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液压马达低速稳定控制探讨

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  • TA的每日心情
    开心
    2015-2-17 03:29
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2018-7-19 22:31:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 数字液压 于 2018-7-19 22:31 编辑

    在网上查有关于液压马达低速爬行的原因如下:

    液压马达在低速时产生爬行现象的原因是:
    (1)摩擦力的大小不稳定。通常的摩擦力是随速度增大而增加的,而对静止和低速区域工作的马达内部的摩擦阻力,当工作速度增大时非但不增加,反而减少,形成了所谓“负特性”的阻力。

    另一方面,液压马达和负载是由液压油被压缩后压力升高而被推动的,因此,可用图(a)所示的物理模型表示低速区域液压马达的工作过程:以匀速v0推弹簧的一端(相当于高压下不可压缩的工作介质),使质量为m的物体(相当于马达和负载质量、转动惯量)克服“负特性”的摩擦阻力而运动。当物体静止或速度很低时阻力大,弹簧不断压缩,增加推力。只有等到弹簧压缩到其推力大于静摩擦力时才开始运动。一旦物体开始运动,阻力突然减小,物体突然加速跃动,其结果又使弹簧的压缩量减少,推力减小,物体依靠惯性前移一段路程后停止下来,直到弹簧的移动又使弹簧压缩,推力增加,物体就再一次跃动为止,形成如图所示的时动时停的状态,对液压马达来说,这就是爬行现象。

    液压马达低速稳定控制探讨

    液压马达低速稳定控制探讨

    液压马达爬行的物理模型

    (2)泄漏量大小不稳定。
    液压马达的泄漏量不是每个瞬间都相同,它也随转子转动的相位角度变化作周期性波动。由于低速时进入马达的流量小,泄漏所占的比重就增大,泄漏量的不稳定就会明显地影响到参与马达工作的流量数值,从而造成转速的波动。当马达在低速运行时,其转动部分及所带的负载的惯性较小,上述影响比较明显,因而出现爬行现象。除此之外,压差及排量的变化,也将引起理论扭矩不均匀,使液压马达爬行。实际工作中,一般都期望最低稳定转速越小越好。

    以上是网络查到的简单分析。个人认为第一条原因是由于马达在低速运行时很难建立油膜润滑,加上机械摩擦副的不均匀特性,导致容易在低速时产生阻力变化而出现爬行。(个人观点欢迎指正)另外不同马达内部结构有所不同,产生摩擦阻力的变化也需要针对性的分析。


    那么针对上述导致马达低速运行不稳定的控制系统应该如何设计呢?

    有人提出可以增大背压以减小马达自身阻力引起压力波动的占比,从而减小对马达速度产生的影响,这种方法不能从根本上消除问题,除非系统压力足够大来克服背压让马达做工,即便是这样,背压导致的功率损失和系统发热也是很不科学的方法。

    那么就要从控制上想办法。如果控制系统能满足在马达阻力增加时提供足够克服阻碍的力来保持速度不下降,而当阻力减小时,控制系统又能迅速减小力让马达不会出现超速,这样就能在马达低速阻力不断变化运行时,稳定控制马达的转速。

    于是需要分析马达转动时的平衡力矩以及力的变化情况,从而通过闭环反馈调节平衡力矩以使得马达稳定运转。

    具体针对不同马达低速运行特性的分析在此省略,有兴趣的朋友可以访问亿美博官网(http://www.hydraulic.com.cn)了解详细研究结果。

    可以得出一个简单结论:满足实际工程应用的马达低速控制,需要控制系统提供足够频响方可满足马达低速稳定运行。

    以下是我们用10多年时间对不同类型马达进行的低速运行性能的研究和测试情况

    马达低速1

    马达低速1

    马达低速2

    马达低速2

    马达低速3

    马达低速3

    马达低速4

    马达低速4




    补充内容 (2018-11-2 15:30):
    补充一点:马达高速运转时的转动惯量相对摩擦阻力大很多,因此体现的速度波动很轻微甚至不可见。
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  • TA的每日心情
    开心
    2017-1-29 23:32
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    [LV.5]常住居民I

    发表于 2018-7-20 12:19:24 | 显示全部楼层
    这是一个很好的话题。
    但是,我看到电机旋转空气分子。
    没有负担。
    非线性摩擦称为Stribeck摩擦。
    仅使用相机很难看出动作是否平滑。
    帧率不高。
    如果步进计数和电机编码器计数以1毫秒的间隔显示在图表上,我会更感动。

    我们非常了解Stribeck的摩擦。 我们的算法可以减少Stribeck摩擦的影响。 我们使用气缸测试算法以补偿Stribeck摩擦。 我们已经为大负载解决了这个问题。

    This is a good topic.
    However, I see the motor spinning air molecules.
    There is no load.
    The non-linear friction is called Stribeck friction.
    It is hard to see if the motion is smooth using only a camera.
    The frame rate is not high.
    I would be more impress if the stepper counts and motor encoder counts were displayed on a graph at 1 millisecond intervals.

