when the system is subjected to excessive force，the system will run in a bad condition. Key Words：Pump-Control-Motor；Dynamic Sharacteristics；Simulation Analysis；Experimental Test
来稿日期：2015-08-10 基金项目：江苏省科技计划资助项目（SBY201220101）；江苏省研究生培养创新工程资助项目（CXZZ11-0578）；江苏大学科研创新项目（KYXX-0008） 作者简介：高 翔，（1953-），男，江苏涟水人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：车辆系统动力学，液压传动与控制
Research on Dynamic Characteristics of Electro-Hydraulic Proportional Pump-Control-Motor System
GAO Xiang1，ZHU Zhen1，CAO Lei-lei1，ZHU Yu2
（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 212013，China； 2.Axle Branch Company，IVECO Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing 210028，China）
号为：
Id（t）=Ke Ic（t） 式中：Id —放大信号（A）；Ke —PWM 放大器放大系数。
2.1.2 电液比例伺服阀
（2）
比例电磁铁在磁场中受到推力的线性化方程为：
fe（t）=Ki Id（t）+Kxe xT（t）
（3）
式中：fe（t）—比例电磁铁推杆推力（N）；Ki —比例电磁铁电流-力
增益（N/A）；Kxe
Kp—变量泵排量梯度（m3/r/rad2）。 变量泵流量方程为：
（13）
Q（L t）=D（p t）ωp-Ctpp（p t）
（N·s/m）；F（x ）t —驱动比例伺服阀阀芯组件的反作用力（N）。
对比例伺服阀芯列动态平衡方程：
2
Fx（t）=mv
d
xv（2 t）+Bv dt
dxv（t）+ dt
≈Kv
+Kfv
≈xv（t）
（5）
式中：mv —阀芯组件质量（kg）；Bv —阀芯粘性阻尼系数（N·s/m）；
Kv —阀芯反馈弹性刚度 （N·s/m）；Kfv —作用于阀芯上的稳
处压力相等，油温和体积弹性模量为常数；液压缸内、外泄漏均为
层流流动[4]。液压缸的流量连续方程为：
Q（s t）=AP
dXdp（t t）+Ctc pL（t）+
VT 4βe
dpL（t） dt
（8）
式中：AP—液压缸活塞有效作用面积（m）2 ；Xp—活塞位移（m）；Ctc —
液压缸总泄露系数（m3/s/Pa）；VT —液压缸有效总容积（m3）；
液压活塞缸运动，通过改变液压缸的位移以改变变量泵的斜盘倾
角。
2.1.1 PWM 放大器
控制电流信号是由输入电压信号转换而来的，则：
Ic（t）=Ka Uc（t）
（1）
式中：Ic —控制电流信号（A）；Ka =
Imax Umax
—电信号转换系数；Uc —输
入电压信号（V）。
PWM 放大器放大控制电流信号驱动比例电磁铁，则放大信
态液动力刚度系数（N/m）。
比例电磁铁直接驱动电液比例伺服阀，阀芯运动时所需要
的力就是比例电磁铁克服负载运动的力，即 F（x t），电磁铁通电时
阀芯的位移量 x（v t）与衔铁位移 x（T t）相等。
对式（1）～式（5）进行拉普拉斯变换，以输入电压信号 U（c t）为
输入，以电磁铁通电时阀芯的位移量 x（v t）为输出的动态特性传
（7）
式中：Qs（t）—电液比例伺服阀流量（m3/s）；Kq —阀的零位流量增
益 （m2/s）；Kc —阀的零位流量—压力增益系数（m3/s/Pa），
Kq>>Kc≈0；pL（t）—负载压降（Pa）。
假设比例控制阀和液压缸的连接管道对称，且短而粗，管道
中压力损失、动态损失和油液质量可忽略；液压缸每个工作腔各
3
s+
4βe Ap
Bp VT
2
+
Ctc
Mt
2
4βe Ap Ap
2
s+
（10）
≈ ≈ VTkt
2
+
BP
Ctc
2
+1
4βe Ap Ap
s+
Ctc
Kt
2
Ap
由于很小，近似认为。较小，一般认为是常数，即，故以电磁
铁通电时阀芯的位移量为输入，以活塞位移为输出的动态特性传
递函数：
Kq
≈ ≈ Wp（s）=
Xp（s）= Xv（s）
放大器
位移传感器 速度传感器
图 1 电液比例泵控马达机构 Fortional Pump-Control-Motor Mechanism
电液比例泵控马达系统工作原理为：电控单元发出的控制 信号通过 PWM 放大器驱动电液比例控制阀工作，电液比例控制 阀通过改变液压缸的流量以改变活塞杆的位置，进而改变泵排
1 组成与工作原理
由变量泵-定量马达组合而成的容积调速回路是静液压传 动的核心，也是液压机械传动的重要组成部分，其转速是通过伺 服机构的控制实现的。伺服机构采用电液比例控制技术，能够根 据输入电信号的大小连续成比例的对液压系统实现控制，其性能 对于泵控马达系统的性能具有很大影响[1-2]。
电液比例泵控马达系统由电液比例伺服机构、泵控马达机 构和传感器组成。电液比例伺服机构主要由 PWM 放大器、电液 比例控制阀和阀控液压缸组成，泵控马达机构主要由斜盘式轴向 柱塞变量泵和定量马达组成，传感器包括电磁铁传感器、位移传 感器和速度传感器。
=
坠fe（t）—比例电磁铁电磁弹簧刚度（N/m）， 坠xT（t）
由于比例电磁铁具有水平的位移—力特性，故 Kxe≈0，xT（）t —
衔铁位移（m）。
衔铁组件的动态平衡方程为：
2
fe（t）=mT
d
xT（2 t）+BT dt
dxdT（t t）+Fx（t）
（4）
式中：mT —衔铁组件质量 （kg）；BT—比例电磁铁综合阻尼系数
摘 要：建立了电液比例泵控马达系统数学模型，包括电液比例伺服机构，泵控马达机构和传感器。电液比例伺服机构主 要由 PWM 放大器、电液比例控制阀和阀控液压缸组成，泵控马达机构主要由斜盘式轴向柱塞变量泵和定量马达组成。对 该闭式系统运用 Matlab/Simulink 进行仿真分析，并进行试验验证。仿真分析和试验验证都表明：排量比主要由电压信号 控制，马达转速主要由泵转速和电压信号共同控制。正常工作时，外负载对系统几乎没有影响；当系统所受外负载力过大 时，导致系统在恶劣工况下运行。 关键词：泵控马达；动态特性；仿真分析；试验验证 中图分类号：TH16；U461.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2016）02-0029-05