一种智能泵及智能泵的自抗扰控制方法
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，更具体的说是涉及一种智能泵及智能泵 的自抗扰控制方法。
背景技术
传统的液压作动系统一般采用中央恒压液压泵源供油，泵源系统多余的 流量溢流产生的热量会使油液温度上升，如果散热不良会加速介质老化。于 是提出了智能泵，智能泵能够根据负载(液压缸，液压马达)的需求来调节 泵输出流量和出口压力，达到节能减排的目的。
智能泵的控制最终都要归结到泵输出流量的控制。泵输出流量的改变主 要有三种方式：定转速变排量，变转速定排量，变转速变排量。而变排量泵 的方案需要泵有变量机构，这会带来结构上的复杂性以及成本增高。因此变 转速定排量的方案具有很好的前景。而转速的控制效果在很大程度上决定了 整个系统的控制效果。现有的技术方案一般是基于偏差的PID控制方法。
由于使用伺服电机驱动液压泵，伺服电机的转速控制也就成为了变转速 定排量液压泵源的核心，而伺服电机的控制会受到泵出口压力的影响，即泵 中液压油对柱塞的作用力(压力)会通过柱塞，斜盘等机构传递至泵的转轴 上，形成负载扭矩。如果泵出口压力变化很大，但是又要控制好液压泵的转 速，这将会给控制带来很大难度。
而传统的基于误差的反馈控制，如常规的PID控制存在问题，如快速性 和超调之间的矛盾，在负载扰动变化较大的情况下很难保证良好的控制效果。 针对变化的扰动抑制效果也不佳。针对此，人们又采用了各种智能控制方法， 如变参数PID，鲁棒控制，自适应控制，变结构控制等各种方法。
因此如何提供一种能够主动估计扰动并及时补偿，能够适应负载快变工 况的智能泵及智能泵自抗扰控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种智能泵及智能泵自抗扰控制方法，能够根 据负载的实际需要控制泵出口压力以及泵的输出流量，能够降低溢流损失， 减少油液发热；解决了压力控制快速性和超调的矛盾；在负载快变的情况下 也能保证控制性能；解决了优良的控制效果和精确的数学模型之间的矛盾。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能泵，包括：定量柱塞液压泵、交流永磁同步电机、电机驱动器、 STM32主控板、低压蓄能器、单向阀、压力传感器、高压蓄能器和执行元件； 所述定量柱塞液压泵和所述交流永磁同步电机之间通过联轴器相连；所述定 量柱塞液压泵的高压出口通过单向阀和高压蓄能器相连；所述高压蓄能器的 端口同时与所述执行元件连接；所述低压蓄能器充有一定压力的气体，防止 液压泵吸空，并有一定油液补偿液压系统外泄漏；所述压力传感器对所述高 压蓄能器的出口压力进行检测，将压力转换为对应的电压信号输出给所述STM32主控板上的AD端口；STM32主控板采集所述定量柱塞液压泵壳体温 度、高压出口、回油口温度上传到上位机，用于检测智能泵是否处于安全状 态，如果温度过高需要停止工作。电机驱动器根据编码器的信号得到电机的 转速，同时对电机三相电流进行控制。
优选的，在上述的一种智能泵中，还包括安全阀；所述安全阀与所述定 量柱塞液压泵并联。
优选的，在上述的一种智能泵中还包括压力表；所述压力表与所述高压 蓄能器连接。
一种智能泵的自抗扰控制方法，具体步骤包括：
步骤一：STM32主控板采集压力传感器的值，通过CANOpen总线从电机驱 动器读取当前转速值，通过CAN总线读取上位机传递的期望压力；
步骤二：利用期望压力和高压出口压力进行压力环的误差计算，第一扩张状 态观测器计算得到负载流量的值；
步骤三：第二扩张状态观测器根据期望转矩和交流永磁同步电机当前转速估 计出负载力矩，将负载力矩与转速偏差对应的力矩之和作为目标转矩值；
步骤四：将目标转矩值转化为对应的交轴电流值；将目标交轴电流值通过CANOpen总线发送给电机驱动器，电机驱动器完成交轴电流控制。
优选的，在上述的一种智能泵的自抗扰控制方法中，所述步骤二中，具 体的步骤包括：
定量柱塞液压泵输出流量平衡方程：
式中，QL为定量柱塞液压泵的输出流量；n为交流永磁同步电机转速；q 为定量柱塞液压泵的排量，Ce1为定量柱塞液压泵的泄漏系数；V1为定量柱塞 液压泵高压出口到负载间管路的容积；βe为油液的体积弹性模量；p1为高压 出口压力；
通过交流永磁同步电机转速n，高压出口压力p1，以及油液的弹性模量βe以及高压出口到负载间管路的容积V1，使用第一扩张状态观测器ESO估计出 负载流量；
将负载流量对应的交流永磁同步电机转速和压力偏差对应的转速控制量 作为交流永磁同步电机目标转速给速度环。
优选的，在上述的一种智能泵的自抗扰控制方法中，扩张状态观测器ESO 具体步骤如下：
