CN102384119A - 电液比例阀调速控制方法、装置、系统以及工程机械设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电液比例阀调速控制方法、装置、系统以及工程机械设备，该方法包括：接收期望速度；将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀。本发明可省去大部分或所有根据实际速度与期望速度之差调节PWM信号和颤震信号的过程，提高了电液比例阀的响应速度和线性度。
Description
技术领域
本发明涉及比例阀控制领域，具体地，涉及一种电液比例阀调速控制方法、装置、系统以及工程机械设备。
背景技术
电液比例阀是介于液压阀和电液伺服阀间之间的一种液压控制阀，电液比例阀接收外部的控制信号，根据该控制信号调节阀芯位移，使阀门开度与控制信号的强弱成比例变化，对通过该电液比例阀的介质有效调节，最终实现对应用该电液比例阀的系统进行精确控制。
目前常采用脉宽调制信号(PWM信号)作为电液比例阀的控制信号。控制系统发送具有不同频率、不同占空比的PWM信号到电液比例阀，电液比例阀根据该PWM信号的占空比成比例地调节阀芯位移，使阀门开度与PWM信号的占空比成比例变化。
在电液比例阀中，由于加工误差的原因，阀体孔与阀芯总会产生一定的形状误差，两者也不可能绝对同心与无锥度，这就不可避免地在阀芯上产生径向不平衡力，将阀芯推向另一侧，从而产生比较大的摩擦力。此外，电液比例阀衔铁与导套之间的摩擦力也制约着其控制精度的提高。受摩擦力影响，执行机构将有瞬间不能响应指令信号，从而给输出产生明显的滞环和死区，摩擦的存在使调节不能及时进行，有时还造成调节的过量，使控制系统的控制品质变差。
因此，当PWM占空比较小时，存在着流量死区，占空比较大时存在着流量饱和现象。这是因为施加给阀的控制信号是矩形电压波，对应于此电压波，阀线圈上的电流只能相对缓慢地增大，当大到一定程度才能产生足够的电磁力来克服摩擦力，而使阀芯移动。这导致阀芯移动与电流值产生明显的滞环、线性度差。
为降低摩擦力对电液比例阀响应的影响，目前常用的电液比例阀调速控制系统如图1所示，PWM发生装置10根据PWM设定值产生PWM信号，在该PWM信号中叠加由颤震信号发生装置40所产生的颤震信号，之后将该PWM信号及颤震信号被一起输入至电液比例阀20，以驱动该电液比例阀20，该电液比例阀20所输出的流量可驱动所述液压执行元件30(诸如，液压缸、液压马达等)动作。所述颤震信号发生装置40所产生的颤震信号用于实现对阀芯的摩擦力的减小。一般情况下，电液比例阀从接收PWM信号到产生相应的阀芯位移，先后要克服静摩擦力和滑动摩擦力。在输入信号中叠加颤震信号以后，电液比例阀的阀芯将产生一个微小的附加振动，如果颤震信号附加作用力的算术平均值大于阀芯的静摩擦力，则阀芯将不出现静止状态，使摩擦力的影响明显减小，提高了电液比例阀的响应速度和线性度。
然而，在图1所示的方法中，对PWM信号和震颤信号都是通过相应的模拟电路发生装置来调节的，精度低、误差大，且相互之间没有形成一个完整的系统，特别是电液比例阀的特性受外界因素发生变化时，现有的技术难以实时跟踪，可调节性和适应性差，对于电液比例阀响应速度和线性度的提高有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种电液比例阀调速控制方法、装置、系统以及工程机械设备，可显著提高电液比例阀的响应速度和线性度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电液比例阀调速控制方法，该方法包括：接收期望速度；将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀。
相应地，本发明还提供一种电液比例阀调速控制装置，该装置包括：期望速度接收设备，用于接收期望速度；比较及执行设备，用于将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀。
相应地，本发明还提供一种电液比例阀调速控制系统，该系统包括控制器、电液比例阀、液压执行元件以及速度检测装置，所述控制器的PWM信号驱动所述电液比例阀并驱动所述液压执行元件，该控制器为执行上述电液比例阀调速控制方法的控制器。
相应地，本发明还提供一种工程机械设备，该设备包括上述电液比例阀调速控制系统。
通过上述技术方案，可预先存储多组有关实际速度以及与该实际速度相对应的PWM信号的频率和幅值以及颤震信号的频率和幅值的信息，之后通过寻找与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀，藉此可省去大部分或所有根据实际速度与期望速度之差调节PWM信号和颤震信号的过程，提高了电液比例阀的响应速度和线性度。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中的电液比例阀调速控制系统的框图；
图2为本发明的电液比例阀调速控制系统的框图；
图3为本发明的电液比例阀调速控制系统的一实施方式的框图；
图4为本发明的电液比例阀调速控制方法的流程图；
图5为本发明的电液比例阀调速控制方法的一实施方式的框图；以及
图6为本发明的电液比例阀调速控制装置的框图。
附图标记说明
10 控制器 20 电液比例阀
30 液压执行元件 40 速度检测装置
110 PWM发生装置 120 颤震信号发生装置
11 期望速度接收设备 12 比较及执行设备
