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伺服油泵工作原理及其與變量泵性能對比

 伺服油泵是由伺服電機驅動的，即將試用的這顆伺服油泵是由交流伺服電機驅動的。伺服電機屬于控制電機的范疇，其主要功能是傳遞和轉換信號，如伺服電機將電壓信號轉換為轉矩和轉速，等等。對控制電機的主要要求：動作靈敏準確、運行可靠、耗電少等，也適用于伺服電機。 

    廈門博拉工貿有限公司將在近期試用伺服油泵液壓系統，此系統與廈門博拉工貿有限公司現用的開環變量泵系統的主要區別是：動力源不同。開環變量泵液壓系統的動力源是注塑機專用三相電動機驅動開環變量泵，而伺服油泵液壓系統的動力源則是用伺服電機驅動油泵（齒輪泵或柱塞泵），液壓系統的核心部分——動力源的改變，意味著液壓系統的控制和性質發生了本質的變化。本文將詳細敘述伺服油泵的工作原理及其性能，并將其性能與變量泵性能做一對比。 

    在液壓系統中，泵的輸出功率為W=PXQ，式中，P為泵輸出壓力，Q為泵輸出流量，從該表達式中可以看出，改變泵的輸出壓力或輸出流量，均可改變泵的輸出功率。我們知道，注塑機各個動作所需的功率不一樣，而且變化較大，若能使泵的輸出功率與負載功率相匹配，則可達到節省能源的效果。不難看出，在負載一定的情況下，在定量泵液壓系統中，由于泵輸出的流量是一定值，但負載有速度要求，所以一部分流量需從主溢流閥流回油箱，這就是我們常說的溢流損耗。另外，由于用比例節流閥做調速回路，所以又存在節流損耗。在開環變量泵液壓系統中，由于有斜盤改變泵出口的大小，從而改變了泵輸出流量的大小，所以沒有溢流損耗，但是，開環變量泵在流量控制狀態下也存在著節流損耗，所以，開環變量泵的調速回路是容積——節流調速回路。閉環變量泵由于其是用一比例減壓閥或比例伺服閥控制斜盤活塞，使斜盤保持一定的開口，當泵輸出壓力達到預定壓力（由壓力傳感器監測）時，泵切換至壓力控制狀態，所以，閉環變量泵既無溢流損失，也無節流損失。由于這類液壓系統在國內都是用得比較多的，相信大家對這些系統的原理都已耳熟能詳，這里不再贅述。 

    對變量泵（開環或閉環）液壓系統而言，它有以下必要特性： 

    一液壓系統構成必要特性： 

    A節能；B壓力、流量比例控制；C動作高響應。 

    二液壓泵必要特性： 

    A容積調速（流量可變）；B高機械效率；C壓力控制狀態和流量控制狀態能順暢地切換。 

    同樣，對于伺服油泵液壓系統而言，它也應該有它的必要特性。我們可以先對伺服電機的工作原理做一番了解，這有助于我們導出伺服油泵液壓系統的必要特性。 

    交流伺服電機通常都是單相異步電機交流伺服電機通常都是單相異步電動機，有鼠籠形轉子和杯形轉子兩種結構形式。與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉子構成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90°電角度。籠型轉子交流伺服電機的轉子和普通三相籠式電機相同。
    杯形轉子交流伺服電機的結構如圖由外定子，杯形轉子和內定子脈沖計數裝置四部分組成。轉子由非磁性導電材料（如銅）制成，內定子僅作磁路用。這類交流伺服電機轉動慣量很小。交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的區別。但是，交流伺服電機必須具備一重要特性：可控性。即無控制信號時，它不應轉動，特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉動。在控制繞組加控制電壓（U2）的情況下，勵磁繞組和電容串聯，產生兩相旋轉磁場，適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90°，因此便產生旋轉磁場，這個旋轉磁場可以看成是由兩個圓形旋轉磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉磁場幅值不等，但以相同的速度，向相反的方向旋轉。它們切割轉子繞組感應的電勢和電流以及產生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉者大，反轉者小）合成力矩不為零，所以伺服電機就朝著正轉磁場的方向轉動起來，隨著信號（U2）的增強，磁場接近圓形，此時正轉磁場及其力矩增大，反轉磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉子的速度就增加。如果改變U2的相位，即移相180o（極性改變），旋轉磁場的轉向相反，因而產生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流（I1），伺服電機產生的磁場將是脈動磁場，脈動磁場分成的正反向旋轉磁場產生的轉距T¢、T²的合成轉矩T的方向與旋轉方向相反，所以電機在控制繞組電壓為零時，能立即停止，體現了控制信號的作用。 

