关于柱塞泵变量控制方式的探究

赵 棋

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

柱塞泵属于液压系统中重要的组成部件，其原理是利用柱塞在缸体中的往复运动实现吸油与压油的工作过程，因为具有结构紧凑、额定压力高、功率密度大、变量控制方便等优点，主要用于压力高、流量大及流量需要调节的液压系统。

柱塞泵变量控制方式的有效选择，直接关系到柱塞泵的使用性能。合理的柱塞泵变量控制方式，有利于提高柱塞泵的性能，可充分发挥柱塞泵所在液压系统的功能。不合理的变量控制方式，不仅不利于柱塞泵性能的发挥，还可能使其出现安全隐患，有的甚至造成柱塞泵的损坏。因此，对柱塞泵变量控制方式的探究与柱塞泵性能的发挥及所在液压系统的可靠稳定运行有密切的关系。

1 柱塞泵的结构组成及分类

柱塞泵属于体积泵，利用柱塞在缸体中的往复运动实现吸油与压油的过程，主要包括单柱塞泵、卧式柱塞泵、轴向柱塞泵、直轴斜盘式柱塞泵、径向柱塞泵及液压柱塞泵（表1）。

2 传统变量控制方法

柱塞泵变量控制方式一直是研究的重要课题，传统的变量控制方式也带来一定经济效益，传统的变量控制方式包括恒流量控制、恒压力控制及恒功率控制。3 种控制方式分别根据采集的设定信号与输出的实际信号的对比，分别对柱塞泵的实际输出流量、压力及功率进行控制，3 种控制方式的特点如下。

2.1 恒流量控制

恒流量控制在应用过程中要检测2 种信号，流量设定信号及输出的流量信号和压力信号。在柱塞泵运转的过程中，数字控制器一方面根据检测到压力输出信号、流量输出信号来决定柱塞泵的输出流量，另一方面还会将柱塞泵的设定输入流量与其输出的实际流量情况进行对比，得到输入流量与输出流量的误差信号，根据得到的误差信号有效调节控制信号的大小。因此，在流量控制器的调节作用下，柱塞泵的流量设定信号与输出的实际流量能够保持一致。

2.2 恒压力控制

在工作的过程中，如果压力异常会严重影响柱塞泵的工作性能，对柱塞泵所在的液压系统造成安全隐患。因此，恒压力控制也有广泛应用。恒压力控制主要检测设定的压力值与负载压力的反馈值两个压力值。压力控制器会将设定压力值与负载压力进行比较，并依据误差结果情况，由控制算法确定流量控制器的流量输入设定值及泵的流量输出值，通过二者的匹配保证负载压力与设定压力值统一。

表1 不同类型柱塞泵的结构特点

2.3 恒功率控制

恒功率控制需要检测来自功率控制器的流量设定信号及泵的实际输出流量信号，利用流量控制器把两种信号进行比较，得出功率控制信号。在功率控制器的调节作用下保证柱塞泵的实际输出功率与其设定信号一致。恒功率控制可有效避免柱塞泵过载引起的故障。

3 传统的变量控制方式存在的问题

传统的变量控制方式在一定程度上满足当时液压设备的使用，但控制装置精度一般较低、变量控制响应速度较慢，变量控制装置大多依赖机械装置实现，控制系统中控制阀种类及数量较多、加工制造困难、后期维护不方便，不能实现柔性控制及多参数控制，控制方式及相关控制参数不便于调整。

随着信息化的发展，计算机技术与各类液压及电气元件的有效配合可实现对液压系统的数字控制，传统的控制装置不便于和计算机控制系统进行集，限制了柱塞泵的使用范围。另外，单片机、单板机的迅速发展为实现柱塞泵的数字控制方式提供了保障，数字控制方式可简化硬件结构，方便实现对柱塞泵输出的流量、压力及功率等方面的精确控制，控制参数可进行在线调整，同时含有故障诊断功能，极大提高柱塞泵的应用领域。

4 柱塞泵数字控制方式

数字控制形式是指液压系统的控制信号以其数字量的形式进行处理和运算，并对柱塞泵实现变量控制。数字式控制包括直接数字控制方式与间接数字控制方式两种。直接数字控制方式的控制元件可直接接受数字脉冲信号并实现数字控制，控制元件有电液数字阀、高速开关元件、步进电机、旋转—直线运动转换装置等。间接数字控制方式的控制元件主要包括比例阀和电液伺服阀，这些控制元件利用模拟信号实现数字控制，模拟的电信号是数字信号通过D/A 接口转换得到。下面以轴向柱塞泵变量为例进行分析。

（1）基于步进电机的数字控制。主要元器件有数字控制器、放大器、步进电机、阀、变量机构、压力传感器、流量传感器，A/D接口等。执行元件是步进电机，利用螺旋副，把步进电机的旋转运动转化为变成直线位移，通过控制活塞的运动实现对柱塞泵排量的数字控制。

（2）基于变频器的数字控制。主要元器件有数字控制器、变频器、A/D 接口、压力传感器、流量传感器等。利用变频器调节泵转速，实现柱塞泵变量的数字控制。

（3）基于高速开关阀的数字控制。属于直接数字控制方式，主要元器件有数字控制器、PWM （Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）放大器、A/D 接口、高速阀、变量机构、压力传感器、流量传感器等。执行元原件是高速开关阀。利用转化过的流体脉冲信号实现数字控制。

图1 恒功率控制

图2 恒功率+压力切断控制

（4）基于电液比例控制的数字控制。它属于间接数字控制方式，主要元器件有数字控制器、比例放大器、A/D 接口、比例阀、变量机构、压力传感器、流量传感器等。执行元原件是电液比例控制阀，利用D/A 接口转换的模拟电信号实现数字控制。

（5）基于电液伺服阀的数字控制。属于间接数字控制方式，主要元器件有数字控制器、伺服放大器、A/D 接口、伺服阀、变量机构、压力传感器、流量传感器等。执行元原件是电液伺服阀。利用D/A 接口转换的模拟电信号实现数字控制。

工程机械的工作环境一般较为恶劣，为了充分发挥其工作效率、节能减排，在使用柱塞泵时往往是多种控制方式组合。主要有以下5 种类型（图1～图5）。

图3 恒功率+压力切断控制+电控

图4 恒功率+压力切断控制+负载传感控制

图5 负流量+双泵全功率+电控

5 结论

柱塞泵变量控制多种多样，目前数字化控制法在柱塞泵变量控制中占主导地位，随着计算机技术、液压元器件及电气元件的快速发展，柱塞泵变量的控制会向控制精度更高、响应数度更快、功能更完善方向发展。