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图2为本发明的电液比例阀调速控制系统的框图。如图2所示，本发明提供了一种电液比例阀调速控制系统，该系统包括控制器10、电液比例阀20、液压执行元件30以及速度检测装置40，所述控制器10的PWM信号驱动所述电液比例阀20并驱动所述液压执行元件30，所述速度检测装置40检测所述液压执行元件30的实际速度Vactual，并将该实际速度Vactual反馈给所述控制器10，该控制器10在所述实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差大于预定值时，根据该差值e，调节PWM信号的频率和/或占空比，并将调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀20，其中，所述控制器10还用于：根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差e的变化率de，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，并将调节后的颤震信号与所述调节后的PWM信号一起输入至所述电液比例阀20。
通过该方案，可在两个方面对颤震信号的频率和/或幅值进行调节：(1)根据调节后的PWM信号的频率和/或占空比；以及(2)根据实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差e的变化率de。
一般而言，所述计算颤震信号的频率和/或幅值包括：取所述颤震信号的频率为所述调节后的PWM信号的频率的偶数分之一，取所述颤震信号的幅值为所述调节后的PWM信号的幅值均值的0.075-0.125。由于颤震信号的频率与PWM信号的频率的此关系以及颤震信号的幅值与PWM信号的占空比(占空比决定了幅值均值)存在该关系，故在PWM信号的频率变化的情况下，颤震信号的频率亦需要进行相应的变化；在PWM信号的占空比变化的情况下，颤震信号的幅值亦需要进行相应的变化。
然而，上述取值方式仅可得出颤震信号的频率和/或幅值的接近值，如若将此频率和/或幅值的颤震信号施加至电液比例阀20，并不能完全消除电液比例阀20的滞环及线性度差的缺陷，故还需根据所述实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差e的变化率de，对以上述取值方式得出的颤震信号的幅值进行微调。其中，根据所述实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差e的变化率de对颤震信号的频幅值进行微调可采用本领域所公知的PID控制算法或模糊控制算法进行。
优选地，所述控制器10还用于在所述实际速度Vactual与所述期望速度之差e大于预定值时，循环执行以下步骤，直至实际速度Vactual与所述期望速度Vdesired之差e小于或等于预定值为止：获取所述速度检测装置40所检测的所述液压执行元件30的实际速度Vactual；根据该实际速度Vactual与所述期望速度Vdesired之差e，调节所述PWM信号的频率和/或占空比；根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度Vactual与期望速度Vdesired之差e的变化率de，对所计算的颤震信号的幅值进行调节；以及将所述调节后的PWM信号以及所述调节后的颤震信号输入至所述电液比例阀20。藉此，可使得调节后的PWM信号以及调节后的颤震信号可满足控制精度的要求。
以上介绍了PWM信号及颤震信号的调节过程，然而本发明并不限于此，PWM信号及颤震信号的其他调节过程亦可适用于此。本发明的发明重点在于以下自学习过程。
图3为本发明的电液比例阀20调速控制系统的一实施方式的框图。优选地，如图3所示，所述控制器10还用于为于每一调节周期(即，每对PWM信号及颤震信号进行一次调节)，存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比以及所述调节后的颤震信号的频率和幅值与输入该调节后的PWM信号及颤震信号之后所述液压执行元件30的实际速度之间的对应关系；并于该系统接收所述期望速度时，将该期望速度与所存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀20。
通过于每一调节周期存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比以及所述调节后的颤震信号的频率和幅值与输入该调节后的PWM信号及颤震信号之后所述液压执行元件30的实际速度之间的对应关系，可建立一自学习数据库，随着本系统执行次数的增多，该自学习数据库中的内容可更为丰富，最终覆盖所有可能的实际速度，从而可针对每一输入的期望速度，均可找到与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，之后将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和/或占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀20，并在此实际速度的基础上，执行以上循环执行的调节步骤。藉此，省去了到达该实际速度之前的调节过程，可更进一步加快响应速度。如若所述预定范围非常小，且对调节精度要求不高，可直接将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀20，而不执行后续的循环执行的调节步骤。
