CN102588382A - 一种直接驱动电静液作动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接驱动电静液作动器，包括直驱电液伺服泵、充压油箱、第一补油单向阀、第二补油单向阀、液压缸；本发明采用多个供油单元组合使用，使直驱电液伺服泵系统可根据整体液压系统的功率要求进行组合构建，无需单独设计部件，使系统具有更高的柔性；本发明多个供油单元同时工作，构成了直驱电液伺服泵系统的热备份，相当于对泵系统进行了多余度配置，当某一个或某一些供油单元故障时，其余供油单元使泵系统仍能降级工作，相比于轴向柱塞泵某一个柱塞拉脱或卡死时整个泵就失效的情况，该直驱电液伺服泵系统具有更高的可靠性。

Description

一种直接驱动电静液作动器

技术领域

本发明涉及一种电静液作动器，更特别地说，是指一种直接驱动型电静液作动器。

背景技术

传统的液压系统一般是由一个中心液压泵源向各个作动系统输送能量，在系统比较庞大和复杂，具有多终端分布式作动器的系统中，管路的布置将成为一个巨大的负担，由此带来的成本增加，泄漏增大以及管路振动等问题，一直困扰着分布式液压系统的发展。功率电传作动器的出现很好地解决了这些问题，它以统一的电能形式对能量加以传输，在作动器本地再对能量的形式进行转化，通过一定的结构形式进行驱动与传动。这一点在飞机的操纵系统中应用优势更为明显，目前空客A380等机型已实现了这种作动器的实际应用。

目前较多采用的功率电传作动器是电静液伺服作动器，参见图1，这种作动器基本结构由一个旋转调速电机，驱动一个轴向柱塞泵，后级加液压缸组成。这种系统目前存在着以下问题：

(1)轴向柱塞泵是通过斜盘机构，将缸体的旋转运动转化为柱塞吸排油时的直线运动，这必将带来侧向力及相应的摩擦力。系统为了提高功率密度，旋转电机一般处于高转速、低扭矩输出的工况下，更加剧了柱塞泵的内摩擦，降低了其使用寿命。

(2)这种系统的伺服控制依靠的是对旋转电机进行调速，或者是对柱塞泵的斜盘变量机构进行倾角的调整。在对电机进行调速时，电机动子再加上柱塞泵上的旋转部件，总的转动惯量对于高转速、低扭矩的电机是一个较大的负担，因此调速的频响受到限制；在对斜盘变量机构进行调整时，由于斜盘机构传动部件多，结构复杂，控制性能也不理想。

(3)轴向柱塞泵中各柱塞从结构上是交联耦合的，在缸体匀速转动的过程中，由于各柱塞泵运动的差异，导致泵整体输出流量的脉动，这个脉动是柱塞泵的固有属性，无法消除，而由于这种泵源脉动造成的输油管路的振动，是液压系统一大顽疾。

(4)一个柱塞泵虽然有多个柱塞在循环工作，共同为系统提供能量，但是当其中一个柱塞出现故障时，由于结构上的关联，必然会对其他的柱塞造成影响，而且单个柱塞的致命故障，必将使整个系统无法工作，若对柱塞泵进行双余度的备份，又会大大增加系统的体积和重量。因此，由柱塞泵构成的电静液作动器，由于单余度的配置，可靠性相对较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种直接驱动电静液作动器，本发明的电静液作动器具有多模块灵活组合、易于控制和高可靠性的特点。

一种直接驱动电静液作动器，包括直驱电液伺服泵(1)、充压油箱(6)、第一补油单向阀(3)、第二补油单向阀(4)、液压缸(2)；

直驱电液伺服泵(1)包括至少一个供油模块(101)，供油模块(101)包括电机驱动器(102)、第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)、第一吸排油活塞(106)、第二吸排油活塞(109)、第一配流阀(107)和第二配流阀(108)；

电机驱动器(102)接收控制器指令，将驱动电功率分别通过线路A(103)、线路B(112)传输到第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)，第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)产生的动子位移信号通过线路C(104)、线路D(111)反馈给电机驱动器(102)，电机驱动器(102)对第一直线振荡电机(105)和第二直线振荡电机(110)进行动子位移的闭环伺服控制；

