微型液压动力系统的PWM控制研究

微型液压动力系统的ＰＷＭ控制研究

韩家威　刘白雁　莫文锋

武汉科技大学，武汉，４３００８１

摘要：对一种用于石油自动垂直钻井工具的微型液压动力系统进行脉宽调制控制研究，以实现在垂直钻井中对纠斜力的连续调节。针对这种具有微小容积、极小流量、单柱塞泵驱动的微型液压动力系统提出了一种非连续的脉宽调制控制方法，即通过合理确定ＰＷＭ控制的脉宽周期、占空比、启动的特点，

与结束时间，可在一定范围内利用两位两通电磁换向阀实现对执行机构输出力的连续控制。借助并通过实验进行了验证。ＡＭＥＳｉｍ软件对该系统进行了仿真分析，

关键词：垂直钻井；液压系统；脉宽调制；占空比

）中图分类号：ＴＨ１３７．９　　　文章编号：１００４—１３２Ｘ（２０１１２３—２８４９—０４

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰＷＭ　ＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭｉｃｒｏＨｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍ　　　　　　　ｙｙ

ＨａｎＪｉａｗｅｉｉｕＢａｉａｎ　ＭｏＷｅｎｆｅｎ　　Ｌ　　ｙｇ

，，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＷｕｈａｎ４３００８１　　　　ｙｇｙ　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｍｉｃｒｏｈｄｒａｕｌｉｃｓｓｔｅｍ　ｗａｓｕｓｅｄｉｎａｎｏｉｌａｕｔｏｍａｔｉｃｖｅｒｔｉｃａｌｏｗｅｒ　　　　　　　　　　　　　ｙｙｐ，ｔｏｏｌｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｄｕｓｔｍｅｎｔｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｃｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｒｉｌｌｄｒｉｌｌｉｎ　　　　　　　　　　　　　ｊｇ　－

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，，ｃｃｌｅｄｕｔｃｃｌｅａｎｄｔｈｅｂｅｉｎｎｉｎａｎｄｅｎｄｉｎｔｉｍｅｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ　　　　　　　　　　　ｙｙｙｇｇｇ　　　

ｅｘｅｃｕｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ’ｓｏｕｔｕｔｆｏｒｃｅｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｅｕｓｉｎａｔｗｏ－ｗａｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂ　　　　　　　　　　　ｐｇｇｙｙ　　ｓｏｆｔｗａｒｅＡＭＥＳｉｍ，ｔｈｅｎａｎｅｘｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃｏｍｌｅｔｅｄｔｏｖｅｒｉｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅ．　　　　　　　　　ｐｐｙｇｙ　

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０　引言

本文所讨论的微型液压动力系统是一种组装在用于石油勘探的自动垂直钻具上的液压动力单元。该动力单元集成了单柱塞泵、电磁阀、纠斜液油箱等液压系统的基本要件。在自动垂直压缸、

钻具的近钻头处径向均布了三组这种高度集成的液压动力单元，以起到控制钻头走向、保证井眼垂

１－２］。直的作用［

型液压动力系统输出的纠斜力的连续控制。

对电磁阀进行ＰＷＭ控制时，电磁阀的阀口并且与计算机之一直工作在全开或全闭的状态，

／因而抗污染能力和抗干扰间接口无需ＤＡ转换，国内大多是采用进口的高速电能力很强。目前，

磁开关阀对流量连续的液压系统进行位置或速度

３－４］

，的ＰＷＭ控制［而本文则试图采用普通的电磁

换向阀对一种具有较小容积、流量，且流量不连续的微型液压动力系统进行输出力的脉宽调制控制。

由于井下工作环境恶劣，使得液压动力单元这上使用的控制阀只能是开关式的电磁换向阀，就导致由三组径向均布的液压动力单元产生的作

１］

。用于井壁的纠斜合力的方向最多只能有６个［

１　微型液压动力系统工作原理

自动垂直钻具上所用的微型液压动力系统的组成结构如图１所示。液压系统的工作原理如若电磁阀通电，在偏心轴承的回程阶段，柱塞下：

泵通过吸油单向阀从油箱吸油；在偏心轴承的推吸油单向阀关闭，液压油通过压油单向阀程阶段，

进入纠斜液压缸的无杆腔。当柱塞泵的出口压力达到溢流阀的设定压力时，压油单向阀不再开启，液压油直接通过溢流阀流回油箱。若电磁阀断则液压油依次经过压油单向阀、电磁阀流回油电，