对于未能确定一与期望速度之差处于预定范围内的实际速度的情况而言，可循环执行以下步骤，直至实际速度与所述期望速度之差小于或等于预定值：获取所述液压执行元件30的实际速度；根据该实际速度与所述期望速度之差，调节所述PWM信号的频率和/或占空比；根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节；以及将所述调节后的PWM信号以及所述调节后的颤震信号输入至所述电液比例阀20。在执行期间，亦于每一调节周期，存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比以及所述调节后的颤震信号的频率和幅值与输入该调节后的PWM信号及颤震信号之后所述液压执行元件30的实际速度之间的对应关系。
图4为本发明的电液比例阀调速控制方法的流程图。如图4所示，相应地，本发明还提供了一种电液比例阀调速控制方法，该方法包括：接收液压执行元件30的期望速度；将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀20。
其中，在将所述PWM信号及颤震信号输入至所述电液比例阀20之后，该方法还可包括：获取液压执行元件30的实际速度；在所述实际速度与期望速度之差大于预定值时，根据该差值，调节PWM信号的频率和/或占空比；根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀20；获取所述液压执行元件30的实际速度；以及存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比、所述调节后的颤震信号的频率和幅值、以及该调节后的PWM信号及颤震信号所对应的实际速度。
其中，所述计算颤震信号的频率和/或幅值可包括：取所述震颤信号的频率为所述调节后的PWM信号的频率的偶数分之一，取所述颤震信号的幅值为所述调节后的PWM信号的幅值均值的0.075-0.125。
其中，所述根据所述实际速度与所述期望速度之差的变化率对所计算的颤震信号的幅值进行调节可通过利用PID控制算法或模糊控制算法进行。
其中，如图5所示，该方法可还包括：在所述实际速度与所述期望速度之差大于预定值时，循环执行以下步骤，直至实际速度与所述期望速度之差小于或等于预定值为止：获取所述液压执行元件30的实际速度；根据该实际速度与所述期望速度之差，调节所述PWM信号的频率和/或占空比；根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的PWM信号以及所述调节后的颤震信号输入至所述电液比例阀20；获取所述液压执行元件30的实际速度；以及存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比、所述调节后的颤震信号的频率和幅值、以及该调节后的PWM信号及颤震信号所对应的实际速度。
有关本发明的电液比例阀调速控制方法的详细描述可参照之前针对本发明的电液比例阀调速控制系统的描述，于此不再赘述。
图6为本发明的电液比例阀调速控制装置的框图。如图6所示，相应地，本发明还提供了一种电液比例阀调速控制装置，该装置包括：期望速度接收设备11，用于接收期望速度；比较及执行设备12，用于将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的PWM信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号输入至所述电液比例阀20。
其中，所述电液比例阀调速控制装置还包括：第一实际速度获取设备，用于获取液压执行元件30的实际速度；PWM调节设备，用于在所述实际速度与期望速度之差大于预定值时，根据该差值，调节PWM信号的频率和/或占空比；颤震调节设备，用于根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀20；第二实际速度获取设备，用于获取所述液压执行元件30的实际速度；以及存储设备，用于存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比、所述调节后的颤震信号的频率和幅值、以及该调节后的PWM信号及颤震信号所对应的实际速度。
其中，所述计算颤震信号的频率和/或幅值可包括：取所述震颤信号的频率为所述调节后的PWM信号的频率的偶数分之一，取所述颤震信号的幅值为所述调节后的PWM信号的幅值均值的0.075-0.125。
其中，所述颤震调节设备可通过利用PID控制算法或模糊控制算法来完成根据所述实际速度与所述期望速度之差的变化率对所计算的颤震信号的幅值进行调节。
优选地，该装置可还包括循环执行设备，用于在所述实际速度与所述期望速度之差大于预定值时，循环执行以下步骤，直至实际速度与所述期望速度之差小于或等于预定值为止：获取所述液压执行元件30的实际速度；根据该实际速度与所述期望速度之差，调节所述PWM信号的频率和/或占空比；根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的PWM信号以及所述调节后的颤震信号输入至所述电液比例阀20；获取所述液压执行元件30的实际速度；以及存储所述调节后的PWM信号的频率和占空比、所述调节后的颤震信号的频率和幅值、以及该调节后的PWM信号及颤震信号所对应的实际速度。
有关本发明的电液比例阀调速控制装置的详细描述可参照之前针对本发明的电液比例阀调速控制系统的描述，于此不再赘述。
