王 锐

(中国铁建重工集团股份有限公司 液压研究设计院，湖南 长沙 410000)

0 引言

工程机械液压系统中常用到流量、功率及压力复合控制的液压泵，相较于定量泵，这种泵具有更好的节能、防功率超、流量补偿等特点，因此得到广泛应用。常见的力士乐A10VDFLR和A11VLRDU系列、派克PV/MLPV系列、川崎K3VDT和K5VDT系列等均是通过液压阀及机械变量反馈装置实现复合控制。其中A11VLRDU的流量[1，2]和川崎K3VDT、K5VDT[3，4]的功率调整采用了电比例，但在恒功率控制上A10VDFLR和K3V、K5V均采用了双弹簧的结构，其恒功率曲线是两条折线，并不能保证严格的双曲线[5-7]；A11VLRDU和PV/MLPV恒功率控制由于采用了杠杆和内双曲线变量活塞的特殊机械变量反馈装置，其恒功率控制精度较好，但其压力、流量的控制精度一般。唐维定[8]研究了一种变频系统和A10V定量泵的组合装置，具有工作效率高、动作灵敏并能够使功率等于恒值，但成本较高。随着大直径泥水盾构的出现，为满足其推进系统中对压力、流量、功率的要求，力士乐A4VHS4电子泵因其控制响应快、控制精度高、稳定性强被广泛应用其中。与常用液压泵相比，电子泵采用电反馈控制，使得其具有闭环控制精度高、频响快和恒功率曲线能保证严格双曲线等优点，从而被得到推广。然而，对于这种电子液压泵，其控制原理、控制方式国内研究较少，其产品尚属空白[9]，因此了解掌握电子泵原理技术对于广大相关技术和科研人员在电子泵产品选型、系统设计及故障诊断等方面具有重要指导意义。

计算机仿真技术的出现很好地提高了研发效率，减少了研发成本，如卢宁等[10]应用AMESim软件对双压力柱塞泵进行了建模与仿真，得出了其动态特性；陈海泉等[11]基于ITI-SIM软件对液压泵和马达的能量和扭矩进行了仿真分析；王勇刚[12]对SWEl5挖掘机柱塞泵在软件中进行建模，并得出挖机复合动作过程不协调的原因。本文在分析力士乐A4VHS4电子泵结构原理的基础上，在AMESim中搭建出仿真模型，分析得出电子泵的动态响应特性，以掌握此类泵的特性。

1 力士乐A4VHS4电子泵结构与控制原理分析

1.1 力士乐A4VHS4电子泵结构

力士乐A4VHS4电子泵的结构和系统原理如图1所示。

1-泵轴；2-摇摆座；3-斜盘;4-回程盘；5-柱塞；6-缸体;7-配流盘；8-变量活塞；9-斜盘摆角传感器；10-伺服阀;11-VT控制器;12-压力传感器

VT控制器11一般单独安装在电气控制柜中作为控制核心。S为电子泵进口，B为电子泵出口，P为电子泵先导口，R(L)为电子泵泄油口，其余接口为工艺口或备用口。伺服阀10自带阀芯位移传感器，阀芯位移信号转换为0～10 V电压输入到控制器11；电子泵流量通过斜盘摆角传感器9计算、压力信号通过压力传感器12转换成0～10 V电压输入到控制器11；伺服阀10自带阀芯位移反馈，并形成小闭环，以提高伺服阀控制精度；控制器11的接口可进行压力、流量、功率参数的设定，由外部PLC或电位器0～10 V信号输入设定。

力士乐电子泵的输出流量Qf为：

(1)

其中：dz为柱塞直径；Z为柱塞数；N为主轴转速；γ为斜盘摆角；R0为柱塞分布圆半径；α为柱塞旋转角。

变量活塞位移Xf为[13]：

(2)