    通常交流伺服電機的轉子電阻特別大，使它的臨界轉差率大于1。這樣使伺服電機啟動迅速，而且穩定運行范圍大。 

    控制電壓大小變化時，轉子轉速相應變化，轉速與電壓成正比。控制電壓的極性改變時，轉子的轉向也將改變。 

    可以看出：普通的兩相和三相異步電動機正常情況下都是在對稱狀態下工作，不對稱運行屬于故障狀態。而交流伺服電機則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制目的。這是交流伺服電機在運行上與普通異步電動機的根本區別。 

    所以，伺服電動機的作用是驅動控制對象。被控對象的轉距和轉速受信號電壓控制，信號電壓的大小和極性改變時，電動機的轉動速度和方向也跟著變化。現在我們可以導出伺服油泵液壓系統的必要特性：
    一液壓系統構成必要特性： 

    A節能；B動作高響應。 

    二液壓泵必要特性： 

    A變速控制；B高機械效率。 

    三伺服電機必要特性 

    A高響應；B高效率；C低速時大轉矩 

    四適應性 

    A壓力流量比例控制；B控制對象能順暢地切換。      

    伺服油泵液壓系統的控制原理：圖六是伺服油泵液壓系統簡圖。該系統也有兩種工作狀態：流量控制狀態和壓力控制狀態。在流量控制狀態下，壓力傳感器所監測到的壓力小于設定的壓力，伺服馬達按流量控制狀態工作，即控制伺服馬達的轉速，使泵的輸出流量保持在設定值。流量控制狀態時，泵處于流量開環控制狀態。在壓力控制狀態下，壓力傳感器所監測到的壓力將達到或達到設定值時，伺服馬達按壓力控制狀態工作，即控制伺服馬達的轉速至*小，僅向系統控制泄漏或保壓所需的流量。此時泵處開壓力閉環控制狀態。 

    為什么伺服油泵系統比變量泵（即使是閉環變量泵）系統更節省電力？1伺服油泵的馬達效率高。2伺服油泵在從保壓狀態到*大排出量時能節省更多的電力。3內控型變量泵必需在14bar左右時才能處于可控狀態，而伺服油泵則可以在0壓力下工作。其中，伺服馬達的性能對省電性能直接的影響。引入磁阻扭矩和含有稀士元素的永磁鐵技術會使伺服油泵的節電性能更好。 
    由于伺服油泵所輸出的壓力可以閉環控制，所以它的壓力重復精度好，而且在低壓力下也可以可靠的工作。伺服油泵所輸出的流量是靠數字信號來控制的，有很好的線性和低速可控性，其流量的重復精度也較高。 

    另外，伺服油泵所產生的噪音也較變量泵低。 

    然而伺服油泵也有它的缺點。在變量泵系統中，在保壓時不會擔心電機的輸出扭矩不同，因為電機的功率沒有改變；伺服油泵在保壓時轉速減小，其輸出扭矩必然減小，所以，伺服油泵的伺服馬達必需是專用的、并且在低速時有較大扭矩輸出。另外，伺服油泵對電源的要求比較高，即使在變動幅10%以內，特別是在正側變動時，由于主機運轉條件、負荷條件，也會有超負荷報警的可能。負荷容積較大且在高壓維持狀態下，如果忽然斷電，可能會造成控制器的損壞。 

    下表是伺服油泵與變量泵系統的性能對比： 

    伺服油泵 

    變量泵 

    流量 

    特性 

    線性 

    1% 

    2% 

    磁滯 

    1% 

    3% 

    *大流量響應 

    100ms 

    120 

    重復精度 

    1% 

    2% 

    壓力 

    特性 

    *高額定壓力 

    20 

    25 

    線性 

    1% 

    3% 

    磁滯 

    1% 

    2% 

    *大壓力響應 

    100ms 

    85ms 

    重復精度 

    1% 

    2% 

    噪音 

    65dB 

    70dB 

    流量脈動 

    小 

    大 

    節電（與定量泵系統對比） 

    40%以上 

    20%以上 

    低速低壓可控性 

    好 
    一般 
    對液壓油的要求 
    NAS11 
    NAS9 

    可以看出，伺服油泵在壓力、流量的響應時間上比開環泵略低，其余均不劣于或優于開環變量的。伺服油泵的控制精度與油研閉環變量泵相當，響應時間慢是其*大的缺點。但它的優點也很突出：節電*高可達70%；低速、低壓控制可靠；有較好的重復精度。
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