    We are very aware of Stribeck friction.  Our algorithms do a lot to reduce the effect of Stribeck friction.   We use air cylinders for testing algorithms to compensate for Stribeck friction.  We have solved this problem for big loads.


    该用户从未签到

    发表于 2018-7-20 22:03:45 | 显示全部楼层
    pen先生一再说推动空气(无负载),其实很简单,如果空载试验都无法完成就别谈负载了。空载好了,加负载的唯一区别还是油压,如空载时,你用2兆帕压力试验它的特性,加负载时,将油压提升到20兆帕,负载用掉18兆帕,给阀口留2兆帕,就是一样的效果。如果要提高精度,阀口压降适当取高一点即可,伺服阀取7兆帕就是这个道理。
  • TA的每日心情
    开心
    2017-1-29 23:32
  • 签到天数: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    发表于 2018-7-21 01:04:13 | 显示全部楼层
    如果负载是输送链怎么办? 链条上有很多摩擦力。 在空气中旋转更容易。

    我没有液压马达。 我使用空气来测试Stribeck摩擦力的控制负载。

    这是我们第一次主动阻尼工作时的视频。 视频的第一部分显示了具有主动阻尼的平滑运动。 视频的第二部分显示由于Stribeck摩擦而没有主动阻尼的抖动。 这是在21世纪初进行的动画贸易展。 它使用了我们的第二代控制器。
    http://deltamotion.com/peter/Videos/Pneumatic%20Active%20Damping%20Hendersen.mp4

    现在我们可以更好,并且可以用每0.5毫秒收集大量数据的实时趋势来证明它。
    http://deltamotion.com/peter/Videos/PneuMove.mp4
    如果您可以控制气动,那么液压很容易。
    仅使用机械比例控制的数字液压缸无法做到这一点。

    该用户从未签到

    发表于 2018-7-21 11:43:46 | 显示全部楼层
    数字马达的控制原理与数字缸一样,都是自动反馈自动调节,所以没有了那些麻烦事。精度也大大提高了,这是由原理决定了的,
    数字缸的原理就是相当于在人的双脚上栓了一条定长的纯索,每走一步都是相同的,人只需接收口令往前走,口令频率就是速度,口令总数就是行程,一一对应,不需要任何算法,包括负载变化也不影响步距。而伺服系统每一步的距离都要计算,你再快的计算机,再好的控制软件也无法赶上这个原理。这就决定了一切。
  • TA的每日心情
    开心
    2017-1-29 23:32
  • 签到天数: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    发表于 2018-7-21 23:31:00 | 显示全部楼层
    Use 发表于 2018-7-21 11:43
    数字马达的控制原理与数字缸一样,都是自动反馈自动调节,所以没有了那些麻烦事。精度也大大提高了,这是由 ...

    这与电机的稳定性有什么关系?
    这与Stribeck摩擦有什么关系?

    什么产生脉冲? 必须有一个或多个算法用于以正确的速率生成正确数量的脉冲。 是什么增加了额外的脉冲然后减去脉冲以更快地减速? YSX提到了这一点。

    当仍然处于压力增益带时,第一步会发生什么? 步进一个,两个或十个脉冲可能无法提供足够的力来克服静摩擦,因此在克服静摩擦力之前电机不会移动? 当最终有足够的力量来抵抗静摩擦时会发生什么? 什么阻止数字液压缸快速移动,直到它赶上台阶并停止?

    该用户从未签到

    发表于 2018-7-22 17:40:27 | 显示全部楼层
    这种态度很好,讨论问题不要先给别人扣上帽子,然后下结论。
    步进电机接受脉冲后只管打开阀口,至于油缸什么时候运动它不用管,当阀口开到一定程度后,产生的油压足够推动负载后油缸开始运动,阀口继续打开,油缸加速,直到速度跟上步进电机开阀的速度后,油口停止打开,这个时候就有一个相对固定的阀口开度,油缸进入稳定运行,如果运行中负载出现变化,即会引起阀口开度的微小变化,这就是自动调节,并且速度极快,所以阀口是在实时自动调节中。计算机发什么信号,数字缸就跟踪什么信号,发正弦波就跟踪正弦波,发直线就跟踪直线,计算机不发信号了,油缸自动关闭阀口停止运动。所以数字液压就大大简化了伺服控制。
  • TA的每日心情
    开心
    2015-2-17 03:29
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    [LV.1]初来乍到

