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液压元件的数字化、电子化技术(报告)
来源: | 作者:转载 | 发布时间: 2020-05-08 | 98 次浏览 | 分享到:

2019年10月23日~10月26日,“PTC ASIA 2019高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士,国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家,国内知名院校和科研院所的大力支持。在此,我们深表荣幸并衷心感谢!报告会现场观众认真聆听、积极互动,良好的效果让我们倍感欣慰,这一切都激励着我们继续努力,为流体传动与控制技术进步添砖加瓦,为世界流体动力产业发展贡献新的力量!

为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况,我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理,陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号:chpsa-yqm),供学习分享。敬请关注!




PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告(之八)


液压元件的数字化、电子化技术

——据北京理工大学王向周教授报告整理


今天主要从四个方面给大家介绍,第一个是5G时代行走机械对液压技术的新需求;第二是液压技术的优势;第三是液压元件电子化、数字化技术途径;第四是液压元件的多电化正当时! 

5G时代行走机械对液压技术的需求

大家知道今年是5G的元年,过去10年我们用的是4G。大家回想一下在10年以前,4G刚开始的时候,我们都没有想到过手机购物、手机支付可以这么便捷。同样,5G必将要改变未来、改变我们的社会。

目前5G的指标:数据速率可达10Gbps(见图1),拓展连接可以做到1平方公里100万个终端,确定性延时低至1ms。在工业的控制里,例如机床多轴联动控制,这种场合的实时通信要求总线周期小于1ms,时钟同步和抖动小于1μs,这是基本要求。如果不同步,加工成型就会有误差,所以多轴联动的工业应用对通信要求还是很高的,代表了绝大多数的典型工业控制对通信性能的要求。从目前5G的性能指标来看,基本可以满足这些典型工业控制对通信的实时要求了。不像多轴联动等工业控制系统,工程机械惯性大、控制系统频带相对低一些,对通信的实时性也会低一些,因此目前5G的指标已经可以满足工程机械控制对实时通信的要求了。

我在华为北京展厅(在工程机械品牌网上也可找到)看到一个工程机械的演示系统:通过5G实现了工程机械的远程操纵。大家知道,工厂内工业控制已经普遍采用工业互联网了,实际上5G有很大的一个好处就是可把整个工厂和野外作业现场互联起来,从而实现远程抢险,例如发现核泄漏事故后,人没法进去,可以通过5G来进行远程实施;除此之外,5G还有一个更广泛的用途是野外作业的多机协同,可以把现有的车间工业控制拓展到包括野外作业(例如:工程施工、矿山作业、港口以及厂区移动设备的自动化作业等)在内的自动化领域。比如起重机好多场合会采用多台联吊(见图2),如果都靠人控制的话,万一哪里出了问题,就会机毁人亡。通过5G的网络,把所有起重机通过实时通信进行多机互联、协同控制,这样做就很有意义了,作业的效率和安全性可以大大提升。

我们讲5G改变社会,还有一个很重要的方向,就是当大多数设备应用了5G,就可以对设备进行实时监控了,届时真正的工业大数据革命就会到来!我觉得这也是未来5G应用的一个重要方向。很多工程机械,例如:卡特、小松的工程机械产品,好多都是电比例控制的,这为5G应用奠定了很好的基础了。小松的210LCI智能挖掘机(见图3)以IMC(智能机器控制)技术为核心,配备了GNSS天线,IMU+(惯性测量单元)、行程感应油缸和控制器等等。GNSS天线用于确定机器的坐标和高程,动臂、斗杆和铲斗液压缸内部的行程传感器用于精确测量液压缸行程以及速度,IMU+能够检测挖机的姿势,保证坡道工作更加精确。它的旋转部分采用电机驱动,实现了电子能量回收。所以通过工程机械的多电化、智能化来实现节能环保,肯定是将来工程机械发展的一个重要方向,在此呼吁大家一定要重视液压元件的电子化和数字化,否则我们可能很快发现我们又落后了。



