CN102421690B - 一种用于液压升降装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

用于控制升降装置(1)的系统(10)，包括其活塞(5a)与升降厢(2)相连的升降油缸(5)、其出口与升降油缸(5)相连的泵(4)，及与泵(4)相连的电动机(3)。该系统包括速度调节器(11)，速度调节器(11)与电动机(3)相连用以控制升降厢(2)的移动速度，该系统预置成用以预定模式驱动所述速度调节器(11)，以便泵(4)以预定的速度值(w)旋转。控制系统(10)还被预置成用来驱动速度调节器(11)，以使频率(f)的值与所述预定速度值(ω)对应的电压供应给泵(4)的电动机(3)，该频率的增量(cf_t；f_ts，f_tD)是与泵(4)的工作压力(P₁)有关的预设函数，以便至少部分平衡泵(4)中液压流体泄漏带来的影响。

Description

一种用于液压升降装置的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于升降装置的控制系统。

本发明尤其涉及一种用于液压升降装置的控制系统，其包括：

升降油缸，升降油缸的活塞与升降厢或类似设备相连，

泵，泵的出口与升降油缸相连，及

电动机，电动机与泵相连。

控制系统包括速度调节器，速度调节器与电动机相连以控制升降厢的移动速度，控制系统预置成用来按照预定模式驱动所述速度调节器，以便泵在一个预定的速度值下转动。

背景技术

这种类型的升降装置包括容积式泵，通常为螺杆式。

容积式螺杆泵存在操作液压流体(带有添加剂的油)泄漏的问题，但由于泄漏量很小，与这种泵的公称流量相比，常常可以忽略，且对升降厢的移动速度几乎没有影响。

在传统的系统中，容积式螺杆泵一直以最大速度运行，且升降厢的速度由阀组控制。因为这些系统中泵一直以最大速度运行，故因泵中油的泄漏所带来的影响可以忽略，且当升降厢到达某一层的位置时也不会出现任何问题。然而，这些传统的系统存在运行效率低的缺点。另外，这些系统中因能量耗散而使升降厢的速度减小时，会导致操作液压油过热。此外，当升降厢下降时，几乎所有的势能都以加热操作液压流体的形式消散，从而使液压油温度过高而导致的问题进一步恶化，故有时就需要使用热交换器使其冷却下来，但实际上这样做会花费很多，而且还会改变总能量的平衡。

为了提高这种升降装置的运行效率，当升降厢上升和下降时，众所周知的做法是控制与泵相连的发动机的转速来控制升降厢的速度，例如借助于一个变频器。如此，升降厢的速度可以通过改变泵的转速来进行控制，因为是容积式类型的泵，因此可以通过改变它的容积来实现，这种方式的优点是电力供应只需要输送足以移动升降厢本身的电能即可。

然而，这种系统的缺点是泵在较低转速的情况下，特别是当升降厢移动到某一层的位置时，泵中液压油的泄漏会对升降厢的速度产生比较显著的影响。通过下面的方程式可以得出升降厢速度V_C的改变情况：

$V_c=K\frac{Q_o}{S_p}$

其中K是一个常量(装置的传动比)，Q₀是泵的容积，S_P是升降油缸中活塞的横截面积。

泵的容积Q₀与发动机的速率ω的关系由如下方程式给出：

Q_o＝kω-cQ_t

其中k是泵的比例系数，是泵的典型特征，Q_t是泵的泄漏流量，另外，当升降厢上升时，c等于1；当升降厢下降时，c等于-1。

从上面给出的方程式中可以清楚地看出，当发动机和泵的速度ω减小时，泵的容积Q₀也成比例减小，但是Q_t作为一个百分比会变得大得多。

在低速时，泵的大量泄漏会干扰升降厢位置的控制。从而，当升降厢到达特定一层时，它的定位速度近似是移动速度的1/6-1/10。在此条件下，泄漏流量Q_t与容积Q₀处在同一数量级上，因此将会带来很高的风险，即升降厢定位非常缓慢，或者甚至不能够被定位。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于液压升降装置的控制系统，其能够复原或弥补泵中操作液压油的泄漏，特别是在升降厢定位阶段。

