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液壓馬達低速穩定控制探討

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  • TA的每日心情
    開心
    2015-2-17 03:29
  • 簽到天數: 2 天

    [LV.1]初來乍到

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    1#
    發表于 2018-7-19 22:31:29 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
    本帖最后由 數字液壓 于 2018-7-19 22:31 編輯

    在網上查有關于液壓馬達低速爬行的原因如下:

    液壓馬達在低速時產生爬行現象的原因是:
    (1)摩擦力的大小不穩定。通常的摩擦力是隨速度增大而增加的,而對靜止和低速區域工作的馬達內部的摩擦阻力,當工作速度增大時非但不增加,反而減少,形成了所謂“負特性”的阻力。

    另一方面,液壓馬達和負載是由液壓油被壓縮后壓力升高而被推動的,因此,可用圖(a)所示的物理模型表示低速區域液壓馬達的工作過程:以勻速v0推彈簧的一端(相當于高壓下不可壓縮的工作介質),使質量為m的物體(相當于馬達和負載質量、轉動慣量)克服“負特性”的摩擦阻力而運動。當物體靜止或速度很低時阻力大,彈簧不斷壓縮,增加推力。只有等到彈簧壓縮到其推力大于靜摩擦力時才開始運動。一旦物體開始運動,阻力突然減小,物體突然加速躍動,其結果又使彈簧的壓縮量減少,推力減小,物體依靠慣性前移一段路程后停止下來,直到彈簧的移動又使彈簧壓縮,推力增加,物體就再一次躍動為止,形成如圖所示的時動時停的狀態,對液壓馬達來說,這就是爬行現象。


    液壓馬達爬行的物理模型

    (2)泄漏量大小不穩定。
    液壓馬達的泄漏量不是每個瞬間都相同,它也隨轉子轉動的相位角度變化作周期性波動。由于低速時進入馬達的流量小,泄漏所占的比重就增大,泄漏量的不穩定就會明顯地影響到參與馬達工作的流量數值,從而造成轉速的波動。當馬達在低速運行時,其轉動部分及所帶的負載的慣性較小,上述影響比較明顯,因而出現爬行現象。除此之外,壓差及排量的變化,也將引起理論扭矩不均勻,使液壓馬達爬行。實際工作中,一般都期望最低穩定轉速越小越好。

    以上是網絡查到的簡單分析。個人認為第一條原因是由于馬達在低速運行時很難建立油膜潤滑,加上機械摩擦副的不均勻特性,導致容易在低速時產生阻力變化而出現爬行。(個人觀點歡迎指正)另外不同馬達內部結構有所不同,產生摩擦阻力的變化也需要針對性的分析。


    那么針對上述導致馬達低速運行不穩定的控制系統應該如何設計呢?

    有人提出可以增大背壓以減小馬達自身阻力引起壓力波動的占比,從而減小對馬達速度產生的影響,這種方法不能從根本上消除問題,除非系統壓力足夠大來克服背壓讓馬達做工,即便是這樣,背壓導致的功率損失和系統發熱也是很不科學的方法。

    那么就要從控制上想辦法。如果控制系統能滿足在馬達阻力增加時提供足夠克服阻礙的力來保持速度不下降,而當阻力減小時,控制系統又能迅速減小力讓馬達不會出現超速,這樣就能在馬達低速阻力不斷變化運行時,穩定控制馬達的轉速。

    于是需要分析馬達轉動時的平衡力矩以及力的變化情況,從而通過閉環反饋調節平衡力矩以使得馬達穩定運轉。

    具體針對不同馬達低速運行特性的分析在此省略,有興趣的朋友可以訪問億美博官網(http://www.hydraulic.com.cn)了解詳細研究結果。

    可以得出一個簡單結論:滿足實際工程應用的馬達低速控制,需要控制系統提供足夠頻響方可滿足馬達低速穩定運行。

    以下是我們用10多年時間對不同類型馬達進行的低速運行性能的研究和測試情況




    補充內容 (2018-11-2 15:30):
    補充一點:馬達高速運轉時的轉動慣量相對摩擦阻力大很多,因此體現的速度波動很輕微甚至不可見。
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  • TA的每日心情
    開心
    2017-1-29 23:32
  • 簽到天數: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    2#
    發表于 2018-7-20 12:19:24 | 只看該作者
    這是一個很好的話題。
    但是,我看到電機旋轉空氣分子。
    沒有負擔。
    非線性摩擦稱為Stribeck摩擦。
    僅使用相機很難看出動作是否平滑。
    幀率不高。
    如果步進計數和電機編碼器計數以1毫秒的間隔顯示在圖表上,我會更感動。

    我們非常了解Stribeck的摩擦。 我們的算法可以減少Stribeck摩擦的影響。 我們使用氣缸測試算法以補償Stribeck摩擦。 我們已經為大負載解決了這個問題。

    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.