液压技术的优势

我们的液压是不是就没有优势了呢?当然还会保持一定优势。尽管在很多领域,液压正被变频或伺服电机取代,除了旋转运动液压马达被变频电机所取代外,例如刚才徐教授所讲,包括用伺服电机直接控制泵来驱动液压缸,即所谓的EHA(Electro-Hydrostatic Actuator);还有电机加滚珠丝杠的方案等等,这些技术发展正在形成对液压的挑战。但液压在下面领域中地位依然牢固。

高冲击、大负载驱动领域,特别是直线运动方面。刚才我们讲用电机加个丝杠更简单,为什么还用液压呢?因为丝杠抗冲击的能力不行,液压缸内流体会产生一个缓冲。滚珠丝杠承受不了高冲击,尤其在直线运动方面,液压的地位还是很稳固的。虽然EHA的出现会对传统液压缸造成一定的冲击,但如果考虑综合成本、散热等因素,相当长的时间里传统液压缸仍可在工程机械的直线驱动领域保持优势地位。

存在负载荷工况的领域。存在负载荷的地方,液压相对来说控制起来比较容易一点。用电系统的话,功要靠什么来吸收?目前快速吸收主要采用电阻,如果是固定设备,可以把能量反馈到电网,但移动机械做不到这一点,靠超级电容等来吸收,能量密度太低,普遍应用还是有问题的。

高功率密度、高动态工况。大家知道同样功率,液压马达要比电动机小的多。小意味着惯量小,惯量小就加速快,加速度就能上来,高频响应用这是液压的优势!

采用内燃机作为动力的行走机械领域。如果把内燃机的机械能转成电能,电能再往进行能量转换的话,效率不会比直接采用液压高,而且采用高压母线的话,在工程机械中还存在安全性问题。


液压元件电子化、数字化技术途径

下面讲一讲液压元件的电子化和数字化途径,跟大家进行探讨,有的也不一定对。实际上我们讲的液压的优点在惯量小、耐冲击,在高冲击、要求快速响应的场合是有优势的,其他场合其优势可能就没那么明显了。过去好多系统都是液压反馈或者机械反馈,要满足动、静态性能的要求,通常需要在控制系统中加入一些校正环节。在校正环节可以分为三大类元件:耗能元件、储能元件、放大元件,这三类元件我给大家列出来了(见图4)。这些元件可构成所需的校正环节。举个例子,放大环节在液压系统中是液压缸,流量和速度的关系是一种比例关系;在机械系统中是齿轮上的两个转速比;在电系统中是电阻、电流和电压的关系。但如果数字化以后,就用公式计算了,用计算机来算的话,非常方便,调整起来也会非常方便。过去很多用电路来做,现在都采用数字化来做了。

当然,做数字化不能为了数字化而数字化,一定要考虑节能增效。为了改善伺服系统的品质,一般都需要校正。传统的机液系统中,多采用机、液校正环节。随着微电子技术的发展,电子校正使用方便、价格便宜,越来越多的机液系统采用了电校正或数字控制校正技术。举个例子(见图5),过去机液系统要稳定,通常会在前向通道加一个滞后环节,或者在反向通道也加一个滞后环节,大家知道,采用这样的机液校正会很复杂、一致性很难保证,调整也很不方便。如果用微处理系统来做的话,可以用传感器把阀的位移、缸的位移读出来,通过A/D采集到计算机里面去,另一边有一个PWM接比例电磁阀,这样就进行数字控制了,而且成本很低。过去条件不成熟,比如说30年前一个单片机50元,那时候工资也就50、60元,大家觉得这个成本太高。而现在比当时功能好很多的单片机也就不到10元,电子器件所占在整个成本中的占比已经很低了,可见,采用电子的数字化技术比过去的机液校正有了明显优势,所以我更强调通过电子化来进行数字化。