本发明的这个和其他目的可以通过上述对这种类型的控制系统的详细说明获得，控制系统的特征在于预先设置成用来驱动速度调节器，以使频率值与上述预定的速度值相对应的电压供应给泵的电动机，且该频率的增量是与泵的工作压力有关的预设函数，以便至少部分平衡因泵中液压流体泄漏所带来的影响。

在一个实施例中，所述供电频率的总量或增量可依据与流经电动机线圈或绕组的电流的大小有关的预设函数来确定，流经电动机线圈或绕组的电流的大小可以方便地从速度调节器中检测。

在另一实施例中，上述供电频率的总量或增量可依据与泵的工作压力有关的预设函数来确定，泵的工作压力可以借助于电压力传感器检测。

方便地，上述供电频率的总量或增量也可作为与操作液压流体的瞬时温度有关的函数来确定，操作液压油的瞬时温度可以借助于合适的电传感器检测。

附图说明

通过接下来参照附图(图1)进行的详细描述，本发明的其他特征和优点将会变得非常清楚，下述详细描述仅是作为非限制性示例，

图1为装配有本发明的控制系统的液压升降装置的线条图。

具体实施方式

本发明的控制系统适用于例如图1中所示的液压升降装置1，图1为液压升降装置的总体图。

升降装置1包括一个升降厢(或类似的设备)2，升降厢2可以在多个水平高度或多个层之间操作性移动。

升降装置1能够被电动机3驱动，例如感应式三相交流电动机，电动机3通过传动轴3a转动液压泵4。电动机3和液压泵4通常浸在操作液压流体20中，操作液压流体20可以盛放在储液罐或储液槽21中。

液压泵4为容积式泵，如螺杆泵，它的出口源源不断地向升降油缸5供应一定压力的操作液压流体，升降油缸5的活塞杆5a的顶端设置有滑轮6，滑轮6可绕水平轴6a转动，穿绕在滑轮6上的缆绳7的一端7a系在固定点8上，缆绳7的另一端7b与升降厢相连。

本发明中的控制系统也可适用于与上面描述的不同的液压升降装置。

总的参考标记10指示的控制系统也装配在液压升降装置1上。

这个系统包括速度调节单元11、液压阀组12和电子控制单元13，速度调节单元11与电动机3相连以控制升降厢2的移动速度，液压阀组12与液压泵4和升降油缸5相连，电子控制单元13用于按照设置模式驱动速度调节单元11和液压阀组12(以及未示出的其他装置)。

在作为示例示出的本实施例中，速度调节单元11包括变频器14，变频器14的直流侧与整流装置(交流AC/直流DC转换器)15的输出端相连，变频器14的交流侧与电动机3的电源接线端相连。

整流装置15，其可以是单相或多相的，可逆的或不可逆的，整流装置15的交流侧与交流电压源相连，例如交流配端干线。

整流装置15的直流侧通过直流支线或总线16与变频器14的输入端相连。多个稳压电容器可以方便地并连到这个支线或总线上。

速度调节单元11至少配备有一个电流检测器17，例如电流检测器17可设置在变频器14中，且电流检测器17与电子控制单元13相连。

不同的方式将会在后面进行更详细的说明，这种电流检测器被一种电流传感器代替也是有可能的，电流传感器与支线或总线16的导体相连，例如图1的虚线中所示的传感器，其标号也是17。

电子控制单元13也与变频器14和整流装置15上的控制输入端相连，以及与液压阀组12上的控制输入端相连。

电子控制单元13被设计成可以按照设置模式控制速度调节单元11。

电子控制单元13执行的控制应基于下述因素，特别是当升降厢2定位在某一层时。

电动机3的转速、因而液压泵4的转速是与其电源电压的频率f有关的函数而且受速度调节器11控制：补偿因液压泵中操作液压流体泄露所带来的影响可以参照下面的方程式通过一个增量cf_t来增大频率f实现：

