直驱式液压泵及其发展趋势

直驱式液压泵及其发展趋势

王明

广东伊之密精密注压科技有限公司广东佛山528300

摘要：直驱式液压泵具备结构简单、体积小、效率高、噪声低等一系列优点，成为目前先进液压元件研究的热点。近十年来发展很快，应用也很广泛。直驱式液压传动是在静液驱动技术的基础上与交流伺服电动机相结合的新技术，体现了电动机控制的快速性、灵活性的独特优点。本论文对电磁直驱液压泵的关键技术进行了论述。

关键词：液压泵；交流伺服电机；直接驱动

电液伺服系统可以充分发挥电子与液压两方面的优点，其具有高精度、高频响及较好的灵活性等优点。随着电液伺服系统的发展，其逐渐推广到民用工业生产中，主要用于各种材料试验机、飞机模拟试验器、多种疲劳试验机、注塑行业等。近年来各种高性能电动机，尤其是交流伺服电动机的相继研制成功，以及“零传动”、“近零传动”的直接驱动理念的实施，使得液压元件向着集成化、高效率、低噪声方向发展。电磁直驱液压泵控式电液伺服系统成为国内外研究的热点。

一、交流伺服电机直驱式液压泵

1、液压泵的使用工况。首先电机转动带动液压泵，液压泵通过吸油口将低压油从油箱中抽出，经过泵内部油液的压缩，输出高压油，输出的高压油可通过溢流阀、换向阀、卸荷阀等控制元件控制压力与方向，进而驱动液压缸等执行元件，完成需要的动作。装在液压管道上的压力、流量传感器等辅助元件将信号实时反馈到控制器，可实时监控液压泵的压力与流量。

2、交流伺服电机驱动变量泵。交流伺服电机驱动变量泵的原理，

如图所示该变量柱塞泵是通过交流伺服电机通过滚珠丝杠螺母机构来直接控制变量斜盘的倾角γ的方法，进而实现柱塞变量泵流量的改变。该液压泵采用直接数字化的控制方法，而传统的液压比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件，通过数字量和模拟量转换接口，把数字控制信号转换成模拟控制信号，从而实现比例阀或伺服阀等控制元件动作的控制方式不同，此系统直接利用数字信号来控制液压元件动作的控制方式，其具有结构简单、可靠及控制方便等优点。

3、交流伺服电机驱动变量泵。交流伺服电机驱动变量泵是通过两个交流伺服电机分别直接驱动变量泵主轴以及变量机构，采用转速和排量分别单独可调，使得流量调节具有定速变排量、变速定排量和变速变排量式，根据不同控制方式满足不同的工况、效率需求，如设定电机的最低转速高于泵的最低转速避开低容积效率区;[2]设定电机工作于高转矩区域，解决低速转矩不足问题;在到达电机转速设定的下限时采用变排量控制;在电机设定的转速范围内采用变转速控制、变排量控制或者复合控制;对于系统动态响应高的采用变排量控制或者复合控制。伺服电机驱动变泵的电液伺服系统可以采用更合适控制方式，进而提高整个液压系统的效率。

二、电磁直驱液压泵的关键技术

降低液压系统的泄漏、噪声、能耗，提高系统效率成为电液系统研究的主要方向和重点之一。随着设计的改进、节能高效液压元件的使用，整个液压系统的效率逐步提高，特别是更加节能的直驱式电液伺服系统的提出[1]。

1、电机与液压泵的集成方式。从本质上来讲，串联式电机与液压泵系统与普通三段式结构没有本质区别，只是去掉联轴器，将三段式结构简化成两段式结构。并联一体式电机与液压泵系统已经是电机与液压泵系统的发展趋势。由于伺服电机结构上的特点，如何将液压泵结构嵌入电机转子内部是液压电机泵面临的一大难题。特别是普通伺服电机转子中心空间有限，若强行将液压泵挤入转子铁芯内部，会导致电机转子冲片轭部磁密度增加，电机效率和功率因数降低。因此，如何合理的设计电机和液压泵的结构，使得液压泵能够合理的嵌入电机转子内部，以适应液压电机泵的结构特点，是液压电机泵亟待解决的问题。

