CN100564898C - 电液比例流量阀调速控制系统和方法 - Google Patents

电液比例流量阀调速控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的电液比例流量阀调速控制系统和方法通过测量液压执行元件的最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流；利用所述最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流获得液压执行元件的运动速度与阀芯电流之间的对应关系；通过所述对应关系获取系统给定速度所对应的阀芯电流；利用与系统给定速度所对应的阀芯电流直接驱动阀芯电流控制回路。这种前馈速度控制方式大幅度提高了调速控制系统前向通道的响应品质和控制精度，减小了速度反馈通道的调节量，从而达到了提高闭环控制品质的目的。

Description

电液比例流量阀调速控制系统和方法
技术领域
本发明涉及液压系统流量控制技术领域，特别涉及一种电液比例流量阀调速控制系统和方法。
背景技术
电液比例流量阀是一种输出量与输入信号成比例的液压阀。它可以按给定的输入电信号连续地、按比例地控制液流的压力、流量和方向。目前，在利用电液比例流量阀输出流量来控制液压执行元件(包括液压缸、液压马达)动作的过程中，特别是控制液压执行元件的速度方面，大多采用了两种控制系统，一种控制系统是对速度精度要求较低的场合，控制系统采用由PWM调节技术和人为粗略观测等组成的开环调速控制系统。图1为上述开环控制系统示意图。如图1所示，该开环控制系统包括PWM产生装置11、电液比例流量阀12、液压执行元件13，该系统中利用人为视觉观测速度。在控制速度的过程中，因为对控制品质的要求较低，人为视觉观测液压执行元件的速度，由操作者手工调整PWM占空比粗略调整执行机构速度以满足要求。上述开环调速控制系统中，系统控制通道品质较低，液压执行元件的速度需要依赖人工的判断来进行调整，误差较大。
另一种是对速度精度要求较高的场合，控制系统采用由脉宽调制(PWM)调节技术和传感器测量技术等组成的闭环调速控制系统。图2为上述闭环控制系统示意图，如图2所示，该闭环控制系统包括PWM调节装置21、电液比例流量阀22、液压执行元件23和速度测量装置24。根据电液比例流量阀的工作原理，流量与阀芯开口度之间具有特定的关系。而流过电液比例流量阀的阀芯线圈的电流(以下简称阀芯电流)与阀芯开口度之间又具有特定关系，通过所述电流与阀芯开口度的关系，就可以得到流量与电流的关系，而电流与PWM占空比又存在一定的关系，这样就可以导出PWM占空比与流量的关系，因此，在控制液压执行元件速度的过程中，只需由PWM调节装置调整21的PWM占空比就可以得到所需的流量，从而使液压执行元件23产生相应的位移及速度，再由速度检测装置24将检测到的速度与给定速度相比较，形成一个调速闭环控制系统。
由于受电源电压波动和阀芯线圈电阻值分布(单个阀芯线圈电阻值随温度改变而发生变化，不同阀芯线圈电阻值即使在同样温度下也不一致)等因素的影响，在PWM占空比一定时，电液比例流量阀阀芯电流的一致性不佳，最终使比例阀的流量及液压执行元件的速度控制受到干扰。由于上述因素的影响，闭环调速控制系统的前向通道控制品质不高，需要依靠速度反馈通道进行大量的调节来保证执行机构实际速度对给定速度的跟随，根据自动控制基本理论可知，对反馈通道高度依赖并且不采用其他类型的补偿控制方式，必然会影响到控制系统的动态响应品质和静态控制精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电液比例流量阀调速控制系统和方法，能够提高调速控制系统前向控制通道品质，从而无论在速度闭环控制或速度开环控制条件下均可提高控制系统控制的品质。
为解决上述问题，本发明提供了一种电液比例流量阀调速控制系统，包括PWM调节装置、电液比例流量阀和液压执行元件，所述PWM调节装置的PWM信号驱动电液比例流量阀并驱动液压执行元件动作，所述系统还包括速度测量模块、电液比例流量阀特性测量模块和前馈控制模块，所述速度测量模块对所述液压执行元件的速度进行测量并将结果送至所述电液比例流量阀特性测量模块，所述电液比例流量阀特性测量模块对电液比例流量阀的最小动作电流、最大动作电流和液压执行元件的最大速度进行测量，并将测量结果传输至前馈控制模块，所述前馈控制模块利用所述测量结果，生成所述液压执行元件的运动速度与阀芯电流的对应关系，在执行机构速度控制时，所述前馈控制模块直接将与给定速度值对应的阀芯电流值输入到所述PWM调节装置驱动电液比例流量阀工作。
所述速度测量模块将测得的所述液压执行元件的运动速度与系统给定速度进行比较获得速度误差信号。
