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《长安大学》 2017年
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变转速泵控马达转速波动识别方法及控制策略研究

刘永  
【摘要】:随着电机变频调速技术的发展,节能效果明显的变频电机加定量泵的变转速液压系统更多地应用到工业场合。在对液压马达转速控制精度要求较高的变转速泵控马达系统中,需要实时获得准确的液压马达转速及其波动信息,因此在瞬时转速测量及算法、误差产生机理及控制,以及针对液压马达转速输出的不同控制方式的响应特性、控制精度、系统运行状态监测等关键技术的开发都面临着挑战。在变转速液压调速系统运行状态监测领域,常用流量、压力、温度以及油液污染等监测方法,这些方法都属于侵入式测量,且安装不便、信号易受噪音干扰、特征信息滞后。基于以上背景,本文采用理论分析与实验验证相结合的方法,以液压马达瞬时转速测量和波动特征提取为主线,针对变转速泵控马达液压系统的控制方式、控制性能及液压马达转速波动识别方法进行研究,为后期系统性能评价、运行状态监测和故障诊断提供新方法。论文分析了磁电式传感器瞬时转速的测量算法、量化误差产生机理、影响量化误差的因素以及抑制方法。采用A/D采样软件计数的方法,对磁电转速传感器原始方波的单个周期采样点数目进行计数,从而获得单个原始方波周期的平均转速,此平均转速可以近似看作为测速齿轮转过一个齿顶和齿槽角度的瞬时转速。测速误差中量化误差是由于采样点不在方波高、低电压跳变的时刻,导致测量的单个方波周期时间与实际经历的时间不一致引起的。理论分析与实验研究表明,提高采样频率和降低被测转速能降低量化误差。在液压马达转速非稳态变化时,采用小波滤波的方法能减小量化误差的影响,可以在低采样频率、高转速条件下获得液压马达瞬时转速的近似真值,用来评定相对量化误差的大小。提出了利用液压马达瞬时转速波动幅值进行液压系统运行状态识别与监测的新方法。将液压马达瞬时转速信号从时域转换到角度域,通过跟踪液压马达瞬时转速第一阶次频谱幅值大小,能定量地得到不同工况条件下液压马达瞬时转速波动的幅值变化规律。电机转速、负载压力、转动惯量、油液温度以及系统状态都会影响液压马达瞬时转速波动幅值的大小。液压马达瞬时转速波动与系统效率密切相关,呈反比变化趋势。分析了典型的液压马达转速输出控制方式的特点,在相同的工况条件下,对比研究了液压马达转速直接开环、闭环PID、模糊控制三种控制方式系统动态响应特性、控制精度的差异。目标转速600r/min-800r/min阶跃变化时,液压马达转速开环控制响应峰值时间为0.4s,闭环PID控制峰值时间为1.1s,模糊控制峰值时间为2s;开环控制有稳态误差,闭环PID和模糊控制能消除稳态误差。在相同的负载干扰条件下,开环控制液压马达转速有降落,闭环PID和模糊控制校正能力较好,能消除负载干扰的影响,可以将液压马达实际转速维持在设定值。三种控制方式中,液压系统效率接近,开环控制输入、输出功率较小。闭环PID相比模糊控制马达转速波动在局部上略小些。研究了采集系统引入的高频噪音干扰对流量反馈闭环PID控制中液压马达转速实际输出性能的影响机理。通过实验对比分析了在相同工况条件下,流量反馈信号中不加滤波器、采用巴特沃斯低通数字滤波器以及小波滤波后对液压马达转速输出性能的影响规律。未加滤波器时,实际流量的均值能达到目标值,但液压马达转速、流量输出波动较大。巴特沃斯低通数字滤波器为非零相位滤波器,流量反馈信号经滤波后,数据发生平移,导致实际流量偏低,达不到目标值。小波滤波器为零相位滤波器,流量反馈信号经滤波后,实际流量能达到目标值,能保证实际流量、液压马达和电机转速输出曲线平滑。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH137;TN713;TM344.6

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