·２８４９·

虽然这样也能起到纠斜的作用，但如果能够在井眼的任意方向上都进行准确的纠斜控制，就可以极大地提高纠斜的速度，进一步改善纠斜的效果，这就要求对液压动力单元产生的纠斜力进行连续控制。而对现有的液压动力单元上的电磁换向阀进行脉宽调制（控制就有可能实现对该微ＰＷＭ）

收稿日期：２０１０—１２—２３

）；基金项目：国家自然科学基金资助项目（国家高技术５０５７４０７０）资助项目（研究发展计划（８６３计划）２００６ＡＡ０６Ａ１０２

箱，液压缸无压力。电磁阀的通电或断电由井下单片机控制系统根据实测的井斜角和井斜相对方

５］

。位角来决定，电磁阀的驱动电源由电池提供［

学特性。通电时的电磁阀阀芯动力学方程可以表示为

ｍ

２　

ｃ＝Ｆｍ－Ｆｐ－Ｆｙ　　阀口未关闭２＋ｄｔｄｔ）１（

由于油液的流动有一定的惯性，因此对图１所示的液压系统中的两位两通电磁换向阀实施就有可能对纠斜液压缸无杆腔中的ＰＷＭ控制，

压力进行一定程度的连续控制，进而实现对液压缸输出的推力（即纠斜力）进行相应的连续控制

。

阀口关闭；式中，含阀芯、顶杆、衔铁等）ｍ为等效运动质量（ｘ为阀

Ｆｐ＋Ｆ０＝Ｆｍ

芯位移；ｃ为等效粘性摩擦因数；Ｆｍ为电磁力；Ｆｐ为阀芯所受液压力；Ｆｙ为稳态液动力；Ｆ０为阀座对阀芯的支撑反力。

）表明，式（阀芯的运动分为两个阶段：１①阀芯向阀口运动阶段，此阶段主要是电磁力克服阀芯的惯性力、摩擦力以及Ｆｐ、Ｆｙ而驱动阀芯运动；此阶段液压力Ｆｐ逐渐增加到溢②阀芯静止阶段，

流阀调定压力的对应值。而在这两个阶段当中，关键的因素是电磁力Ｆｍ的特性，如果Ｆｍ不能足够快地达到额定值，就会导致阀口不能迅速、可靠而使得液压力Ｆｐ大幅波动。地关闭，

油箱　２．溢流阀　３．吸油单向阀　４．偏心轴承　５．柱塞泵１．

压油单向阀　７．电磁阀　８．纠斜液压缸　９．导向块６．

由于电磁阀的磁隙和阀芯的开口量均很小，因此电磁阀产生的电磁力可以看成是线圈驱动电即电磁阀的动态特性主要是由线流的线性函数，

圈的动力学特性所决定的，而线圈的等效电路模型为

（））＝Ｒ）ｕ（ｔｉ（ｔ＋Ｌ

ｄｔ

圈及电路电阻之和；Ｌ为线圈等效电感。

（）２

图１　微型液压动力系统原理图

为了适应井下狭小的工作空间，液压动力单元上的所有液压阀均为插装式结构，且结构尺寸如其中的两位两通电磁换向阀的阀口只非常小，

有０而液压泵所提供的平均流量不．１ｍｍ左右，／，足０并且是不连续的。因此，对这种流．５Ｌｍｉｎ量微小又不连续的液压系统进行输出力的ＰＷＭ控制是有一定难度的。

）为直流驱动电压；（）为线圈中的电流；式中，ｕ（ｔｉｔＲ为线

图３所示为测试得到的电磁阀在额定电压作该曲线与一阶惯性环节用下的电磁力输出曲线，

的阶跃响应曲线十分相似，因此，电磁阀输出的电磁力与驱动电压之间的动力学特性可用惯性环节

６］

。近似来表示［

２　系统输出力的ＰＷＭ控制策略

２．１　电磁阀工作特性分析

本系统所使用的电磁换向阀为两位两通常开型，其结构如图２所示。若线圈得电，则顶杆在衔铁产生的电磁力的作用下向右运动，推动钢球封阻止液压油通过；若线圈失电，则衔铁电住阀口，