     楼主| 发表于 2018-7-23 01:23:26 | 显示全部楼层
    本帖最后由 数字液压 于 2018-7-23 01:33 编辑
    PEN 发表于 2018-7-20 12:19
    这是一个很好的话题。
    但是,我看到电机旋转空气分子。
    没有负担。

    1、上面4段前两个是空载,后两个是实际带载工业应用,其中之一正是之前美国人没做到才给了我们机会的应用,很欢迎Pen帮你们美国人再抢回去;

    2、即便是用肉眼看的效果也是之前采用伺服控制没有做到的效果,更何况我们不是没有用仪器测试;

    3、十多年研究中我看到的论文、高深的理论多了去了,但依然被数字液压做出了以前采用伺服控制没做出的效果,因此我不再想跟Pen谈什么理论了,因为所有不能付诸实施的理论都毫无价值(网络金句:一切不以结婚为目的的恋爱都是耍流氓),请Pen作出相同的效果再谈论理论更有价值,否则成了“纸上谈兵”;

    =====================
    接下来说点实在的技术

    1楼说出了导致马达速度无法稳定的原因,我想可能还有更多的因素也会导致马达低速难以控制,但这些我们先放到一边,我们换一种思考问题的方法来寻找控制策略似乎比空谈理论更有效。

    我们假设一种超能力,就是能将时间放慢而自己的行动却随心所欲,然后我们开始旋转马达,当马达速度放慢的第一毫秒,我们将阀口稍稍开大,使得作用在马达内部产生的扭矩增加以克服阻力减低马达转速后,马达在下一毫秒速度又恢复到我们需要的数值上;再过了若干毫秒,马达的速度突然由于阻力降低而增加,下一毫秒,我们迅速减小阀口,让作用在马达内部产生的转矩降低,于是马达在下一毫秒又恢复到设定速度,这样周而复始无数的毫秒,最终马达无论遇到多么恶劣的外力影响,只要系统提供的能量足够推动马达转动,是完全可以保持低速稳定的。这似乎看起来并不难?

    那么回到现实我们没有了减慢时间的超能力时,是什么让我们无法在马达低速运行时稳定控制其速度呢?

    没有足够快速的控制能力使得马达在低速阻力不断变化下无法保持其运行稳定!

    这里面有什么复杂的理论吗?需要什么非线性摩擦分析吗?要什么高深的数学算式吗?。。。

    抓到问题的本质就有机会让复杂变得简单!天下武功唯快不破。
  • TA的每日心情
    开心
    2017-1-29 23:32
  • 签到天数: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    发表于 2018-7-23 22:08:32 | 显示全部楼层
    你怎么证明电机不能稳定?我没有看到任何证据,也没有看到以高分辨率显示实际运动的动作图。我用视频显示真实运动,显示气缸中的粗糙点。

    “3,十多年研究中我看到的论文,高深的理论多了去了,但依然被数字液压做出了以前采用伺服控制没做出的效果,因此我不再想跟笔谈什么理论了,因为所有不能付诸实施的理论都毫无价值(网络金句:一切不以结婚为目的的恋爱都是耍流氓),请笔作出相同的效果再谈论理论更有价值,否则成了“纸上谈兵“;”

    那是因为除了你可以从书中复制的内容之外你不太了解。

    时间不需要放慢速度。控制器需要加速。控制器需要确定速度和加速度的变化。在视频中,速度和加速度变化每0.5毫秒更新一次。运动控制器不是超级动力。运动控制器控制电子的流动。动作是一个超级控制器。
  • TA的每日心情
    开心
    2015-2-17 03:29
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]初来乍到

     楼主| 发表于 2018-7-24 06:00:27 | 显示全部楼层
    PEN 发表于 2018-7-23 22:08
    你怎么证明电机不能稳定?我没有看到任何证据,也没有看到以高分辨率显示实际运动的动作图。我用视频显示真 ...

    Pen,你说得太多做得太少了,奉劝你踏踏实实多做少说吧,不要总是凭想象就来“指点江山”,这样会显得很无知又很没礼貌。

    至于你提到的高分辨率显示证据根本不需要,仅仅用眼睛看的效果足够好的对比现在采用伺服控制系统能实现的效果了,如果不信,Pen可以用伺服阀控一个相同的马达试试,等Pen也能做到用眼睛看不出速度波动时,我们再来用仪器比吧。况且Pen提供的视频也还不是仅仅就是眼睛看也并没有任何细微到1毫米的记录吗?别那么矫情。

    最后我同意pen说的不需要放慢速度,而是应该采用高速的控制器,另不仅如此,再高速的控制器没有高速响应的伺服阀也是无济于事,因此要想稳定控制不断变化阻力的液压马达在低速不爬行运动,控制器和伺服阀都需要高速响应,这没错吧Pen先生?
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