Распечатать

Гидравлика & Пневматика

Новое поколение интеллектуальных электромеханических приводов для гидрораспределителей

21.12.2018

Современные гидравлические системы мобильных машин требуют компонентов с новыми структурами управления, совместимыми с электронными сетями будущего. Новое поколение электромеханических приводов (далее ЭП) фирмы Sonceboz для комплектации гидрораспределителей имеет значительные преимущества по сравнению с применяемыми в настоящее время пропорциональными электромагнитами с точки зрения функциональности и готовности к выполнению бортовых диагностических требований. Возможность работы в сети с децентрализованным интеллектом полностью отвечает требованиям, предъявляемым к перспективным высокосвязным системам.

В качестве альтернативы гидрораспределители могут управляться от ЭП мод. S40. Источник: SONCEBOZ SA Рис. 1

Традиционно в гидроприводах сельскохозяйственных и строительных машин ключевыми компонентами являются распределители с электроуправлением от пропорциональных электромагнитов. В этих аппаратах требуется масло низкого давления и электромагниты пилотной ступени, изменяющие давление в торцовых камерах золотника. Недостатки таких решений — низкая точность управления в разомкнутых системах, зависимость величины гистерезиса от параметров рабочей жидкости (давления, качества очистки, температуры и др.), необходимость в каналах и трубопроводах низкого давления. Для небольших потоков и давлений золотник можно напрямую перемещать двумя электромагнитами, однако и здесь высокую точность можно обеспечить только путем использования дополнительных позиционных датчиков.

В качестве альтернативы гидрораспределители могут управляться от ЭП мод. S40 (рис. 1). В этом случае не требуется никакого потока управления, что обеспечивает лучшую управляемость, надежность и даже снижает сложность. Интегрированная электроника обеспечивает интеллектуальное управление приводом и интеграцию обработки сигнала датчика. К основным преимуществам относятся также повышенная плотность мощности, улучшенная архитектура управления и расширение возможностей прогностического обслуживания. Эти приводы основаны на электрическом шаговом двигателе с интегрированной электроникой и управлением от CAN шины.

Интеллектуальный привод обеспечивает достаточное усилие для непосредственного перемещения основного золотника, а электрическая система управления — надежность и точность независимо от масляного контура; при этом сокращается расход рабочей жидкости и исключаются отверстия для пилотных линий. Как видно из рис. 2, прочный и виброустойчивый трехфазный шаговый электродвигатель (ШД) через двухступенчатый понижающий редуктор и реечную передачу преобразует вращательное движение в линейное движение золотника, контролируемое абсолютным позиционным датчиком.

Шаговый  электродвигатель через двухступенчатый понижающий редуктор и реечную передачу преобразует вращательное движение в линейное движение золотника, контролируемое абсолютным позиционным датчиком. Источник: SONCEBOZ SA

Рис. 2

ШД и встроенная электроника заключены в герметичный алюминиевый литой корпус с классом защиты IP6K9K и, следовательно, могут выдерживать самые жесткие условия окружающей среды. Система векторного управления контроллером с тактовой частотой 20 кГц расширяет управляемость шаговым электродвигателем, причем сохраняются его типичные свойства: точное позиционирование, высокий крутящий и удерживающий моменты, а также умеренная остаточная сила. Система приближается к заданной координате точно с линейным разрешением 7 мкм и без перерегулирования. В версии 12 В может быть достигнута скорость перемещения золотника до 80 мм/с, а в версии 24 В — до 100 мм/с, поэтому вместе с рампами ускорения, время отработки шага от 0 до 7 мм составляет лишь 100…110 мс.

Концепция программного обеспечения с настраиваемой структурой параметров обеспечивает максимальную гибкость при задании любых законов движения. Вместе с обнаружением мертвой зоны и запоминанием перекрытия кромок золотника становится возможной коррекция характеристик гидрораспределителя без механической адаптации формы золотника, а, следовательно, — компенсация механических допусков и связанных с износом неточностей на протяжении всего срока эксплуатации.

ЭП чрезвычайно компактен и требует того же места для установки, что и традиционные версии. Виброустойчивая панель управления в качестве стандартного интерфейса имеет протокол шины CAN J1939; дополнительно могут поставляться другие протоколы и аналоговые интерфейсы. Интеллектуальная оценка различных данных двигателя без использования датчиков обеспечивает надежное и точное управление гидрораспределителем, причем сведения о любом нарушении, вызванном внешними воздействиями (например, заклинивании золотника) поступают в электронный блок управления приводом; онлайн-диагностику позволяют проводить дополнительные температурные датчики. Таким образом, ЭП может реагировать на изменение вязкости гидравлической жидкости при низких температурах, обеспечивая надежное и точное управление при температуре окружающей среды до -40 °С.

Краткое изложение преимуществ ЭП по сравнению с пропорциональными электромагнитами приведено в таблице.