    該用戶從未簽到

    3#
    發表于 2018-7-20 22:03:45 | 只看該作者
    pen先生一再說推動空氣(無負載),其實很簡單,如果空載試驗都無法完成就別談負載了?蛰d好了,加負載的唯一區別還是油壓,如空載時,你用2兆帕壓力試驗它的特性,加負載時,將油壓提升到20兆帕,負載用掉18兆帕,給閥口留2兆帕,就是一樣的效果。如果要提高精度,閥口壓降適當取高一點即可,伺服閥取7兆帕就是這個道理。
  • TA的每日心情
    開心
    2017-1-29 23:32
  • 簽到天數: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    4#
    發表于 2018-7-21 01:04:13 | 只看該作者
    如果負載是輸送鏈怎么辦? 鏈條上有很多摩擦力。 在空氣中旋轉更容易。

    我沒有液壓馬達。 我使用空氣來測試Stribeck摩擦力的控制負載。

    這是我們第一次主動阻尼工作時的視頻。 視頻的第一部分顯示了具有主動阻尼的平滑運動。 視頻的第二部分顯示由于Stribeck摩擦而沒有主動阻尼的抖動。 這是在21世紀初進行的動畫貿易展。 它使用了我們的第二代控制器。
    http://deltamotion.com/peter/Videos/Pneumatic%20Active%20Damping%20Hendersen.mp4

    現在我們可以更好,并且可以用每0.5毫秒收集大量數據的實時趨勢來證明它。
    http://deltamotion.com/peter/Videos/PneuMove.mp4
    如果您可以控制氣動,那么液壓很容易。
    僅使用機械比例控制的數字液壓缸無法做到這一點。

    該用戶從未簽到

    5#
    發表于 2018-7-21 11:43:46 | 只看該作者
    數字馬達的控制原理與數字缸一樣,都是自動反饋自動調節,所以沒有了那些麻煩事。精度也大大提高了,這是由原理決定了的,
    數字缸的原理就是相當于在人的雙腳上栓了一條定長的純索,每走一步都是相同的,人只需接收口令往前走,口令頻率就是速度,口令總數就是行程,一一對應,不需要任何算法,包括負載變化也不影響步距。而伺服系統每一步的距離都要計算,你再快的計算機,再好的控制軟件也無法趕上這個原理。這就決定了一切。
  • TA的每日心情
    開心
    2017-1-29 23:32
  • 簽到天數: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    6#
    發表于 2018-7-21 23:31:00 | 只看該作者
    Use 發表于 2018-7-21 11:43
    數字馬達的控制原理與數字缸一樣,都是自動反饋自動調節,所以沒有了那些麻煩事。精度也大大提高了,這是由 ...

    這與電機的穩定性有什么關系?
    這與Stribeck摩擦有什么關系?

    什么產生脈沖? 必須有一個或多個算法用于以正確的速率生成正確數量的脈沖。 是什么增加了額外的脈沖然后減去脈沖以更快地減速? YSX提到了這一點。

    當仍然處于壓力增益帶時,第一步會發生什么? 步進一個,兩個或十個脈沖可能無法提供足夠的力來克服靜摩擦,因此在克服靜摩擦力之前電機不會移動? 當最終有足夠的力量來抵抗靜摩擦時會發生什么? 什么阻止數字液壓缸快速移動,直到它趕上臺階并停止?

    該用戶從未簽到

    7#
    發表于 2018-7-22 17:40:27 | 只看該作者
    這種態度很好,討論問題不要先給別人扣上帽子,然后下結論。
    步進電機接受脈沖后只管打開閥口,至于油缸什么時候運動它不用管,當閥口開到一定程度后,產生的油壓足夠推動負載后油缸開始運動,閥口繼續打開,油缸加速,直到速度跟上步進電機開閥的速度后,油口停止打開,這個時候就有一個相對固定的閥口開度,油缸進入穩定運行,如果運行中負載出現變化,即會引起閥口開度的微小變化,這就是自動調節,并且速度極快,所以閥口是在實時自動調節中。計算機發什么信號,數字缸就跟蹤什么信號,發正弦波就跟蹤正弦波,發直線就跟蹤直線,計算機不發信號了,油缸自動關閉閥口停止運動。所以數字液壓就大大簡化了伺服控制。
  • TA的每日心情
    開心
    2015-2-17 03:29
  • 簽到天數: 2 天

    [LV.1]初來乍到

    8#
     樓主| 發表于 2018-7-23 01:23:26 | 只看該作者
    本帖最后由 數字液壓 于 2018-7-23 01:33 編輯
    PEN 發表于 2018-7-20 12:19
    這是一個很好的話題。
    但是,我看到電機旋轉空氣分子。
    沒有負擔。

    1、上面4段前兩個是空載,后兩個是實際帶載工業應用,其中之一正是之前美國人沒做到才給了我們機會的應用,很歡迎Pen幫你們美國人再搶回去;

