基于amesim的泵控龙马变转速调速系统仿真分析

基于amesim的泵控龙马变转速调速系统仿真分析

0自动化程度低、工作效率不高变量泵控制单元的体积-速度控制回路通常用于大型机械化系统，也可以广泛应用于采煤机、液体提升机等工程领域。但是这种泵控马达容积调速方式存在系统复杂、自动化程度低、对油液要求较高等缺点,其控制精度、工作效率没有得到很大的提高。交流变频电机与定量泵构成的电液控制系统不仅同样可以避免节流和溢流损耗,而且在轻载时还可提高异步电动机的运行效率和功率因数,泵控马达变转速调速系统在不同的控制参量时具有不同的性能特点和控制方法,本文主要是通过在AMESim中建立系统的仿真模型,分析马达的转速特性,并通过PID控制,改善系统的性能。1电机回转控制泵控马达变转速系统的原理图如图1所示,系统主要有由变频器、变频调速三相异步电机、变量泵、溢流阀、比例方向阀、比例溢流阀、马达和加载泵组成。改变变频器1接收的控制信号,可以改变变频器供给异步电机2的电压,从而调节电机的转速,电机带动主液压泵3旋转使其输出一定流量的压力油,压力油经单向阀4、截止阀5和比例方向阀7驱动双向定量马达8做回转运动,通过改变主泵的转速和方向来控制马达8的转速和旋转方向,马达出油口的低压油经比例方向阀再流回油箱。马达输出轴用联轴节同转子轴相连,在转子轴上装有惯性轮9和转矩转速传感器10,转子轴的另一端用联轴节同加载泵11的输出轴相连,所以马达8的回转又带动加载泵11回转。电机15带动泵14旋转,泵14起到补油作用,以免加载泵11吸空,引起系统振荡。调节比例溢流阀16可以改变加载的大小,单向阀13的开启压力较大,保证低压管道有一个恒定的压力值,以防止出现气穴现象和空气渗入系统。2.1电机转速随变压器转速的实验结果变频器接受控制器的转速指令信号,输出模拟正弦波,从而改变输出到电机定子侧的电压U1和电流频率f1。变频器的控制电压uc到主泵转速的转换过程如图2所示,输入到变频器的控制电压uc的范围是0～10V,电流频率的变化范围是0～50Hz,变频电机和主泵转速的调节范围是0～1500r/min。uc与f1的关系可表示为:f1=Kuuc(1)f1=Κuuc(1)异步电机的电磁转矩公式:Tn=3mp2πR′2KfU1−m2p40πR′2Kf2np=K1U1−K2np(2)Τn=3mp2πR′2ΚfU1-mp240πR′2Κf2np=Κ1U1-Κ2np(2)电机轴的转矩平衡公式:dnpdt=(Tn−TLT−K4np)⋅K5(3)dnpdt=(Τn-ΤLΤ-Κ4np)⋅Κ5(3)电机负载转矩公式:TLT=DpPPηpm=K3PP(4)ΤLΤ=DpΡΡηpm=Κ3ΡΡ(4)式中Ku为变频器的增益系数;mp为电机的磁极对数;R′2是电机折合到定子侧转子每相电阻;U1是异步电机的相电压;Kf是频率电压转换系数;np是电机的实际转速;Dp是泵的排量;Pp是泵的出口压力;ηpm是泵的机械效率;K1、K2、K3、K4、K5均为系数。根据以上3个公式,在AMEsim里建立变频器及电机的仿真模型,如图3所示。为了验证仿真模型的正确性,对模型进行仿真并和实验结果进行比较。图4中曲线1、2、3分别为当变频器的控制电压uc的值为3V、5V和7V时电机的转速。由图4可知,电机的稳态值和控制电压的输入值成比例关系,比值大约为150。图5为电机转速随变频器给定信号变化的实验曲线。给定变频器的输入信号,从变频器的显示屏上读取电机的转速及其他参数值,从图5可以看出电机转速和变频器输入信号的比值近似为150,验证了仿真模型的正确性。2.2泵控马达闭环pid流程仿真模型根据泵控马达变转速系统原理图,利用AMESim中的信号库、机械库和液压库建立泵控马达变转速系统的开环仿真模型,把马达的目标转速和实际转速通过比例环节转换成电压信号,并将它们的值进行比较,得到的差值经PID控制器处理,再作为变频器的输入信号,可建立泵控马达闭环PID调速系统仿真模型,如图6所示。给定比例方向阀的信号可以调节比例方向阀开口的大小。根据实验台液压系统中元件的铭牌和型号,设定仿真系统液压元件的参数,如主泵的公称排量为63ml/r,额定转速为1500r/min;马达的排量为312ml/r,额定转矩为675N.m;补油泵的额定排量为64.7ml/r,额定转速为1500r/min。设置好元件和液压管路的参数后,就可以对系统进行仿真了。3马达转速仿真仿真系统中的溢流阀的开启压力设置为10MPa,给定模拟加载部分比例溢流阀的信号为阶跃信号,负载在1秒时从0阶跃到6MPa,给定比例方向阀的信号为-10V,此时比例方向阀的阀口全开,给定马达的目标转速为从0阶跃到180r/min,图7a是开环仿真结果,图7b是闭环PID仿真结果,其中曲线1为马达的目标转速,2为马达的实际转速。从图7a可知,马达转速在初始阶段有一定的超调量,响应较快,约在0.2s内就稳定了,稳定时间较短,马达实际转速比马达目标转速小,当受到负载扰动时超调量大,达到稳定后的速度有明显的降落。从图7b知系统稳定的时间大约为0.3s,可以看出PID控制的系统,没有超调量,平稳性好,稳态误差为0,当受到负载扰动时,超调量比开环时小,扰动的负载对马达转速的稳态值影响很小。对于闭环PID仿真系统,当马达的目标转速按正弦规律变化时,正弦曲线的频率为0.1Hz,幅值为200r/min,其它参数的设置仍保持不变,马达转速的仿真结果如图8所示,泵输出的流量如图9所示。从图8可以看出,此时马达转速跟踪效果较好,由图9可知,泵的输出的流量是与负载流量相适应的,避免了溢流能量损失,系统效率较高且不易发热。当马达目标转速的正弦频率增大到10Hz时,仿真结果如图10。由图10可以看出,马达实际转速不仅明显滞后于目标转速,而且马达转速的峰值远远小于设定值,要想得到很好的跟踪效果必须重新调整PID的参数,调节PID的参数进行校正,校正后的仿真结果如图11,由图11可知调整PID参数后马达转速的跟踪特性有很大改善。4开环系统与闭环系统的性能对比泵控马达变转速调速系统的输入流量与马达负载流量相适应,