Установочное пространство

Отсутствуют дополнительные отверстия управления в корпусе

Не требуется источник давления управления

Сохранена модульная структура золотниковой секции
Управляемость

Нет влияния свойств масла

Гибкие характеристики гидрораспределителя

Компенсация мертвой зоны

Компенсация гистерезиса

Поиск нуля

Упрощена реализация безопасности
Эффективность

Эффективная работа

Мощность по требованию

ЭП мод. S40 (заявка на патент) — результат более, чем двухлетних обширных НИОКР фирмы Sonceboz. Основой нового привода является запатентованная инновационная трехфазная бесщеточная система постоянного тока (BLDC), позволившая повысить плотность мощности более чем на 50% по сравнению с его нынешним аналогом. Кроме того, толщина привода уменьшена на 2 мм и позволяет вписаться в габарит менее 40 мм, что очень важно для секционных гидрораспределителей. Это стало возможным благодаря специальной конструкции моторной бобины, где все три фазы двигателя расположены на 120-градусном секторе, что позволило установить шестерню очень близко к двигателю. Полностью переработанная электронная архитектура минимизировала размеры печатной платы (PCBA), а также исключила провода и разъемы внутри устройства.

Поскольку положение ротора контролируется абсолютным позиционным датчиком, удалось обеспечить надежное точное позиционирование. Управление двигателем осуществляется путем постоянного контроля положения ротора и регулировки фазного тока в соответствии со смещением между целевым положением и измеренным через контроллер, что позволяет снизить тепловое напряжение и кратковременно увеличить мощность для преодоления возможных пиков нагрузки. С целью 20 %-го повышения допустимой температуры окружающей среды тщательно подобраны материалы и процессы сборки.

Новая архитектура управления использует датчики положения Холла, которые полностью интегрированы в привод и постоянно контролируют положение ротора и золотника. Новая методология управления показана на рис. 3. Здесь угловая ошибка непосредственно влияет на управляющие параметры контроллера положения PID.

Поскольку измерение смещения текущего и целевого положения позволяет адаптировать динамические параметры PID-регуляторов, улучшаются управляющие характеристики и динамическое поведение привода. Желаемое положение угловой мишени, пропорциональное положению джойстика, сначала обрабатывается генератором кривых, причем ракурс ускорения может быть параметризован для конкретного случая применения и граничных условий системы. Выходной сигнал позиционного контроллера представляет собой целевой фазовый ток для каждой фазы; фактический ток фазы измеряется электроникой и выполняет роль обратной связи. Контроллер тока преобразует ток в заданное фазное напряжение. Новая структура управления упрощает бортовую диагностику.

Переходный процесс ЭП S40 (12 В) при нагрузке 300 Н, из которого    Рис. 4 следует, что для перемещения золотника на 7 мм требуется 84 мс. Источник: SONCEBOZ SAРис. 4

На рис. 4 показан переходный процесс ЭП S40 (12 В) при нагрузке 300 Н, из которого следует, что для перемещения золотника на 7 мм требуется 84 мс. По сравнению с предыдущим поколением время уменьшается на 11%, а максимальное усилие возрастает на 66% при одновременном уменьшении толщины привода на 5%. На основании экспериментов можно сделать вывод о том, что при максимальной нагрузке 400 Н ЭП S40 способен переключать гидрораспределители, рассчитанные на расходы до 250 л/мин при рабочем давлении 200 бар, а при давлении 400 бар расход может достигать 125 л/мин.

Как показали исследования, при работе гидрораспределителей мобильных машин имеют место четыре основных вида сбоев. Во-первых, из-за наличия загрязнений возможно заклинивание золотника. В предыдущих версиях эта неисправность косвенно диагностировалась по пикам тока/напряжения. В S40 наличие датчика абсолютного положения существенно уменьшает сложность обработки данных. Во-вторых, износ рабочих кромок золотника в течение всего срока службы значительно ухудшает характеристики распределителя. Определение этого дефекта было возможно только с дополнительными датчиками (давления, положения штока цилиндра и т. д.), на которые может оказывать влияние, например, температура окружающей среды. S40 может обмениваться своими данными с центральным диагностическим блоком.

В-третьих, сила трения будет меняться в течение жизненного цикла. Это изменение является медленным процессом по времени и может отрицательно влиять на характеристики гидрораспределителей. В S40 точность может быть улучшена путем интеграции фильтров и алгоритмов с использованием дополнительных сигналов датчиков температуры. В-четвертых, силовые характеристики пружин меняются в процессе эксплуатации из-за усталости. Периодическое проведение тестового цикла с сохранением данных в памяти может выявить момент выдачи сигнала неисправности в электронную систему управления. Эти функции упрощают интеграцию S40 в существующие или недавно разработанные структуры мобильных компьютеров.