常用的液压执行器是怎么与电执行器对应的呢?执行器在液压里面就是缸、马达,在电气里面就是电动机(电气中直线执行器很难有与液压缸直接可比的),液压泵与发电机类似,对应关系基本是这样的。如果希望采用数字化、电子化技术来实现液压缸、马达等液压执行器的控制,就需要一个电—机械转换装置,弱电信号通过电功率放大器驱动电-机械转换装置,再经机液功率放大去驱动执行器。过去比例电磁铁、力矩/力马达是用得最多的电-机械转换装置,这几年大家用步进电机、伺服电机替代传统的电-机械转换装置,推出了很多多电化的液压产品,例如数字缸、数字变量泵、数字阀等(见图6)。

目前液压元件数字化两个主要发展方向:

第一, 采用开关型液压元件的数字化。类似这样组成一个开关阀(例如高速开关阀)阵列(见图7a),通过控制各开关阀的通断,来实现流量的控制。实际上这种方案多少有点问题,我们知道qi一定与 p有关,所以如果要做恒流控制还是很难的。另外不同流量的阀假设通径不一样,开关时间不一样,在图中粉红色这一块就会有一个不确定区,不确定区就会造成很大的能量损失,如果频繁切换,如要调流量的话,这个损失是很大的,而且会带来整个系统的不稳定。另外要把高速开关速度提高,最有效的方法是采用高电压供电,高电压、大电流对于集成电路的成本、体积带来不利影响。实际上像这种方案,在电路里就是D/A、A/D,其基本原理见图7b。看一个电阻式的D/A都是毫瓦级的功耗,要是电容式的都是微瓦级的功耗,整个转换速度可高达10MHz,无论从哪一方面液压开关阀组成的阵列都没法与集成电路相比拟!

第二,采用电子技术的数字化。一般的比例阀,过去好多都是模拟电路实现的,后来改成PWM的。图8a中,传统的PWM驱动采用斜波+比较器的方式,功率级采用开关功率管来实现,前一级还是采用模拟PID构成负反馈,与模拟驱动(AB类功率放大)相比,功耗大大降低了,这属于数模混合电路吧,调节PID参数还需要靠电位器,适用性不强。现在,功率级可以采用类似这个蓝色方框表示的芯片来实现,集成了功率驱动,带各种短路保护、电流检测,驱动电流最大可达10多安培,可以直接连接阀线圈,断线、短地或者短电源这些故障都可以在线检测,前一级接一个MCU,产生PWM,控制算法可以在MCU中实现,MCU可以通过内嵌A/D采集阀芯位移、阀线圈电流等作为反馈,实现液压系统的精准控制,这应该成为液压数字化的主流!