第一直线振荡电机(105)的动子与第一吸排油活塞(106)的活塞杆一端铰接，第一吸排油活塞(106)的活塞杆的另一端与第二配流阀(108)的阀芯刚性连接，第二配流阀(108)为第二吸排油活塞(109)的吸排油进行配流；第二直线振荡电机(110)的动子与第二吸排油活塞(109)的活塞杆一端铰接，第二吸排油活塞(109)的活塞杆的另一端与第一配流阀(107)的阀芯刚性连接，第二吸排油活塞(109)为第一吸排油活塞(106)的吸排油进行配流；第一配流阀(107)、第二配流阀(108)分别形成了吸油油路和排油油路；吸油油路并联、排油油路并联，形成第一油路(7)、第二油路(8)；

第一油路(7)、第二油路(8)分别与液压缸(2)的两个腔连通，充压油箱(6)分别通过第一补油单向阀(3)、第二补油单向阀(4)和第一油路(7)、第二油路(8)连通，负责为两条油路在低压缺油情况下的补油；液压缸(2)活塞杆后端装有位移传感器(5)，将液压缸(2)活塞杆的运动信息反馈给外部连接的控制器，实现对液压缸(2)的活塞杆运动输出的闭环伺服控制。

本发明的优点在于：

(1)采用多个供油单元组合使用，使直驱电液伺服泵系统可根据整体液压系统的功率要求，进行组合构建，在系统总功率要求改变时，无需再设计部件，因此系统具有更高的柔性；

(2)多个供油单元同时工作，构成了直驱电液伺服泵系统的热备份，相当于对泵系统进行了多余度配置，当某一个或某一些供油单元故障时，其余供油单元使泵系统仍能降级工作，相比于轴向柱塞泵某一个柱塞拉脱或卡死时整个泵就失效的情况，该直驱电液伺服泵系统具有更高的可靠性；

(3)由于是多组供油单元组合工作，且每个供油模块具有独立可控性，在对作动器液压缸进行伺服控制时，可根据最终的系统要求，结合每个供油单元的工作状况，灵活地协调控制各供油单元输出的功率比例，并且对各个控制波形进行一定的设计，可使其组合后的总输出流量连续无脉动，提高了作动器的工作性能。

附图说明

图1是现有的电静液作动器的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是实施例双模块组成直驱电液伺服泵的结构示意图；

图4是实施例吸排油活塞(302、303)运动位移及供油模块(306)排油流量曲线图；

图5是实施例吸排油活塞(304、305)运动位移及供油模块(307)排油流量曲线图；

图6是实施例直驱电液伺服泵(301)排油流量曲线图。

图中：

1-直驱电液伺服泵        2-液压缸             3-第一补油单向阀

4-第二补油单向阀        5-位移传感器         6-充压油箱

7-第一油路              8-第二油路

101-供油模块            102-电机驱动器       103-线路A

104-线路C               105-第一直线振荡电机 106-第一吸排油活塞

107-第一配流阀          108-第二配流阀       109-第二吸排油活塞

110-第二直线振荡电机    111-线路D            112-线路B

300-直驱电液伺服泵      302-第一吸排油活塞   303-第二吸排油活塞

304-第一吸排油活塞      305-第二吸排油活塞   306-供油模块

307-供油模块

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种直接驱动电静液作动器，如图2所示，包括直驱电液伺服泵1、充压油箱6、第一补油单向阀3、第二补油单向阀4、液压缸2，其核心部件是直驱电液伺服泵1。

直驱电液伺服泵1包括多个供油模块101，每个供油模块101具有相同的结构；供油模块101包括电机驱动器102、第一直线振荡电机105、第二直线振荡电机110、第一吸排油活塞106、第二吸排油活塞109、第一配流阀107和第二配流阀108。

电机驱动器102接收控制器的指令，将驱动电功率分别通过线路A103、线路B112传输到第一直线振荡电机105、第二直线振荡电机110，第一直线振荡电机105、第二直线振荡电机110产生的动子位移信号通过线路C104、线路D111反馈给电机驱动器102，电机驱动器102对第一直线振荡电机105和第二直线振荡电机110进行动子位移的闭环伺服控制。