$f_M=f+c{f}_t=f+c{f}_o{\left(\frac{P_1}{P_o}\right)}^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{T_1}{T_o}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中

f_M是为了补偿液压泵中的泄露而修正的电动机3的电源频率，

f为不存在泄露时的电动机3的电源频率，

f_t为补偿液压泵4中的泄露影响的频率分量，

c在升降厢上升时为1，在升降厢下降时为-1，

f₀是在参考压力P₀和参考温度T₀条件下由于液压泵中油泄露所以增加的电源频率，

P₁是液压泵4的工作压力，

T₁是操作液压流体的工作温度，及

α，β是由实验确定的液压泵的特征指数。

频率f₀是使用下面的方程式来经验(事先)确定的，：

$f_o=f\frac{V_{\mathrm{PD}}-V_{\mathrm{PS}}}{V_{\mathrm{PD}}+V_{\mathrm{PS}}}{|}_{T_o,P_o}$

其中

f是变频器14的电源频率；

V_PD是在没有泄露补偿的情况下，升降厢下降过程中到达该层时的定位速度，

V_PS是在没有泄露补偿的情况下，升降厢上升过程中到达该层时的定位速度。

上述方法的适用条件是假设因液压泵4中的泄露所带来的影响在上升和下降过程中近似相同。如果情况不是这样的，那么进行下面的步骤：

-接下来计算：

$f_{\mathrm{os}}=\frac{V_P-V_{\mathrm{PS}}}{V_{\mathrm{PS}}}{|}_{T_o,P_o},$ 以及

$f_{\mathrm{oD}}=f\frac{V_{\mathrm{PD}}-V_P}{V_{\mathrm{PD}}}{|}_{T_o,P_o}$

其中

V_P是升降厢理论(理想)的定位速度；及

-替代上面的方程式(1)，使用下面的方程式：

$f_{\mathrm{MS}}=f+f_{\mathrm{ts}}=f+f_{\mathrm{os}}{\left(\frac{P_1}{P_o}\right)}^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{T_1}{T_o}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(1a\right)$

$f_{\mathrm{MD}}=f-f_{\mathrm{tD}}=f-f_{\mathrm{oD}}{\left(\frac{P_1}{P_o}\right)}^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{T_1}{T_o}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(1b\right)$

且电源频率f_MS和f_MD分别适用于上升和下降时的电动机3。

参照方程式(1)、(1a)和(1b)，操作液压油的瞬时温度T₁可以很容易且成本低廉地，通过与电子控制单元13相连的温度传感器18来确定。

参考温度T₀也可以在升降厢2空载以及操作液压油处于环境温度时通过上述温度传感器18测量出来。

工作压力P₁也可以很简单地通过电压力传感器19测得，但测量成本会比较高，电压力传感器19与电动液压阀组12的出口或入口相连。压力P₀可以在升降厢空载时测得。

参考值T₀和P₀以及瞬时值P₁和T₁已经获得，电子控制单元13就能够根据上面给出的方程式(1)或方程式(1a)或(1b)来确定电源频率的增量(即电动机的速度)，此电源频率的增量将会补偿因液压泵4中操作液压流体的泄漏而带来的影响。

作为上述方法的一个替代方案，液压泵4的工作压力P₁可以通过下面的方式更节约和有效地确定。

实践证明液压泵4的工作压力P₁与电动机3的传动轴3a上的抗扭矩近似成比例，进而也与这个电动机的线圈中的电流I成比例。因此可以由下面的方程式表示：

P₁＝k₁I^γ            (2)