常用伺服放大器、功率放大器加一个电流负反馈的方案(见图8b左边电路),过去采用AB类功率驱动,最大效率50%,由于力马达的驱动电流通常比较大,功率放大器散热是个难题。采用数字化技术(见图8b右边电路),可以用PWM控制IC集成全桥,经毫欧电阻来采样电流,采用MCU采样电流实现电流负反馈控制,这不仅可以实现电流的精准控制,而且动态也非常好。这是电子技术驱动的数字化,在成本、功耗、体积、性能各方面具有明显优势。简单说比较一下步进电机和伺服电机。控制精度:好点的五相混合步进电机能到0.36°,高性能的步进电机能到0.09°;伺服电机就很高了,假如说2500线的,就可以到0.036°。低频特性:步进电机的低频振动相对来讲还是比较明显的,多少会有点问题;伺服电机就非常平稳了。矩频特性:步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高速时会急剧下降,最高工作速度在300~600rpm;而伺服电机是恒力矩+恒功率控制,额定转速可大于3000rpm。过载能力:步进电机一般不具有过载能力,启动时需要克服惯性,所以要选择较大转矩的电机;而伺服电机可以瞬时过载到2倍的额定扭矩。控制方式:步进电机是开环控制,启动频率过高或负载大时容易失步;伺服电机是闭环控制,可实现位置、速度的精确控制。响应速度:从静止加速到额定转速(300~600rpm)需要300ms左右;而伺服电机加速性能好,从静止加速到额定转速(3000rpm)仅需要5ms左右。所以无论从动态还是从静态上来讲,伺服电机的性能要比步进电机好很多。但是现在好多液压产品都在用步进电机,为什么?简单,给个脉冲,走一步,但是动态没了,我个人对用步进电机是有些担心的。就像刚才徐兵教授讲的,电驱化肯定用伺服电机而不会用步进电机,否则液压的高动态就没有了,没有了高动态液压还有优势吗?所以我们选电-机械转换元件的时候一定要结合液压的特点来做这件事,要把液压的优势发挥好!我们用了差不多2年时间做了一个伺服电机+液压泵/马达驱动的液压缸项目(见图9),现在已经调试完了。该装置有2个工位,我按照一个工位来讲:上面是油气悬缸,也就是大车的油气弹簧,是被试件,下面是加载缸。加载缸最大压力400bar,缸径φ380,由于要进行动态加载,假设5mm的行程,做到1Hz频率,按照正弦波运动,流量的控制是很难的。当时我们考虑:如果用伺服阀的话,用最大的伺服阀也需要2个并联,而且能耗很大,最后我们采用了伺服电机驱动一台A2FO250马达的方案。给被试缸加载时,马达工作在泵工况,输出液压油驱动加载缸向上运动;被试缸卸荷时,靠被试缸的弹簧反力与辅助泵助推,此时马达工作在马达工况,然后驱动电机发电,将能量反馈到公共电网或超级电容里。

在这个系统里,伺服电机直流母线通过DCP模块连接到超级电容,被试油气悬缸的势能经液压马达→伺服电机→电机驱动模块→直流母线→DCP→超级电容,把油气弹簧的势能存储到超级电容里,实现了能量回收。加载时,超级电容释放能量与整流电路一起驱动伺服电机,实现加载。整个系统液压主回路无节流,效率非常高,系统动态也非常好,这个系统已完成调试,试验表明不仅高效节能而且动态性能高。


液压元件的多电化正当时

刚才我们讲了5G有需求,电子化很成熟,成本是否能接受呢?首先我们看看全球的半导体市场,2018年是4688亿美元,中国的占比是最高,达33.8%,而且80%靠进口,比咱们液压的形势还严峻得多。进口的80%里面,整个汽车产业大概占11.5%,汽车电子化程度在2018年每部车半导体成本已达610美元。车的质量控制、安全性要求是很高的,比如环境要求,振动冲击、可靠性、一致性等等,很多要求在车规里面都是强制性的。将来可以满足汽车要求的,也可以用在工程机械上,这个意义还是很大的。有汽车这么大的体量作为支撑,所以说液压元件的多电化正当时!

这几年我们也做控制器,目前我们做的3个控制器全部符合车规标准,每个产品都在一些行业有应用。液压风扇控制器是我们跟赛克斯合作给北奔配的,第三代军车里面用的,马上批产了。还有154的控制器,给大矿车配的,样机已经做完了,今年年底可能完成50台左右。

软件这块一般我们考虑操作系统,包括CAN总线、以太网,包括输入,我们都把底层做好了,上面给它一个C语言API,可以用C语言来做。

总结一下,液压的多电化主要涉及到硬件的芯片化,控制算法可通过APP化把它做到芯片里面,然后实现各个液压元件的精准控制,这样才能做到设备的电控化及其网络化,系统的电算化,最后实现与信息化的融合。如果能实现这个,我们液压元件的健康管理、包括整个工程机械的互联,以及对5G的支持,还是大有前途的,所以我认为液压的发展一定要走多电化的道路。



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