第一直线振荡电机105的动子与第一吸排油活塞106的活塞杆一端铰接，第一吸排油活塞106的活塞杆的另一端与第二配流阀108的阀芯刚性连接，第二配流阀108为第二吸排油活塞109的吸排油进行配流。第二直线振荡电机110的动子与第二吸排油活塞109的活塞杆一端铰接，第二吸排油活塞109的活塞杆的另一端与第一配流阀107的阀芯刚性连接，第二吸排油活塞109为第一吸排油活塞106的吸排油进行配流。上述的配流遵循直驱电液伺服泵1的互配流控制规律。第一配流阀107、第二配流阀108分别形成了吸油油路和排油油路。将直驱电液伺服泵1中多个供油模块101的吸油油路或者排油油路并联，形成第一油路7，将吸油油路或者排油油路并联，形成第二油路8，组成一个直驱电液伺服泵系统，对外负载进行伺服控制。(第一油路7和第二油路8均可以进行吸油或者排油)

第一油路7、第二油路8分别与液压缸2的两个腔连通，通过对两腔吸排油的压力和流量的控制，对第一吸排油活塞106活塞杆、第二吸排油活塞109活塞杆的输出运动进行伺服驱动。充压油箱6内存有低压油液，分别通过第一补油单向阀3、第二补油单向阀4和第一油路7、第二油路8连通，负责为两条油路在低压缺油情况下的补油。液压缸2活塞杆后端装有位移传感器5，将液压缸2活塞杆的运动信息反馈给外部连接的控制器，实现对液压缸2的活塞杆运动输出的闭环伺服控制。

直驱电液伺服泵1的作用是根据控制指令，实现电能-机械能-液压能的转换，并对输出的液压能进行伺服控制。直驱电液伺服泵1中供油模块101的个数，根据系统质量体积、总功率、可靠性等方面的要求以及单个供油模块101的设计情况，灵活选定。

本发明中的直驱电液伺服泵1是该伺服作动系统的核心部件，负责对作动器的驱动、传动及伺服控制功能。作动器接收的能量以电能的形式传输进入直线电机驱动器102，直线电机驱动器102根据外接控制器的指令，将相应的驱动功率传输到直线振荡电机(105、110)的绕组线圈上，驱动电机动子的运动。直驱电液伺服泵1由多个供油单元101并联组合而成。每个供油单元101内的成对直接驱动泵组可独立的完成吸排油工作，为液压系统提供能量，因此要达到泵的完整功能，至少需要一个供油单元。当液压系统对功率输入有更高的要求，单个供油单元101不能达到时，可将两个乃至多个供油单元101并联使用，直到达到系统要求为止，共同为系统提供能量。直线振荡电机(105、110)对吸排油活塞(106、109)进行直接的直线往复振荡式驱动，电机动子的位移反馈到电机驱动器102，实现对电机动子直线运动的伺服控制。直线电机动子往复振荡运动的幅值和频率，决定了基本供油模块101的流量大小；两个配对的直线电机动子往复振荡运动的相位差，决定了基本供油模块的流量方向。因此对直线振荡电机动子运动的位置及速度进行伺服控制，就是对基本供油模块输出流量的大小和方向进行伺服控制。直驱电液伺服泵1通过与液压缸2两腔连通的两个油口，对液压缸活塞进行驱动，液压缸活塞杆后端连接位移传感器5，将活塞的运动信息反馈给外接的控制器，实现对直驱电静液作动器的闭环控制。