其中：L和β分别为变量活塞作用点到斜盘中心的长度和夹角。

由式(1) 和式(2)可知，通过斜盘摆角γ可计算出电子泵实际输出流量Qf和变量活塞位移Xf。

1.2 电子泵控制原理

根据A4VHS4电子泵结构得出其控制原理，如图2所示。其中，Pwst、PQst、Ppst分别为电子泵功率、流量和压力设定信号；Ppf1、Ppf2、Ppf分别为电子泵S口、B口压力和工作压力反馈信号；F1(x)、F2(x)、DG419分别为绝对值、最小值选择、信号选择功能器。

由于电子泵也可做闭式泵，故将Ppf1与Ppf2通过比较得出较大值Ppf，以此作为PID_1的反馈值，并形成第一个闭环。Ppst由外部输入(通常是电位器)至PID_1，同时Pwst除以压力反馈信号后得到的流量值与PQst进行比较，将流量较小值作为PID_2的流量信号设定值，而Qf作为PID_2的反馈信号形成第二个闭环。控制器在比较压力偏差与流量信号偏差后，偏差小的输出到PID_3作为设定值，并作用于伺服阀，而斜盘摆角γ作为伺服阀反馈信号形成第三个闭环。由此可知：

(1) 当电子泵的实际功率和压力偏差大于流量信号偏差时，流量信号PQst起作用，即PID_2与PID_3发挥调节作用，泵进入流量环(恒流模式)。

(2) 而当功率偏差小于流量和压力偏差信号时Pwst起作用，即流量设定变成了功率限制下的流量，仍是PID_2与PID_3发挥调节作用，泵进入功率环(恒功率模式)。

(3) 当压力偏差最小时，Ppst起作用，PID_1与PID_3发挥调节作用，泵进入压力环(恒压模式)。

图2 A4VHS4电子泵控制原理

2 AMESim`中电子泵的模型搭建及仿真分析

根据电子泵的工作原理在AMESim中搭建电子泵的模型,如图3所示。

图3 A4VHS4电子泵在AMESim中的模型搭建

2.1 A4VHS4电子泵模型参数设置

根据泥水盾构推进系统及电子泵结构设置如下参数：

(1) 电子泵：转速为1 450 r/min，排量为71 mL/r，额定压力为30 MPa，流量为103 L/min,额定功率为51.5 kW。

(2) 先导泵：恒压变量泵，转速为1 450 r/min，排量为5 mL/r,压力设定为10 MPa。

(3) 电子泵变量活塞：重量为5 kg,库伦摩擦力为1 200 N/(m/s),行程为0～20 mm。

(4) 电子泵伺服阀：频率为80 Hz,阻尼比为0.8，输入信号为4 mA～20 mA。

2.2 三种控制模式的输入参数设置

三种控制模式下的输入参数设置如表1所示。

表1 三种控制模式下的输入参数

2.3 三种控制模式下的仿真结果

输入参数后得到的仿真结果如图4～图9所示。

从图4、图6和图8可看出，电子泵仅需0.3 s就可达到所需的流量、压力、功率设定值，可见其反应较快，操控性好；同时稳态误差控制在5%以内(精确度高)，振荡小(稳定性强)，便于实现复合控制。从图9可看出，恒功率模式下，压力与流量与双曲线较为接近，说明电子泵的功率控制性能较好。

3 结论

本文通过对力士乐A4VHS4电子泵进行结构原理分析，并在AMESim软件中搭建了仿真模型，得到以下结论：

(1) 电子泵控制器时刻在比较压力偏差与流量信号偏差，将两者中值小的作用于伺服阀。

(2) 当电子泵的实际功率和压力偏差大于流量信号偏差时，泵进入恒流模式。

(3) 而当功率偏差小于流量和压力偏差信号时，泵进入恒功率模式。

(4) 当压力偏差最小时，泵进入恒压模式。

(5) 三种模式中，电子泵的响应均极快，稳定性较好，精确度高。

图4 恒流模式下的流量响应曲线 图5 恒流模式下的压力响应曲线 图6 恒压模式下的压力响应曲线

图7 恒压模式下的流量响应曲线 图8 恒功率模式下的功率响应曲线 图9 恒功率模式下的压力与流量响应曲线