Встроенная электроника S40 позволяет децентрализовать архитектуру системы. Это означает, что в центральную систему управления передаются только данные, которые влияют на верхний уровень, а внутренние данные (например, управление двигателем) обрабатываются локально. Специальный диагностический алгоритм контролирует состояние ЭП во время работы и/или проводит регулярные испытания до или после работы, причем аварийный сигнал вырабатывается только при наличии комбинации неприемлемых параметров. Скорость связи по шине CANbus может быть 250, 500 или 1000 Кбит/с; разрешение команды (8 или 16 бит) можно адаптировать к конкретному случаю применения. Наличие сохраненных данных о работоспособности ЭП позволяет постоянно контролировать его работу с целью определения надежности и необходимости введения конструктивных усовершенствований, как в процессе отладки опытных образцов, так и при эксплуатации серийно выпускаемой продукции.

В заключение можно отметить, что ЭП S40 является идеальным приводом для гидрораспределителей сельскохозяйственных и строительных машин, соответствующих концепции Industry 4.0.

Jan Lux, Christophe Habegger, SONCEBOZ SA

Сокращенный перевод с английского
В. К. Свешников, к. т. н., ЭНИМС

Примечание редакции

Настоящая статья посвящена описанию нового поколения чисто цифровых гидрораспределителей с задающими шаговыми электродвигателями. Уже в течение длительного времени подобные разработки ведутся в России (ЭНИМС) не только применительно к гидрораспределителям, но также к различным регулирующим гидроаппаратам (предохранительным и редукционным клапанам, дросселям и регуляторам расхода, дросселирующим гидрораспределителям, в том числе с раздельным регулированием открытия рабочих кромок), механизмам управления насосов, а также комплектным линейным и ротационным электрогидравлическим приводам. Наш журнал неоднократно поднимал вопрос о перспективности такого решения [2…6], и новая публикация является, по нашему мнению, достаточно красноречивым подтверждением актуальности этого направления развития современного гидрооборудования.

Отметим, что в настоящее время SONCEBOZ SA стала использовать вместо шаговых двигателей бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC), полученные от автомобильного отдела компании. Они более эффективны и имеют меньшее тепловыделение, чем шаговые двигатели.

Список литературы

  1. http://publications.rwth-aachen.de/record/726246/files/726246.pdf
  2. Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой распределитель для электрогидравлических приводов // Конструктор. Машиностроитель. 2013. №5. С.30-33.
  3. Иванов Г. М., Свешников В. К., Сазанов И. И. Цифровой линейный электрогидравлический привод // Конструктор. Машиностроитель. 2013. №1. С.42,43.
  4. Свешников В. К. Новые возможности энергосбережения в приводах с дросселирующими гидрораспределителями // Конструктор. Машиностроитель. 2015. №3. С.48, 49.
  5. Иванов Г. М., Свешников В. К. Цифровая гидроавтоматика // Конструктор. Машиностроитель. 2017. № 2. С. 30-35.
  6. Свешников В. К. Усовершенствованные предохранительные клапаны // Конструктор. Машиностроитель. 2018. №1. С. 36-38.
Гидравлика & Пневматика 01.03.2019 Первым интеллектуальным полевым устройством от Schmalz с интерфейсом Ethernet стал компактный терминал SCTMi. Он способен осуществлять связь в режиме реального времени через промышленные Ethernet-стандарты: EtherCat, EtherNet / IP, а также ProfiNet.
Гидравлика & Пневматика 21.02.2019 Новый адаптивный захват DHEF от компании Festo действует как язык хамелеона, настигающий насекомых. Захват способен собирать, комплектовать, складывать предметы разнообразных форм без необходимости ручного управления.
Гидравлика & Пневматика 29.01.2019 Водная гидравлика – относительно небольшая, но важная область гидравлики, учитывая специфические сферы ее применения. Перспективы развития водной гидравлики в России журнал «Конструктор. Машиностроитель» обсудил со специалистами, обладающими большим опытом работы в этом сегменте рынка.
Гидравлика & Пневматика 22.01.2019 Создатели отечественных гидрофицированных машин и оборудования активно ищут гидрокомпоненты с приемлемым соотношением цена-качество-сроки поставки. Реальной альтернативой Европе становится рынок Юго-Восточной Азии (ЮВА) — Китай, Тайвань, Япония. Что же это такое - азиатская гидравлика?
Гидравлика & Пневматика 21.01.2019 Компания SMC представила цилиндры MWB-серии - устройства со стяжными шпильками с блокировкой. Это усовершенствованная конструкция цилиндров серии MNB - с улучшенным удобством обслуживания и разделением конструкций цилиндра и стопора.
Гидравлика & Пневматика 24.12.2018 Компания Schmalz представила универсальную систему держателей вакуумных присосок и захватов для перемещения металлических листов любой формы. Она выполнена из алюминия, обладает легким весом и может использоваться в высокодинамических технологических операциях.
Гидравлика & Пневматика 21.12.2018 Решения на базе шаговых двигателей имеют серьезное преимущество по сравнению с широко используемыми в настоящее время пропорциональными электромагнитами.