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技術(shù)文章

伺服油泵工作原理及其與變量泵性能對比

 伺服油泵是由伺服電機(jī)驅(qū)動的，即將試用的這顆伺服油泵是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動的。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，如伺服電機(jī)將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，等等。對控制電機(jī)的主要要求：動作靈敏準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠、耗電少等，也適用于伺服電機(jī)。 

    廈門博拉工貿(mào)有限公司將在近期試用伺服油泵液壓系統(tǒng)，此系統(tǒng)與廈門博拉工貿(mào)有限公司現(xiàn)用的開環(huán)變量泵系統(tǒng)的主要區(qū)別是：動力源不同。開環(huán)變量泵液壓系統(tǒng)的動力源是注塑機(jī)專用三相電動機(jī)驅(qū)動開環(huán)變量泵，而伺服油泵液壓系統(tǒng)的動力源則是用伺服電機(jī)驅(qū)動油泵（齒輪泵或柱塞泵），液壓系統(tǒng)的核心部分——動力源的改變，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比。 

    在液壓系統(tǒng)中，泵的輸出功率為W=PXQ，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，注塑機(jī)各個動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）時，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。由于這類液壓系統(tǒng)在國內(nèi)都是用得比較多的，相信大家對這些系統(tǒng)的原理都已耳熟能詳，這里不再贅述。 

    對變量泵（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)交流伺服電機(jī)通常都是單相異步電動機(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。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差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。
    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)動慣量很小。交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動機(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。即無控制信號時，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動。在控制繞組加控制電壓（U2）的情況下，勵磁繞組和電容串聯(lián)，產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場，適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90°，因此便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等，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夭粸榱悖运欧姍C(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號（U2）的增強(qiáng)，磁場接近圓形，此時正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，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U2的相位，即移相180o（極性改變），旋轉(zhuǎn)磁場的轉(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)。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流（I1），伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場將是脈動磁場，脈動磁場分成的正反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距T¢、T²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，能立即停止，體現(xiàn)了控制信號的作用。 

    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)啟動迅速，而且穩(wěn)定運(yùn)行范圍大。 

    控制電壓大小變化時，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，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也將改變。 

    可以看出：普通的兩相和三相異步電動機(jī)正常情況下都是在對稱狀態(tài)下工作，不對稱運(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機(jī)的根本區(qū)別。 

    所以，伺服電動機(jī)的作用是驅(qū)動控制對象。被控對象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動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低速時大轉(zhuǎn)矩 

    四適應(yīng)性 

    A壓力流量比例控制；B控制對象能順暢地切換。      

    伺服油泵液壓系統(tǒng)的控制原理：圖六是伺服油泵液壓系統(tǒng)簡圖。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，泵處于流量開環(huán)控制狀態(tài)。在壓力控制狀態(tài)下，壓力傳感器所監(jiān)測到的壓力將達(dá)到或達(dá)到設(shè)定值時，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*小，僅向系統(tǒng)控制泄漏或保壓所需的流量。此時泵處開壓力閉環(huán)控制狀態(tài)。 

    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*大排出量時能節(jié)省更多的電力。3內(nèi)控型變量泵必需在14bar左右時才能處于可控狀態(tài)，而伺服油泵則可以在0壓力下工作。其中，伺服馬達(dá)的性能對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，在保壓時不會擔(dān)心電機(jī)的輸出扭矩不同，因為電機(jī)的功率沒有改變；伺服油泵在保壓時轉(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、并且在低速時有較大扭矩輸出。另外，伺服油泵對電源的要求比較高，即使在變動幅10%以內(nèi)，特別是在正側(cè)變動時，由于主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件、負(fù)荷條件，也會有超負(fù)荷報警的可能。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)的性能對比： 

    伺服油泵 

    變量泵 

    流量 

    特性 

    線性 

    1% 

    2% 

    磁滯 

    1% 

    3% 

    *大流量響應(yīng) 

    100ms 

    120 

    重復(fù)精度 

    1% 

    2% 

    壓力 

    特性 

    *高額定壓力 

    20 

    25 

    線性 

    1% 

    3% 

    磁滯 

    1% 

    2% 

    *大壓力響應(yīng) 

    100ms 

    85ms 

    重復(fù)精度 

    1% 

    2% 

    噪音 

    65dB 

    70dB 

    流量脈動 

    小 

    大 

    節(jié)電（與定量泵系統(tǒng)對比） 

    40%以上 

    20%以上 

    低速低壓可控性 

    好 
    一般 
    對液壓油的要求 
    NAS11 
    NAS9 

    可以看出，伺服油泵在壓力、流量的響應(yīng)時間上比開環(huán)泵略低，其余均不劣于或優(yōu)于開環(huán)變量的。伺服油泵的控制精度與油研閉環(huán)變量泵相當(dāng)，響應(yīng)時間慢是其*大的缺點(diǎn)。但它的優(yōu)點(diǎn)也很突出：節(jié)電*高可達(dá)70%；低速、低壓控制可靠；有較好的重復(fù)精度。
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