一种高精度的泵控系统 技术领域 ：
本发明涉及一种高精度的泵控系统， 适用于各种控制精度要求较高的场合， 属于 液压控制系统领域。 背景技术 ：
随着目前控制技术的提高， 采用伺服电机直接驱动定量泵， 通过伺服电机调整定 量泵的转速、 转矩以满足液压系统的需要， 中间省略了压力、 流量控制阀， 具有节能及制造 成本降低等优势， 如在注塑机上已大面积推广应用。然而在许多高精度的控制场合尚未应 用， 原因在于目前现有的油泵及如伺服电机控制精度的局限性。
1、 执行机构 ：
在实际应用中的油缸、 液压马达等都存在不同程度的渗漏， 而且这种渗漏是不确 定的， 渗漏的大小随着系统压力、 温度的高低产生很大的变化， 而且是非线性的。
2、 油泵特性 ：
任何油泵都有一个工作区域， 低于此工作区油泵的输出量非线性加大， 且油泵的 脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。
3、 伺服电机 ：
目前国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性还存在一定的局限性。 在 较高转速时则非常平稳。
有基于此， 申请人作出本发明。 发明内容 ：
本发明的目的在于提供一种灵活性和控制精度更高， 且效率高、 成本低的泵控系 统。
本发明为实现上述目的采取的技术方案如下， 一种高精度的泵控系统， 包括 ： 油 泵、 伺服电机、 伺服驱动器， 补偿系统， 油箱， 其中油箱与油泵的进油口相连， 油泵与伺服电 机相连， 伺服电机与伺服驱动器相连， 油泵的出油口与补偿系统的进油口相连接后一起作 用于控制对象， 补偿系统的回油口与油箱相连。 补偿机构一直处于回油态， 在泵控系统中所 起的作用为泵控系统提供额定的回油流量， 使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范 围内。
优选地 ：
补偿系统可以由多种结构， 如调速阀、 油缸加位移控制装置、 液压马达加驱动电机 ( 可以恒速或变速 )， 但都必须满足回油流量可控。
补偿装置为调速阀， 调速阀的进油口与油泵的出油口相连后连接于控制对象， 调 速阀的回油口与油箱相连， 调速阀根据工作情况调整流量且流量不会因系统压力的大小而 改变， 从而使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。
补偿装置由定量液压马达和控制电机组成， 定量液压马达的进油口与油泵的出油口相连后连接于控制对象， 定量液压马达的出油口与油箱相连， 控制电机与定量液压马达 相连， 通过调节控制电机的转速使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围内。
控制电机为恒速电机或调速电机。
补偿装置由液压缸、 活塞移动装置， 卸荷阀组成， 液压缸与油泵的出油口相连后连 接于控制对象， 液压缸与卸荷阀相连， 卸荷阀与油箱相连， 液压缸的活塞与活塞移动装置相 连， 通过调节活塞移动装置的移动速度使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范围 内。
本发明具有如下有益效果 ：
1、 本发明动态调节伺服电机的转速、 转矩来驱动油泵， 不浪费电机功率， 节能效果 显著 ；
2、 由于对油泵采取了回油补偿， 使油泵和伺服电机始终处于最佳的工作区域范可 实现对执行机构的力、 位移的高精度控制 ；
3、 本发明结构简单， 生产成本低， 适用范围广， 易于实现批量化生产制造。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 附图说明 ：
图 1 本发明的结构示意图。 图 2 采用调速阀作为补偿系统的结构示意图。 图 3 采用液压马达作为补偿系统的结构示意图。 图 4 采用油缸作为补偿系统的结构示意图。具体实施方式 ：
如图 1 所示， 本发明的一种高精度的泵控系统包括 ： 油泵 1、 伺服电机 2、 伺服驱动 器 3， 补偿系统 4， 油箱 5， 其中油箱 5 与油泵 1 的进油口相连， 油泵 1 与伺服电机 2 相连， 伺 服电机 2 与伺服驱动器 3 相连， 油泵 1 的出油口与补偿系统 4 的进油口相连接后一起作用 于控制对象， 补偿系统 4 的回油口与油箱 5 相连。
工作时， 调整补偿机构 4， 使其一直处于回油态， 回油流量的大小根据工作情况设 定， 使油泵 1 和伺服电机 2 始终处于最佳的工作区域范围内 ； 此时启动伺服电机， 即可使泵 控系统正常运行。
本发明的控制原理如下 ：
在理想状态下伺服电机直接驱动油泵， 伺服电机的转速、 转矩， 与执行机构所需的 压力、 流量， 通过推导符合以下关系 ：
P ＝ p×Q (1)
Q ＝ n×q (2)
由式 (1)、 (2) 可得
P ＝ p×n×q (3)
由于 ：
将式 (3) 代入式 (4) 得式中 P- 系统功率 (W) p- 系统压力 (Pa) Q- 流量 (m3/s) Tw- 转矩 (N·m) n- 电机转速 (r/s) q- 油泵排量 (m3/r) 根据 在理想的一套系统中 为常数， 所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据 Q ＝ n×q， 可知伺服电机的转速与系统的所需流量成正比。