    2、即便是用肉眼看的效果也是之前采用伺服控制沒有做到的效果,更何況我們不是沒有用儀器測試;

    3、十多年研究中我看到的論文、高深的理論多了去了,但依然被數字液壓做出了以前采用伺服控制沒做出的效果,因此我不再想跟Pen談什么理論了,因為所有不能付諸實施的理論都毫無價值(網絡金句:一切不以結婚為目的的戀愛都是耍流氓),請Pen作出相同的效果再談論理論更有價值,否則成了“紙上談兵”;

    =====================
    接下來說點實在的技術

    1樓說出了導致馬達速度無法穩定的原因,我想可能還有更多的因素也會導致馬達低速難以控制,但這些我們先放到一邊,我們換一種思考問題的方法來尋找控制策略似乎比空談理論更有效。

    我們假設一種超能力,就是能將時間放慢而自己的行動卻隨心所欲,然后我們開始旋轉馬達,當馬達速度放慢的第一毫秒,我們將閥口稍稍開大,使得作用在馬達內部產生的扭矩增加以克服阻力減低馬達轉速后,馬達在下一毫秒速度又恢復到我們需要的數值上;再過了若干毫秒,馬達的速度突然由于阻力降低而增加,下一毫秒,我們迅速減小閥口,讓作用在馬達內部產生的轉矩降低,于是馬達在下一毫秒又恢復到設定速度,這樣周而復始無數的毫秒,最終馬達無論遇到多么惡劣的外力影響,只要系統提供的能量足夠推動馬達轉動,是完全可以保持低速穩定的。這似乎看起來并不難?

    那么回到現實我們沒有了減慢時間的超能力時,是什么讓我們無法在馬達低速運行時穩定控制其速度呢?

    沒有足夠快速的控制能力使得馬達在低速阻力不斷變化下無法保持其運行穩定!

    這里面有什么復雜的理論嗎?需要什么非線性摩擦分析嗎?要什么高深的數學算式嗎?。。。

    抓到問題的本質就有機會讓復雜變得簡單!天下武功唯快不破。
  • TA的每日心情
    開心
    2017-1-29 23:32
  • 簽到天數: 58 天

    [LV.5]常住居民I

    9#
    發表于 2018-7-23 22:08:32 | 只看該作者
    你怎么證明電機不能穩定?我沒有看到任何證據,也沒有看到以高分辨率顯示實際運動的動作圖。我用視頻顯示真實運動,顯示氣缸中的粗糙點。

    “3,十多年研究中我看到的論文,高深的理論多了去了,但依然被數字液壓做出了以前采用伺服控制沒做出的效果,因此我不再想跟筆談什么理論了,因為所有不能付諸實施的理論都毫無價值(網絡金句:一切不以結婚為目的的戀愛都是耍流氓),請筆作出相同的效果再談論理論更有價值,否則成了“紙上談兵“;”

    那是因為除了你可以從書中復制的內容之外你不太了解。

    時間不需要放慢速度?刂破餍枰铀?刂破餍枰_定速度和加速度的變化。在視頻中,速度和加速度變化每0.5毫秒更新一次。運動控制器不是超級動力。運動控制器控制電子的流動。動作是一個超級控制器。
  • TA的每日心情
    開心
    2015-2-17 03:29
  • 簽到天數: 2 天

    [LV.1]初來乍到

    10#
     樓主| 發表于 2018-7-24 06:00:27 | 只看該作者
    PEN 發表于 2018-7-23 22:08
    你怎么證明電機不能穩定?我沒有看到任何證據,也沒有看到以高分辨率顯示實際運動的動作圖。我用視頻顯示真 ...

    Pen,你說得太多做得太少了,奉勸你踏踏實實多做少說吧,不要總是憑想象就來“指點江山”,這樣會顯得很無知又很沒禮貌。

    至于你提到的高分辨率顯示證據根本不需要,僅僅用眼睛看的效果足夠好的對比現在采用伺服控制系統能實現的效果了,如果不信,Pen可以用伺服閥控一個相同的馬達試試,等Pen也能做到用眼睛看不出速度波動時,我們再來用儀器比吧。況且Pen提供的視頻也還不是僅僅就是眼睛看也并沒有任何細微到1毫米的記錄嗎?別那么矯情。

    最后我同意pen說的不需要放慢速度,而是應該采用高速的控制器,另不僅如此,再高速的控制器沒有高速響應的伺服閥也是無濟于事,因此要想穩定控制不斷變化阻力的液壓馬達在低速不爬行運動,控制器和伺服閥都需要高速響應,這沒錯吧Pen先生?
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    本版積分規則

    • 液壓系統密封及管接頭油口選擇的設計研究
    • 液壓行業工業4.0的樣板工廠—來自哈威工廠
    • 吸油管設計經驗總結
    • 液壓行業中常用的壓力單位介紹
    • 國外大型礦用挖掘機綜述
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