2、伺服电机的选择。伺服电机技术的发展为电机与液压泵系统注入了新的活力，尤其是交流永磁同步电动机在电机泵中的应用前景很好。传统液压泵的驱动几乎都采用交流异步电动机作为驱动源，其存在启动电流是额定电流的5～7倍，启动耗时长，效率低，启动转矩小，调速性能差等缺点。并且交流异步电动机在低速时拖动能力差，允许的额定滑差率小，因此产生由于过载造成烧毁电机。永磁同步电动机等特种电机的出现，不仅从结构上使得电机转子中心空间大大增加，液压泵结构能够合理的嵌入电机转子内部，而且相比于异步电动机，从原理上减少了定子电流与定子电阻的损耗，进而电机总损耗和总发热量减小，同时永磁同步电机还具有过载倍数大、响应迅速、运行平稳和结构紧凑等优点。如图所示。

通过对比两种电机的机械特性，可明显看出交流异步电动机的机械拖动能力比交流永磁同步伺服电动机差。并且交流永磁同步电动机允许频繁启停，低速拖动能力强，在额定转速之下是恒扭矩输出、在额定转速之上是恒功率输出，与交流异步电动机相比，交流永磁同步电动机往往发热量很小，中小功率的交流永磁同步电动机不带散热风扇，而交流异步电动机尾部带有耗能达10%左右的冷却风扇。适应不同需求的电液伺服系统需要，设计合适的电机拓扑结构，根据不同泵的驱动需要选择电动机的类型、确定电机结构参数及电磁参数，是液压电机泵的关键问题之一。

3、自动控制策略。随着工业生产对设备的响应速度、控制精度和自动化程度的要求提高，对电液伺服系统控制性能的要求也越来越高。而电液伺服系统存在着很多非线性、不确定性及不可知的因素，常规的线性控制方法很难满足电液伺服系统控制的要求，因此对电液伺服系统的控制研究显得非常重要。目前电液伺服控制方式主要由经典PID控制、神经网络控制、先线性控制、模糊控制等控制方式。其中PID控制算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中;神经网络控制是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理，它是在现代神经生物学和认识科学对人类信息处理研究的基础上提出来的，具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射能力、鲁棒性和容错能力;非线性控制包括很多种，国内外很多学者对此进行了深入的研究提出了离散变结构控制方法、非线性跟踪控制方法等;模糊控制是模仿人对某一动作的控制，它不需要有准确的被控制对象的数学模型。模糊控制具有很多控制性能的优点，如:进行控制系统的设计时，不需要知道被控对象的数学模型，只需要根据现场操作人员的经验知识及操作数据就可以进行准确控制。模糊控制系统具有较好的鲁棒性及较好的控制性能，因此模糊控制可以解决常规控制方式难以解决液压系统中的非线性、时变性及滞后等问题。

4、泵的配流方案。由于电磁直驱液压泵机械结构的高度集成化，电机泵内部的空间有限，流道狭小弯曲，导致吸入阻力增加，如何合理设计流道，设计配流方案，对电机泵的吸入性能和效率是至关重要的，配流机构的工作性能，直接决定液压泵的容积效率及寿命等指标。目前液压泵的配流方式主要有端面配流和阀配流两种方式，阀配流结构避免了端面配流的配流盘摩擦副的泄漏和磨损问题。但是，在泵转速高时，阀芯的响应滞后给液压泵的吸入和压出带来较大影响。

电机与液压泵的集成、伺服电机技术的发展、电液伺服控制技术的研究及配流方案的解决是制约直驱泵控式电液伺服系统发展的关键问题，特别是开发系列化、标准化的新型专用伺服电机和驱动器，降低其成本，改善其低速性能，对直驱泵控式电液伺服系统性能的提高具有至关重要的意义。

参考文献

[1]程俊兰，吴晓明.液压设备的维护与管理初步[J].液压气动与密封，2016（12）.

[2]赵升吨，魏树国，王军液压伺服控制系统研究现状的分析［J］．伺服控制，2016，(6).