由此可以推理 ： 在控制对象需要保压时， 考虑系统渗漏况下， 伺服电机和油泵的转 速接近于零 ( 特别是在低压状态下 )， 此时伺服电机和油泵的性能极不稳定， 导致液压波动 增大。
我们在一台 500kN 的油缸上做控制精度试验 ： 采用内啮合齿轮泵， 排量为 1ml/r， 齿轮泵内为 100 齿 /r， 伺服电机采用 1kW， 额定转速 1000r/min， 用 500kN 的负荷传感器及仪 表做反馈， 闭环控制。
表 1 未采用补偿机构 50 次试验后的平均值
根据上述数据分析， 我们可以发现， 当伺服电机转速 ( 油泵转速 ) 很低时， 力值波 动大， 随着转速提高， 趋于稳定。 为了使低力值的测力点时伺服电机能在较高的转速范围内 运行， 我们曾采用过扩大油缸和活塞的间隙， 通过增加渗漏量的办法试图在低力值时能提 高伺服电机的转速， 试验时在低力值时取得了较好的效果， 但力值较高时， 渗漏量剧增， 导 致在伺服电机 ( 油泵转速 ) 在最大时尚不能达到目标力值。
经过反复的试验、 分析， 我们发现主要是以下因素导致控制精度不够 ：
①执行机构 ：
在实际应用中的油缸、 液压马达等都存在不同程度的渗漏， 而且这种渗漏是不确 定的， 渗漏的大小随着系统压力、 温度的高低产生很大的变化， 而且是非线性的。
②油泵特性 ：
任何油泵都有一个工作区域， 低于此工作区油泵的输出量非线性加大， 且油泵的 脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。
③伺服电机 ：
目前国内外生产的伺服电机在很低转速运行时的平稳性还存在一定的局限性。 在 较高转速时则非常平稳。
根据前述的试验分析和理论， 我们重新开发了采用补偿系统。采用该方案从理论 分析可解决以下问题 ：
①任何油泵都有一个工作区域， 低于此工作区油泵的输出量非线性加大， 且油泵 的脉动会变得很大。这将导致液压系统的不稳定。这是油泵的结构所决定的。
在前述的 500kN 油缸控制系统中， 我们采用的为内啮合齿轮泵， 排量为 1ml/r， 齿 轮泵内为 100 齿， 这样在理想状态下， 一个齿轮泵的最小出油分度值为 1ml/100 ＝ 0.01ml ； 根据表一数据， 在 20kN 测力点， 平均转速为 3.1r/min， 也就是油缸对油泵的供油要求为 ： 1ml/r*3.1r/min ＝ 3.1ml/min 而我们采用的控制速度为 100HZ( 每秒钟调整 100 次 )， 即 60*100 ＝ 6000 次 /min， 这就要求流量的最小分度为 ： 3.1/6000 ＝ 0.00052ml， 显然， 用一个 油泵很难满足这种高精度的控制要求。
为此我们采用补偿系统， 补偿系统为 90ml/min， 这样在 20kN 测力点进油油泵的转 速理论上为 303.1r/min， 这时油泵对油缸的供油量还是 3.1ml/min， 但在这种状态下油泵 的转速为 300r/min， 最小分度为 ： 3.1/100/300 ＝ 0.00001ml， 这样就完全能满足流量的最 小分度 0.00052ml 的要求。 ②由于采用补偿系统， 油缸在采取用密封圈等方法处理后， 其渗漏远远小于采用 补偿系统回油的速度， 这样就相当于制造了一个渗漏相对恒定的环境， 由于伺服电机和油 泵在 300r/min 左右速度运行， 而且伺服电机和油泵在什么转速运行可以通过补偿系统的 调节来实现。
总之采用采用补偿系统可以解决 (1) 根据控制要求将液压动力源的流量细分， 提 高分辨率。(2) 使伺服电机、 油泵在理想的工作区域内运行。(3) 将油缸不确定的渗漏控制 成相对恒定的渗漏。
本发明在实际中应用及对比效果分析 ：
本发明采用补偿系统后重新试验， 取得了超过预期的效果 ( 详见表 2)。
表 2 为双伺服电机控制双油泵 50 次试验后的平均值
实施例 1 ：
如图 2 所示 ： 补偿机构为调速阀 4， 调速阀 4 的进油口与油泵 1 的出油口相连后连 接于控制对象， 调速阀 4 的回油口与油箱 5 相连， 调速阀 4 可根据工作情况调整流量且流量 不会因系统压力的大小而改变， 从而使油泵 1 和伺服电机 2 始终处于最佳的工作区域范围
内； 此时启动伺服电机， 即可使泵控系统正常运行。
实施例 2 ：
如图 3 所示 ： 补偿机构由定量液压马达 4-1 和控制电机 4-2 组成， 定量液压马达 4-1 的进油口与油泵 1 的出油口相连后连接于控制对象， 定量液压马达 4-1 的出油口与油箱 5 相连， 控制电机 4-2 与定量液压马达 4-1 相连， 工作时启动控制电机 4-2 带动定量液压马 达 4-1 转动， 转动速度决定回油流量的大小， 因此可以通过调节控制电机 4-2 的转速使油泵 1 和伺服电机 2 始终处于最佳的工作区域范围内 ； 此时启动伺服电机， 即可使泵控系统正常 运行。本实施例中的控制电机 4-2 可以用恒速电机 ( 如减速电机 ) 或调速电机。
实施例 3 ：
如图 4 所示 ： 补偿机构为液压缸 4-1、 活塞移动装置 4-2， 卸荷阀 4-3 组成， 液压缸 4-1 与油泵 1 的出油口相连后连接于控制对象， 液压缸 4-1 与卸荷阀 4-3 相连， 卸荷阀 4-3 与油箱 5 相连， 液压缸 4-1 的活塞与活塞移动装置 4-2 相连， 工作时启动控制活塞移动装置 4-2， 活塞移动速度决定回油流量的大小， 因此可以通过调节活塞移动装置 4-2 的移动速度 使油泵 1 和伺服电机 2 始终处于最佳的工作区域范围内 ； 此时启动伺服电机， 即可使泵控系 统正常运行。