所述系统还包括电流调节模块，用于对所述速度误差信号进行调整。
所述系统还包括阀芯电流检测装置，所述阀芯电流检测装置与所述电液比例流量阀的阀芯线圈相连，与所述PWM调节装置一起形成阀芯电流反馈控制回路。
相应地，本发明还提供了一种电液比例流量阀调速控制方法，包括：
测量液压执行元件的最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流；
利用所述最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流获得液压执行元件的运动速度与阀芯电流之间的对应关系；
通过所述对应关系获取系统给定速度所对应的阀芯电流；
利用与系统给定速度所对应的阀芯电流直接驱动阀芯电流控制回路。
所述测量为在线或离线测量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的电液比例流量阀调速控制系统通过运用阀芯电流反馈和基于电液比例流量阀特性离线测量的前馈控制方法，对调速控制系统进行内环电流补偿和速度前馈控制，大幅度提高了调速控制系统前向通道的响应品质和控制精度，减小了速度反馈通道的调节量，从而达到了提高闭环控制品质的目的。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。
图1为现有技术中开环控制系统示意图；
图2为现有技术中闭环控制系统示意图；
图3为根据本发明第一实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图；
图4为电液比例流量阀的阀芯电流与流量间的关系曲线图；
图5为液压执行元件的速度与电液比例流量阀的阀芯电流之间的关系曲线图；
图6为液压执行元件的最小动作电流测量过程示意图；
图7为液压执行元件的最大动作电流测量过程示意图；
图8为根据本发明第二实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图；
图9为根据本发明第三实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图3为根据本发明第一实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如图3所示，根据本发明实施例的电液比例流量阀调速控制系统包括PWM调节装置34、电液比例流量阀35以及阀芯电流检测装置36，电液比例流量阀35的阀芯线圈与阀芯电流检测装置36相连，与PWM调节装置34一起形成阀芯电流反馈控制回路。PWM调节装置34的基本形式是比例阀等效电感加等效电阻，并联续流二极管，经大功率三极管或场效应管连接到电源，PWM信号控制三极管或场效应管的导通与截至，使得比例阀线圈的电压波形为周期一定、脉冲宽度可调的矩形波，由于脉冲周期远小于液压系统的响应周期，以及结合比例阀的工作原理，比例阀的流量(对应于液压执行元件的运动速度)只响应阀芯电流的平均值。阀芯电流检测装置36将检测到的阀芯电流与阀芯给定电流相比较，比较的差值通过PWM调节装置34转换为具有相应占空比的PWM输出信号，形成驱动电液比例流量阀35的阀芯电流，对给定电流值进行跟随，从而能够抑制电源电压波动和阀芯电阻值分布不均匀等因素对阀芯电流的影响。
本发明的电液比例流量阀调速控制系统还包括电液比例流量阀特性测量模块32，位移速度测量模块38以及前馈控制模块31。位移和速度参数的性质相同，以下仅以速度为例进行说明。位移速度测量模块38对液压执行元件37的速度或位移等参数进行测量，将结果送至电液比例流量阀特性测量模块32。电液比例流量阀特性测量模块32对电液比例流量阀的最小动作电流Imin、最大动作电流Imax以及液压执行元件的最大速度MaxSpeed进行离线测量，并将测量结果传输至前馈控制模块31。前馈控制模块31利用电液比例流量阀特性测量模块32的测试结果，生成液压执行元件的运动速度与阀芯电流的对应关系数据库列表。在进行执行机构速度控制时，将系统的给定速度值作为前馈控制信号直接换算为阀芯电流给定值，输入到阀芯电流反馈控制回路，驱动电液比例流量阀工作。
从控制理论的角度来看，由于该控制作用来自速度闭环以外，且绕过速度闭环的速度给定点，直接加到速度控制回路以内，属于前馈控制方式。由于该控制作用的存在，在进行调速控制时，在不存在速度反馈的情况下，液压执行元件的速度也能实现对给定速度的较好跟踪，其控制品质远高于图2所示的系统。在存在速度反馈的情况下，较之未采用本前馈控制方法的系统，图3中所示的“速度控制误差”将大为缩小，从而显著减轻速度闭环的反馈调节负担，大幅度提高速度控制的控制精度和动态品质。
