為實現液壓變量泵的閉環電控并提高其控制性能，研究基于高速開關閥和嵌入式控制器的閉環電控變量柱塞泵的工作機理及控制特性。建立了基于AMESim的液壓仿真模型和基于LabVIEW的控制器，采用聯合仿真的方法得到了閉環電控變量柱塞泵系統對壓力、流量等動態輸入信號的跟隨響應曲線。結果表明閉環電控變量柱塞泵實現了液壓泵的閉環變量控制，極大提高了液壓變量泵的控制靈活性。

　　引言

　　傳統變量柱塞泵里的斜盤控制系統的往往由較為復雜的控制閥組和反饋油路構成，這使得其結構復雜加工難度高，且給控制系統帶來了較大的非線性因素。而且傳統變量泵難以同時實現對壓力、流量、功率的控制，也做不到對輸入信號(如壓力信號)的動態跟隨響應。

　　為了實現液壓變量泵的閉環控制，并且提高其控制精度和靈活性，一種帶有傳感器反饋，基于高速開關閥和嵌入式控制器的閉環電控泵系統被提了出來。國外如力士樂等廠家推出了基于比例閥的閉環電控泵產品，國內浙江大學、貴州大學、中航力源液壓等單位對基于高速開關閥的閉環電控泵的結構和控制方法開展了一定的研究。本文詳細討論了閉環電控變量柱塞泵的工作原理，并采用聯合仿真的方法對其控制特性做了分析，對進一步的樣機制造和試驗有重要的指導意義。

1、閉環電控變量柱塞泵的原理分析

　　1.1、閉環電控變量柱塞泵的工作原理

　　本文所述的閉環電控變量柱塞泵的系統原理如圖1所示。斜盤兩端分別連接一個活塞缸，下面的活塞缸通高壓且有復位彈簧，作為回位控制活塞缸;上面的活塞缸受力面積較大，控制腔接高速開關閥，高速開關閥由控制器發出PWM信號進行控制，決定了進入控制活塞腔的流量，從而實現斜盤的位置位置。高速開關閥的控制流量由PWM信號的占空比決定，嵌入式控制器根據程序算法，實時計算并控制PWM波的占空比。角度傳感器用來檢測斜盤的實時傾角值，并將其反饋給控制器用以得出泵的工作排量;壓力傳感器用來檢測泵的出口壓力，并反饋給控制器用來進行閉環控制計算。根據傳感器的反饋信號，嵌入式控制器可以得到泵的壓力、流量和功率值，將其與設定值進行比較之后，將差值作為PID 算法的輸入，完成壓力、流量和功率的閉環控制。由于想要的工作量和工作狀態都可以由程序控制，所以閉環電控泵可以實時地對工作狀態進行改變，甚至對動態的輸入信號進行跟隨響應。此外，控制器還帶有CAN總線接口，可以方便地接受上位計算機的控制指令，也可以將泵的工作數據發送到總線上，方便數據的保存以及對泵的監控。

圖1 閉環電控變量柱塞泵的系統原理圖

　　1.2、控制原理

　　軸向變量柱塞泵中壓力控制、流量控制和功率控制等不同的變量控制功能都可以歸結于對泵排量的控制，閉環電控變量柱塞泵中通過高速開關閥對斜盤傾角的位置控制來實現對排量的控制。本文采用的高速開關閥為二位三通閥，進入變量活塞缸的控制量的流量可以表示為：

　　實現了泵排量的閉環電控之后，就可以完成對壓力、功率等參數的控制。當泵處于恒壓力、恒流量或者恒功率控制狀態時，若系統出現負載變化或干擾，系統會在短暫波動和調整后回到穩定狀態。除此之外，由于閉環電控泵的工作參數和模式由程序控制，因此可以方便地實現對動態輸入信號的跟蹤響應，相比于傳統變量泵其控制靈活性大大提高。閉環電控泵的動態控制框圖如圖2所示。

圖2 閉環電控泵的動態控制框圖

2、仿真模型建立

　　2.1、液壓系統仿真模型

　　閉環電控泵系統可以分為柱塞、缸體、斜盤、控制閥、變量活塞缸等部分，對這些部分分別建模可以完成泵系統的整體仿真建模。基于AMESim的液壓仿真模型留有接口用來與LabVIEW中的控制器進行數據交互形成聯合仿真。基于AMESim的液壓仿真模型如圖3所示。從下到上依次為高速開關閥、斜盤變量系統、控制器接口和加載系統模型。重要的仿真參數如表1所示。

圖3 閉環電控泵的液壓仿真模型圖

表1 重要仿真參數表

　　2.2、控制器模型

　　基于LabVIEW的控制器的人機界面如圖4所示。該控制軟件與AMESim的液壓仿真模型連接之后，可以完成壓力、流量、斜盤傾角等參數的數據采集，實現閉環控制算法，完成恒壓力，恒流量和恒功率的靜態控制。但切換到動態控制模式之后，可以實時設置輸入曲線，使得變量泵系統對輸入信號的動態跟隨響應。軟件界面上可以設置泵不同的工作模式，不同的工作參數，并且可以實時監測壓力、流量等參數。這與一個實際的泵試驗臺測控系統極為相似，最大限度地使得仿真貼近于試驗。

圖4 LabVIEW 控制軟件界面

　　LabVIEW是一種圖像化編程語言，與控制界面相對應的是一個控制程序，與文本語言不同的是Lab⁃VIEW中的程序以圖標和數據流的形式呈現。本文設計控制器的LabVIEW 程序中調用AMESim 模型的dll文件，用來傳遞數據，然后基于PID工具包完成閉環控制算法。

3、仿真結果分析

　　本文針對閉環電控變量柱塞泵的工作模式和參數由程序控制的特點，主要仿真其對動態輸入壓力、流量和功率參數時的跟隨響應曲線。圖5，圖6和圖7分別為閉環電控變量柱塞泵對大范圍變化的壓力輸入、流量輸入和功率輸入的動態跟隨響應曲線。圖5中壓力輸入為5～25MPa的方波，上升沿和下降沿時的響應曲線稍有區別，在上升沿響應時由于安全溢流閥限制了壓力不超過28MPa，所以出現一個被削平的尖峰。圖6中的流量輸入為50～100L/min的方波信號，可見系統對其完成了很好的動態跟隨，兩個邊沿的動態響應時間都在0.1s以內。圖7中的功率輸入曲線為10～50kW的方波，相對應的系統流量的調整范圍為50～120L/min，由于負載系統節流孔較小的原因，在50kW輸出的時候，泵以峰值壓力28MPa輸出。

圖5 壓力輸入的跟隨響應曲線

圖6 流量輸入的跟隨響應曲線

圖7 功率輸入的跟隨響應曲線

4、結論

　　本文建立了基于AMESim和LabVIEW的聯合仿真模型，研究了基于高速開關閥和嵌入式控制器的閉環電控變量柱塞泵。聯合仿真充分發揮了兩款軟件各自的特點，使得仿真模型更加貼近實際系統。仿真結果表明，閉環電控變量泵在實現恒壓力、恒流量和恒功率的常規控制模式之外，還可以根據設定的輸入參數進行動態響應，完成對輸入曲線的跟隨，極大提高了液壓變量泵的控制靈活性。