另外，本发明还提供一种工程机械设备，该设备包括上述电液比例阀调速控制系统。该工程机械设备可包括诸如挖掘机、泵车、起重机等。
通过上述技术方案，可在对PWM信号进行反馈调节的同时，通过对颤震信号的反馈调节，从而可将刚好可克服电液比例阀的阀芯的静摩擦力的颤震信号施加至电液比例阀，提高了电液比例阀的响应速度和线性度。另外，通过于自学习环节建立自学习数据库，可进一步调高液比例阀的响应速度和线性度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种电液比例阀调速控制方法，该方法包括：
接收液压执行元件的期望速度；
将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的脉冲宽度调制(PWM)信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号一起输入至所述电液比例阀(20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述PWM信号及颤震信号输入至所述电液比例阀(20)之后，该方法还包括：
获取所述液压执行元件(30)的实际速度；
在所述实际速度与所述期望速度之差大于预定值时，根据该差值，调节PWM信号的频率和/或占空比；
根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与所述期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)；
获取将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)之后所述液压执行元件(30)的实际速度；以及
存储将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)之后所述液压执行元件(30)的实际速度与所述调节后的PWM信号的频率和占空比以及所述调节后的颤震信号的频率和幅值之间的对应关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算颤震信号的频率和/或幅值包括：取所述震颤信号的频率为所述调节后的PWM信号的频率的偶数分之一，取所述颤震信号的幅值为所述调节后的PWM信号的幅值均值的0.075-0.125。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述实际速度与所述期望速度之差的变化率对所计算的颤震信号的幅值进行调节通过利用PID控制算法或模糊控制算法进行。
5.一种电液比例阀调速控制装置，该装置包括：
期望速度接收设备(11)，用于接收液压执行元件的期望速度；
比较及执行设备(12)，用于将该期望速度与预先存储的实际速度进行比较，确定一与该期望速度之差处于预定范围内的实际速度，并将具有预先存储的与该实际速度相对应的脉冲宽度调制(PWM)信号的频率和占空比的PWM信号以及具有预先存储的与该实际速度相对应的颤震信号的频率和幅值的颤震信号一起输入至所述电液比例阀(20)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在将所述PWM信号及颤震信号输入至所述电液比例阀(20)之后，该装置还包括：
第一实际速度获取设备，用于获取液压执行元件(30)的实际速度；
PWM调节设备，用于在所述实际速度与所述期望速度之差大于预定值时，根据该差值，调节PWM信号的频率和/或占空比；
颤震调节设备，用于根据所述调节后的PWM信号的频率和/或占空比，计算颤震信号的频率和/或幅值，并根据所述实际速度与期望速度之差的变化率，对所计算的颤震信号的幅值进行调节，将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)；
第二实际速度获取设备，用于获取将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)之后所述液压执行元件(30)的实际速度；以及
存储设备，用于存储所述将所述调节后的颤震信号以及所述调节后的PWM信号输入至所述电液比例阀(20)之后所述液压执行元件(30)的实际速度与所述调节后的PWM信号的频率和占空比以及所述调节后的颤震信号的频率和幅值之间的对应关系。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算颤震信号的频率和/或幅值包括：取所述震颤信号的频率为所述调节后的PWM信号的频率的偶数分之一，取所述颤震信号的幅值为所述调节后的PWM信号的幅值均值的0.075-0.125。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述根据所述实际速度与所述期望速度之差的变化率对所计算的颤震信号的幅值进行调节通过利用PID控制算法或模糊控制算法进行。
9.一种电液比例阀调速控制系统，该系统包括控制器(10)、电液比例阀(20)以及液压执行元件(30)，所述控制器(10)的脉冲宽度调制(PWM)信号驱动所述电液比例阀(20)并驱动所述液压执行元件(30)，其特征在于，
所述控制器(10)为执行权利要求1-4所述的方法的控制器。
10.一种工程机械设备，其特征在于，该工程机械设备包括权利要求9所述的电液比例阀调速控制系统。
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