磁力消失，顶杆和钢球在液压力的作用下复位

。

图３　电磁阀输出的电磁力响应曲线

２．２　纠斜力的ＰＷＭ控制

衔铁　２．线圈　３．极靴　４．阀体　５．顶杆　６．钢球阀芯１．

首先分析一般情况下的电磁阀的ＰＷＭ控制原理。设Ｔ为脉宽信号周期，此Ｔ０为通电时间（，时电磁阀的阀口关闭）则Ｔ－Ｔ０为断电时间（此，／时电磁阀的阀口开启）定义τ＝Ｔ０Ｔ为脉宽信７］

。电磁阀在脉宽信号的控制下作不停号占空比［

的开关动作。在一个脉宽信号周期内，通过电磁阀的流量可表示为

图２　电磁阀结构图

由图１可知，只有在电磁阀线圈通电、阀口关闭的状态下，纠斜液压缸才能建立起纠斜压力；而当电磁阀线圈断电时，其阀口会在液压力的作用下迅速开启。因此，对电磁阀实施脉宽调制控制的效果主要取决于该电磁阀在通电状态下的动力·２８５０·

——韩家威　刘白雁　莫文锋微型液压动力系统的ＰＷＭ控制研究—

Ｔ０≤ｔ＜Ｔ

式中，!ｐ为电Ｃｄ为等效流量系数；Ａ为电磁阀阀口面积；磁阀阀口压降；ρ为液压油密度。

）＝Ｑ（ｔ

｛

０　　　　　　　　　０≤ｔ＜Ｔ０ＣｄＡΔｐρ

（）３

（）的０共０停止ＰＷＭ控制，并保持电磁阀．５ｓ．７ｓ通电，如此循环往复。先给电磁阀通电至纠斜液再施加Ｐ

ＷＭ控制信号，压缸建立起稳定的压力，得到图５所示的仿真曲线。

）中因断电而通过电磁阀的液压油来自式（３如果泵的流量足够大，就可以于柱塞泵和纠斜缸，

通过调节占空比τ来控制通过电磁阀的流量，进此时有而控制阀口压降，

）２（Δｐ＝２

（２ＣｄＡ）

（）４

由于Δｐ为纠斜缸的控制压力ｐｃ与外部环境压力ｐ因此，可以实现对纠斜力的连续控０之差，制。但对于单柱塞泵供油的微型液压动力系统（），图１如果将钻杆旋转一周视为液压系统的一则对电磁阀的ＰＷＭ控制只能在柱个工作周期，