在本发明的电液比例流量阀调速控制系统中还包括电流调节模块33，系统给定速度信号与位移速度测量模块38输出的速度信号在比较器中进行比较，得到的速度控制误差信号输入电流调节模块33。电流调节模块33对速度控制误差信号进行控制运算后，与前馈控制信号混合输入到阀芯电流反馈控制回路。电流调节模块33作为前馈控制作用的补充，能够进一步提高系统控制精度。
本发明的电液比例流量阀调速控制系统的关键点在于利用前馈控制方式，该前馈控制能够降低对闭环速度控制回路的依赖，从而提高速度控制的控制精度。采用前馈控制方式的基础在于获得阀芯电流与液压执行元件的速度之间的对应关系曲线。根据流量型电液比例阀的工作原理，电液比例阀的流量对应于执行机构动作速度，一定的阀芯电流对应的流量由以下三个参数决定：一、阀芯最小动作电流Imin，阀芯电流达到该值时比例阀中开始有微小流量，执行元件开始微动，小于此值则无流量；二、阀芯最大动作电流Imax，阀芯电流达到该值时阀芯刚好开启到最大，继续增加阀芯电流也不能增大流量，而从该值开始减小阀芯电流时则可以相应减小流量；三、执行元件的最大速度Maxspeed，该值对应于比例阀最大流量Maxflow。
根据液压执行元件的工作原理，液压执行元件的动作速度与比例阀的流量成比例关系，而根据比例阀的特性，比例阀流量与阀芯电流从Imin到Imax之间的关系如图4中的曲线所示，那么通过测量最大流量Maxflow下所对应的液压执行元件最大速度Maxspeed，以及Imin和Imax，便可以推导出如图5所示的液压执行元件的速度与电液流量比例阀的阀芯电流之间的对应关系。
图5所示的阀芯电流在Imin至Imax的范围内与执行元件速度对应关系曲线有很强的实用意义。如图5所示，在从Imin到Imax的范围内，比例阀阀芯电流与液压执行元件的运动速度之间成线性关系，获得此线性关系曲线，就可得知液压执行元件速度与比例阀阀芯电流的对应关系曲线，进而得出液压执行元件速度与比例阀阀芯电流的对应关系曲线方程公式。将该公式内置于前馈控制模块31，则可通过给定速度值在前馈控制模块31的内置公式中直接计算出对应的比例阀阀芯电流，利用该阀芯电流直接驱动PWM调节装置34和电液比例流量阀35，从而无须依赖速度反馈就能够较为精确的控制液压执行元件的速度。
本发明的电液比例流量阀调速控制系统中的电液比例流量阀特性测量模块32是离线工作模块，也就是说，电液比例流量阀特性测量模块32对电液比例流量阀的Imin、Imax和Maxspeed特性测试和正常的调速控制在时间上是分开进行的。
图6为液压执行元件的最小动作电流测量过程示意图。如图6所示，首先执行步骤601，预设最小动作电流Imin为一最小动作电流的经验值，例如290mA，这样做的目的是可以在经验值附近较快速地捕捉到最小动作电流，并预设比例阀阀芯电流的取值区域为〔1mA，999mA〕，实际的比例阀阀芯电流均不会超出此范围。输出Imin值的比例阀阀芯电流驱动液压系统工作一段时间，如：30秒(步骤602)；期间连续测量液压执行元件的位移或速度，判断其有无动作(步骤603)。如果有动作，则可断定比例阀阀芯最小动作电流不会大于当前Imin值，将取值区域中的HighLimit值调整为当前Imin值(步骤604)；反之将LowLimit调整为当前Imin值(步骤605)。接着判断HighLimit与LowLimit是否足够接近，例如：其差值小于或等于1mA(步骤607)；如果足够小，则将Imin的当前值设置为最小动作电流值，最小动作电流离线测量结束(步骤608)；否则调整Imin的值(步骤606)，从预设的最小电流经验值开始，以固定的电流差值(该差值可称之为步长，例如16mA)做递增或递减搜索，当确定最小动作电流应该在某一段步长内时，再在此段步长内取中间值循环进行搜索，缩小阀芯电流取值区域，直至取值区域足够小为止。
图7为液压执行元件的最大动作电流测量过程示意图。如图7所示，首先将比例阀阀芯线圈所能承受的最大额定电流值设置为阀芯的最大动作电流值(步骤701)，该电流值必然大于实际的阀芯最大动作电流值。然后利用该最大电流值驱动液压系统工作(步骤702)。接着判断是否进行最大速度MaxSpeed测试(步骤704)，若是则进行液压执行元件的最大速度MaxSpeed测试，接着减小比例阀阀芯电流(步骤703)。阀芯电流的减小量取值方法可以是在最大速度测试刚完成后可取一较大值，使阀芯电流突降到最大动作电流附近，在其它实施例中，阀芯电流的减小量可以取一较小值，例如20mA。速度测试完成后可以得到与该阀芯电流值相对应的速度Speed值(步骤705)。接着判断该Speed是否明显小于最大速度MaxSpeed，例如小于MaxSpeed值的0.8倍(步骤707)，如果是，则记录此刻的速度Speed值和阀芯电流值Imax’。根据线性方程式：
