Новое поколение интеллектуальных электромеханических приводов для гидрораспределителей

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.

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.

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.

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.

Рис. 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.