其中k₁是可经验确定的常量，是特定发动机/液压泵单元的典型特征，I是电动机3中的电流，γ是基于所使用的特定发动机和控制该发动机所采用的模式而经验确定的指数。

对于永磁同步电动机(无刷电动机)和磁场定向控制异步电动机(感应电动机)，γ＝1，且I＝I_q，其中I_q是旋转磁场参照系中轴变量中的正交电流。

对于开式回路供电异步电动机，γ＝2，且I是表示电动机中电流的转动矢量的绝对值。

对于其他形式的电动机，γ和I的值可通过分析或实验确定，但是上述的方程式(2)仍旧适用于它们。

在此所述的不同方式中，随着升降厢中负载再次改变，对液压泵4中的油泄漏所带来影响的补偿基本上必须应用方程式(1)或方程式(1a)、(1b)：电子控制单元13从传感器17获得一个指示电动机3中电流强度的信号，并采用在升降厢2的预设数量的行程中检测到的电流的最小值作为它的参考电流I₀。接着电子控制单元13基于方程式(1)或方程式(1a)、(1b)计算出频率增量，其中液压泵4的工作压力P₁可以通过方程式(2)计算出。

正如前面已经提到的，检测电动机3的绕组或线圈中流动的电流的检测器可以被与支线或总线16的导体相连的电流传感器替代，如图中的虚线所示。

在这种情况下，所检测的电流(总线16中的直流电流)与电动机3输出的功率成比例，而不是与电动机3产生的扭矩。然而，电子控制单元13仍可以按照当前的方式设计：电动机产生的扭矩与总线16中的直流电流的强度I和这个电动机的转速ω的比值成比例。获得了电流强度I的值后，电子控制单元13即可以计算出电动机产生的扭矩，因为电子控制单元知道电动机的转速，电动机的转速通过取决于电动机类型的已知函数而与电源频率有关系。

应该清楚的是，凡是没有脱离本发明的原理，而与上述作为非限制性示例描述或图示的内容有区别的实施方式或结构细节，不脱离本发明的权利要求所限定的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于液压升降装置（1）的控制系统（10），其包括

升降油缸（5），升降油缸（5）的活塞（5a）与升降厢（2）相连，

泵（4），泵（4）的出口与升降油缸（5）相连，及

电动机（3），电动机（3）与泵（4）相连；

控制系统包括速度调节器（11），速度调节器（11）与电动机（3）相连用以控制升降厢（2）的移动速度，控制系统预置成用来按照预定模式驱动所述速度调节器（11），以便泵（4）以预定的速度值（ω）旋转；

控制系统（10）的特征在于预置成用来驱动速度调节器（11），以使频率（f）的值与所述预定的速度值（ω）相对应的电压供应给泵（4）的电动机（3），所述电动机（3）的电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）是与泵（4）的工作压力（P₁）有关的预设函数，以便至少部分平衡因泵（4）中液压流体泄漏所带来的影响；其中电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）根据与流经电动机（3）的电流（I）的大小有关的预设函数来确定，流经电动机（3）的电流（I）的大小在所述速度调节器（11）中检测。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）根据与泵（4）的工作压力（P₁）有关的预设函数来确定，泵（4）的工作压力（P₁）借助于电压力传感器（19）检测。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）根据与流经电动机（3）的电流的瞬时值（I）和预设的参考电流值（I₀）的比值有关的预设函数来确定。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述参考电流值（I₀）定义为在升降厢（2）预设数量的行程中流经电动机（3）的电流（I）的最小值。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）还作为与操作液压流体的温度（T₁）有关的函数来确定。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中操作液压流体的温度（T₁）借助于电子温度传感器（18）检测。

7.根据权利要求5或6所述的控制系统，其中所述电源频率的总量或增量（cf_t;f_ts,f_tD）根据与操作液压流体的瞬时温度（T₁）和预定的参考温度（T₀）的比值有关的预设函数来确定。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述参考温度（T₀）是在升降厢没有负载的情况下检测出的操作液压流体的温度。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其中当升降厢向上运行时，电源频率的增量（cf_t;f_ts,f_tD）是正数，而当升降厢向下运行时，电源频率的增量（cf_t;f_ts,f_tD）是负数；其中所述电源频率的增量的绝对值对于向上运行和向下运行时可互不相同。