Imax＝Imin+(Imax’-Imin)*MaxSpeed/Speed
求解出最大动作电流Imax(步骤708)，测试完成。否则继续减小比例阀阀芯电流(步骤706)，进行新一轮速度测试，直至条件成立。
图8为根据本发明第二实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如图8所示，本实施例的电液比例流量阀调速控制系统与上述图3所示的电液比例流量阀调速控制系统的区别在于去掉了电流调节模块33，液压执行元件的速度和给定速度之间的速度控制误差直接输入前馈控制信号混合。虽然省去了电流调节模块33，但在精度要求不是非常高的应用场合，主要依靠本发明的前馈控制功能依然能够满足控制精度要求。
图9为根据本发明第三实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如图9所示，在本实施例的电液比例流量阀调速控制系统中，与图3所示的电液比例流量阀调速控制系统的区别在于去掉了阀芯电流检测模块36，使之成为具有前馈控制作用的单闭环电液比例流量阀调速控制系统，区别于图3所示的具备电流和位移(速度)两个闭环系统的双闭环系统。通过前馈控制方式的控制效果增强，即使是单闭环控制系统也能够达到比较高的控制精度。
本发明的电液比例流量阀调速控制系统的电液比例流量阀特性测量模块32、前馈控制模块31、电流调节模块均可使用软件实现。
本发明的电液比例流量阀调速控制系统通过运用阀芯电流反馈和基于电液比例流量阀特性离线测量的前馈控制方法，对调速控制系统进行内环电流补偿和速度前馈控制，大幅度提高了调速控制系统前向通道的响应品质和控制精度，减小了速度反馈通道的调节量，从而达到了提高闭环控制品质的目的。特别地，在需要多个执行机构协调动作的场合，提供了一种提高协调控制品质的途径。例如在臂架类工程机械的臂架末端运动控制系统中，需要多节臂架一起协调动作，是多个调速控制系统的叠加，这就要求每节臂架的速度都能得到精确控制，同时响应速度要尽量快，通过上述控制系统能够较好地实现此功能。
一般而言，通过一段时间的工作，电液比例流量阀各特性参数值均会有所变化，此时可以通过执行一次电液比例流量阀特性测量模块快速测定新的参数值，以恢复和提高系统控制品质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1、一种电液比例流量阀调速控制系统，包括PWM调节装置、电液比例流量阀和液压执行元件，所述PWM调节装置的PWM信号驱动电液比例流量阀并驱动液压执行元件动作，所述系统还包括速度测量模块、电液比例流量阀特性测量模块和前馈控制模块，所述速度测量模块对所述液压执行元件的速度进行测量并将结果送至所述电液比例流量阀特性测量模块，所述电液比例流量阀特性测量模块对电液比例流量阀的最小动作电流、最大动作电流和液压执行元件的最大速度进行测量，并将测量结果传输至前馈控制模块，所述前馈控制模块利用所述测量结果，生成所述液压执行元件的运动速度与阀芯电流的对应关系，在执行机构速度控制时，所述前馈控制模块直接将与给定速度值对应的阀芯电流值输入到所述PWM调节装置驱动电液比例流量阀工作。
2、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述速度测量模块将测得的所述液压执行元件的运动速度与系统给定速度进行比较获得速度误差信号。
3、如权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述系统还包括电流调节模块，用于对所述速度误差信号进行调整。
4、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述系统还包括阀芯电流检测装置，所述阀芯电流检测装置与所述电液比例流量阀的阀芯线圈相连，与所述PWM调节装置一起形成阀芯电流反馈控制回路。
5、一种电液比例流量阀调速控制方法，包括：
测量液压执行元件的最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流；
利用所述最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流和最小动作电流获得液压执行元件的运动速度与阀芯电流之间的对应关系；
通过所述对应关系获取系统给定速度所对应的阀芯电流；
利用与系统给定速度所对应的阀芯电流直接驱动阀芯电流控制回路。
6、如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述测量为在线或离线测量。
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