第一扩张状态观测器离散算法为：
其中，h为系统的采样周期，z1是状态变量p1的估计值，z2是负载流量与泄漏 流量之和的估计值；β1和β2为系统的可调参数；
泵出口压力非线性状态反馈及负载流量补偿：
fal(e,0.5,h)的含义如下：
优选的，在上述的一种智能泵的自抗扰控制方法中，所述步骤三中，具 体的步骤包括：
电机电磁转矩平衡方程为：
式中，Te为电磁转矩，Jp和Jm分别为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机转 子的转动惯量，ω为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机的转速，Bp和Bm分别 为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机的粘性阻尼系数，p1为高压出口压力， Tf为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机上的摩擦力矩之和；
将电机电磁转矩平衡方程写成状态方程形式如下：
通过交流永磁同步电机的电流，码盘测量到的PMSM转速，以及定量柱塞液 压泵的转动惯量和交流永磁同步电机的转动惯量使用第二扩张状态观测器 ESO估计出负载力矩。
优选的，在上述的一种智能泵的自抗扰控制方法中，第二扩张状态观测 器ESO具体步骤如下：
第二扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)离散算法为：
其中，h为系统的采样周期，z1是状态变量ωp的估计值，z2是总扰动的估计值； β1和β2为系统的可调参数；
电机转速非线性状态反馈及负载力矩补偿：
fal(e,0.5,h)的含义如下：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种智 能泵及智能泵自抗扰控制方法，能够根据负载的实际需要控制泵出口压力以 及泵的输出流量，能够降低溢流损失，减少油液发热；解决了压力控制快速 性和超调的矛盾；在负载快变的情况下也能保证控制性能；解决了优良的控 制效果和精确的数学模型之间的矛盾。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的系统原理图；
图2附图为本发明的结构示意图；
图3附图为本发明的系统控制器结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种智能泵及智能泵自抗扰控制方法，能够根据负 载的实际需要控制泵出口压力以及泵的输出流量，能够降低溢流损失，减少 油液发热；解决了压力控制快速性和超调的矛盾；在负载快变的情况下也能 保证控制性能；解决了优良的控制效果和精确的数学模型之间的矛盾。
如图1所示，智能泵包括定量柱塞液压泵1，交流永磁同步电机2，电机 驱动器3，STM32主控板4，安全阀5，低压蓄能器6(油箱)，单向阀7， 压力表8，压力传感器9，高压蓄能器10，执行元件。
定量柱塞液压泵1和交流永磁同步电机2之间通过联轴器相连。定量柱 塞液压泵1的高压出口通过单向阀7与高压蓄能器10相连。同时，高压蓄能 器10的端口还与执行元件相连。高压蓄能器10能给负载提供瞬时大流量。 因为当负载需要瞬时大流量时，交流永磁同步电机2不可能在极短时间内加 速以驱动定量柱塞液压泵1输出大流量。单向阀7是为了在负载只需要极小 流量的时候直接由蓄能器10供应，而定量柱塞液压泵1可以处在停止状态。 安全阀5是为了防止电机失控时造成系统中电机驱动器、液压泵以及油管等 元器件损坏。压力表8为了系统测试方便以及使用时能够更方便观察系统状 态。
压力传感器9完成高压蓄能器10高压出口压力的检测，将其转换为对应 的电压信号输出给STM32主控板4上的AD端口。
如图2所示，是智能泵系统结构图。交流永磁同步电机2带有编码器。 电流控制由电机驱动器3完成，电流传感器在电机驱动器3中。电机驱动器3 和STM32主控板4通过CANOpen协议通信，主要完成接收电流指令以及发 送当前转速。STM32主控板4完成压力控制和转速控制。STM32主控板4还 需采集液压泵壳体温度和出口及回油口温度。
STM32主控板4实现的功能包括：(1)将液压泵的压力、温度、转速通 过CAN总线传输给上位机；(2)计算电机的期望电流，并通过CANOpen 总线将电流指令发送给电机驱动器3。
如图3所示，是智能泵系统的控制器结构图，