塞被偏心轴承顶回，液压泵有流量输出的半个周期内进行。因为在柱塞由复位弹簧顶出的伸出阶液压泵无流量输出，此时若电磁阀断电，则阀段，

口通过的液压油将全部来自纠斜缸，从而将导致纠斜缸的油液压力迅速降至外部环境压力，也就无法输出稳定的纠斜力。

这种非连续的ＰＷＭ控制是本系统的一个特点，它涉及如何调整占空比和确定ＰＷＭ控制的启动与结束时间。

（）ｂ７τ＝０．图５　ＰＷＭ仿真曲线

（

）ａ８τ＝０．

、图５图５ａｂ的信号占空比分别为０．８和，脉宽信号的周期均为０系统所产生的纠０．７，．２ｓ

这斜力则从８．５ｋＮ分别降为７ｋＮ和６ｋＮ左右，说明通过调节脉宽信号的占空比，可以实现一定范围内的纠斜力的连续调节。

３　系统ＡＭＥＳｉｍ建模分析

采用系统工程高级建模和仿真平台ＡＭＥＳ

－

ｉｍ软件建立的系统仿真模型如图４所示。

４　实验分析

在纠斜集成块实验台上进行实验验证，使用／变频器保持电机转速恒定在６以保证准０ｒｍｉｎ，确的脉宽调制控制时间点和循环周期。采用西门）编制脉宽信号程序来控制电磁子ＰＬＣ（Ｓ７－２００阀，当电磁阀通电３再加入ＰＷＭ信号，其０ｓ后，脉宽信号周期与仿真设置相同。由实测的纠斜缸推力传感器的数据得到图６所示的实验曲线，其对应的脉宽信号占空比分别为０．８、０．７和０．６。可见其与图５对应的曲线基本一致，输出的纠斜力的范围分别为７ｋＮ、６ｋＮ和５ｋＮ左右。

５　结束语

图４　液压系统的ＰＷＭ仿真模型

本文对自动垂直钻具中液压执行机构的研究表明，所提ＰＷＭ控制机理进行了分析研究，

出的不连续ＰＷＭ控制方法可行有效，即通过合、理确定电磁阀的ＰＷＭ信号周期（或开关频率）占空比及ＰＷＭ控制，可在一定范围内实现执行机构纠斜力的连续控制。

·２８５１·

仿真模型中的电磁阀、溢流阀和单向阀均为被封装之后的超级元件。设定电机转速为／，则偏心轴承旋转一周所用时间为１推６０ｒｍｉｎ，ｓ

。在推程的前０程和回程各占０．５ｓ．３ｓ对电磁阀进行ＰＷＭ控制，而推程的后０．２ｓ以及回程阶段

中国机械工程第２２卷第２３期２０１１年１２月上半月（上接第２８４８页）

（）复杂产品开发资源分配涉及技术、管理、３

偶然因素等多方面的问题，单纯依赖计算机系统自动分配基础上的人为很难得到最理想的结果，调整是不可替代的。

（）ａ８τ＝０．

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（编辑　何成根）

作者简介：韩家威，男，１９８７年生。武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生。研究方向为机电液检测与控制。刘白雁，男，博士研究生导１９５７年生。武汉科技大学机械自动化学院教授、男，师。莫文锋，１９７９年生。武汉科技大学机械自动化学院硕士研究生。

［］，，６　Ｃｏｈｅｎ　ＩＧｏｌａｎＢ，Ｓｈｔｕｂ　Ａ．ＭａｎａｉｎＳｔｏｃｈａｓｔｉｃｙｇｇ　　

，ＭＦｉｎｉｔｅ　Ｃａａｃｉｔｕｌｔｉ－ｐｒｏｅｃｔ　Ｓｓｔｅｍｓ　ｔｈｒｏｕｈｐｙｊｙｇ　Ｃｒｏｓｓ－ＥｎｔｒｏＭｅｔｈｏｄｏｌｏＪ］．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆｔｈｅ　ｐｙｇｙ［，（）：Ｏｅｒａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ２００５，１３４１１８３－１９９．ｐ［］７　Ａｎａｖｉ－Ｉｓａｋｏｗ　Ｓ，ＧｏｌａｎＢ．ＭａｎａｉｎＭｕｌｔｉ－ｐｒｏ　　ｙｇｇ－

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：ｕｃｔ　ＤｅｖｅｌｏｍｅｎｔＡ　Ｓｔｕｄｏｆ　Ｐｒｏｅｃｔ　Ｃａａｃｉｔａｎｄｐｙ　ｊｐｙ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｐｌａｎｎｉｎｉｎ　ａｎ　Ａｅｒｏｓａｃｅ　Ｅｎｔｅｒｒｉｓｅ　ｇｐｐ［，Ｄ］．ＣａｍｂｒｉｄｅＭＡ：Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ　ｏｆｇ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏ２００３．ｇｙ

（编辑　何成根）

作者简介：孙清超，男，１９７９年生。大连理工大学机械工程学院讲师、博士。主要研究方向为数字化设计与管理、低碳制造。发表论文１男，０余篇。孙　伟，１９６７年生。大连理工大学机械工程学院教授。郭　钢，男，１９６０年生。重庆大学机械工程学院教授。

·２８５２·

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w5u4.html