从电机驱动器读到的电机转速结合压力传感器测得的高压出口的压力估 计出负载流量，根据负载流量对应的转速和压力偏差对应的转速得到期望转 速传递给转速控制器，转速控制器根据期望转矩和交流永磁同步电机当前转 速估计出负载力矩，将负载力矩对应的电流值和转速偏差对应的电流值之和 作为指令电流通过CANopen总线发送给电机驱动器。
采用三环串级控制，分别为压力环，速度环，电流环。压力环和速度环 采用自抗扰控制，电流环在电机驱动器中完成闭环。
1)压力环
式中，QL为定量柱塞液压泵的输出流量；n为交流永磁同步电机转速；Ce1为定量柱塞液压泵的泄漏系数；V1为定量柱塞液压泵高压出口到负载间管路的 容积；βe为油液的体积弹性模量；p1为高压出口压力；
可见，压力环的扰动是负载流量、泄漏流量及建模不准确导致的附加流 量。通过交流永磁同步电机转速n，高压出口压力p1，以及油液的弹性模量βe以及高压出口到负载间管路的容积V1，使用第一扩张状态观测器ESO估计出 负载流量；然后将负载流量对应的电机转速再加上压力偏差对应的电机转速 控制量作为电机目标转速给速度环。具体实施如下：
第一扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)离散算法为：
其中，h为系统的采样周期(对离散系统来说也是积分步长)，z1是状态 变量p1的估计值，z2是总扰动(负载流量与泄漏流量之和)的估计值。β1和β2为系统的可调参数，其能决定ESO的快速性，精确性以及对噪声的敏感程度。
然后通过在前馈通道中进行补偿，即将总损失流量(负载流量加泄漏流 量之和)对应的泵转速作为转速环指令的一部分。从(2)式可看出，动态补 偿线性化之后，转速到泵出口压力之间的传递函数为一个积分环节，采用非 线性比例控制即可取得很好效果。
泵出口压力非线性状态反馈及负载流量补偿：
fal(e,0.5,h)的含义如下：
2)转速环
电机电磁转矩平衡方程为：
式中，Te为电磁转矩，Jp和Jm分别为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电 机转子的转动惯量，ω为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机的转速，Bp和Bm分别为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机的粘性阻尼系数，p1为高压出口 压力，q为定量柱塞液压泵的排量，Tf为定量柱塞液压泵和交流永磁同步电机 上的摩擦力矩之和；
速度环采用自抗扰控制实现，下面介绍速度环的自抗扰控制器设计。对 式(6)进行重写，得
写成状态方程形式如下：
速度环的扰动是电机轴、泵轴上的摩擦力矩，油液压力传导至泵轴上 而产生的负载力矩。系统的总扰动为f＝f1(ωp,t)+w(t)。
通过交流永磁同步电机的电流，编码器测量到的PMSM转速，以及定 量柱塞液压泵的转动惯量和交流永磁同步电机的转动惯量使用第二扩张状 态观测器可估计出负载力矩。第二扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)离散算法为：
其中，h为系统的采样周期(对离散系统来说也是积分步长)，z1是状态 变量ωp的估计值，z2是总扰动的估计值。β1和β2为系统的可调参数，其能决 定ESO的快速性，精确性以及对噪声的敏感程度。
然后通过在前馈通道中进行补偿(即将负载力矩对应的电流值加在电机 的指令电流上)。从(8)式可看出，动态补偿线性化之后，电流到转速之间 的传递函数为一个积分环节，采用非线性比例控制即可取得很好效果。
电机转速非线性状态反馈及负载力矩补偿：
fal(e,0.5,h)的含义如下：
3)电流环(力矩环)
电流环采用直轴电流为零的控制，可直接在电机驱动器中实现。一般的电 机驱动器考虑了直轴交轴之间的耦合以及反电势前馈补偿，然后只使用PI控 制即可取得很好的电流跟踪效果。
整个系统具体工作过程如下：
STM32单片机首先采集压力传感器的值，通过CANOpen总线从电机驱动 器读取当前电机转速值，通过CAN总线读取上位机的发过来的期望压力。同 时还需要采集液压泵壳体温度、出口及回油口的油液温度。
然后进行压力环的误差计算，ESO计算。根据式(3)计算，得到总扰动 的值。根据式(4)计算得到转速环的目标转速。
接下来完成转速环的计算。根据式(9)计算，得到总扰动的值。根据式 (10)计算目标力矩值。由于驱动器一般支持电流模式，需要将目标转矩值 转化为对应的交轴电流值。
将目标交轴电流值通过CANOpen总线发送给电机驱动器，电机驱动器完 成交轴电流控制。
将定量柱塞液压泵的压力、温度、转速通过CAN总线传输给上位机。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