本发明的直驱电液伺服泵1中的单个供油模块101即可完成对液压缸2的伺服驱动功能，但仅限于在单个模块的功率包络线内，若单个供油模块101的功率输出达不到要求时，可根据需要进行多个供油模块101的配置，每个供油模块101的控制相对独立，但在共同驱动的过程中，需要保持连通油路的协调工作。例如，与第一油路7连通的各供油模块101的油口，要处于相同的工况，即要么同时排油，要么同时吸油，若有的供油模块101在第一油路7内吸油，有的供油模块101在第一油路7内排油，则会导致功率在直驱电液伺服泵1内部的循环消耗，不能使各供油模块101输出功率叠加，反而使各供油模块101功率输出减弱。也就是说，供油模块101功率输出的正方向定义为与第一油路7连通的油路排油，与第二油路8连通的油路吸油，必须保证各供油模块101输出功率在同一时刻，方向符号相同，才能达到功率叠加的目的。当某个供油模块101因出现故障无法工作时，其余供油模块101不受影响，仍可正常工作，这样就实现了对系统的余度配置，是系统在部分故障的情况下，可进行降级工作，提高了系统整体的可靠性。

本发明利用多个供油模块101共同组成直驱电液伺服泵1对液压缸2进行驱动还具有一种优点。下面以两个供油模块101即(双模块)结构为例进行说明。

如图3所示，直驱电液伺服泵300包括一个供油模块306和供油模块307，供油模块306设有第一吸排油活塞302和第二吸排油活塞303，供油模块307设有第一吸排油活塞304和第二吸排油活塞305，当吸排油活塞往复运动进行工作时，其输出流量受活塞运动影响，必然以脉动的形式输出。而这种脉动的工作油液的流量进入液压缸2内，对活塞的作用也是脉动的，这对于活塞运动的平滑控制是不利影响。图4所示为第一吸排油活塞302和第二吸排油活塞303在这一种遵循互配流原则的位置控制波形基础上，输出的流量曲线，其中位置的零点定义为吸排油活塞处于图中所示左极限位置。从图4所示，若以供油模块306单独供油，则输出流量脉动不可避免。若供油模块307内部的第一吸排油活塞304和第二吸排油活塞305按照图5所示位移控制波形运动，则供油模块307的输出流量如图5中流量曲线所示。此时供油模块306和供油模块307共同输出时，其叠加流量如图6所示，将是一条平稳的直线，即此时直驱电液伺服泵的整体流量输出无脉动，解决了传统柱塞泵难以解决的输出脉动，影响控制性能的问题。

Claims (3)

1.一种直接驱动电静液作动器，其特征在于，包括直驱电液伺服泵(1)、充压油箱(6)、第一补油单向阀(3)、第二补油单向阀(4)、液压缸(2)；

直驱电液伺服泵(1)包括至少一个供油模块(101)，供油模块(101)包括电机驱动器(102)、第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)、第一吸排油活塞(106)、第二吸排油活塞(109)、第一配流阀(107)和第二配流阀(108)；

电机驱动器(102)接收控制器指令，将驱动电功率分别通过线路A(103)、线路B(112)传输到第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)，第一直线振荡电机(105)、第二直线振荡电机(110)产生的动子位移信号通过线路C(104)、线路D(111)反馈给电机驱动器(102)，电机驱动器(102)对第一直线振荡电机(105)和第二直线振荡电机(110)进行动子位移的闭环伺服控制；

第一直线振荡电机(105)的动子与第一吸排油活塞(106)的活塞杆一端铰接，第一吸排油活塞(106)的活塞杆的另一端与第二配流阀(108)的阀芯刚性连接，第二配流阀(108)为第二吸排油活塞(109)的吸排油进行配流；第二直线振荡电机(110)的动子与第二吸排油活塞(109)的活塞杆一端铰接，第二吸排油活塞(109)的活塞杆的另一端与第一配流阀(107)的阀芯刚性连接，第二吸排油活塞(109)为第一吸排油活塞(106)的吸排油进行配流；第一配流阀(107)、第二配流阀(108)分别形成了吸油油路和排油油路；吸油油路并联、排油油路并联，形成第一油路(7)、第二油路(8)；

第一油路(7)、第二油路(8)分别与液压缸(2)的两个腔连通，充压油箱(6)分别通过第一补油单向阀(3)、第二补油单向阀(4)和第一油路(7)、第二油路(8)连通，负责为两条油路在低压缺油情况下的补油；液压缸(2)活塞杆后端装有位移传感器(5)，将液压缸(2)活塞杆的运动信息反馈给外部连接的控制器，实现对液压缸(2)的活塞杆运动输出的闭环伺服控制。

2.根据权利要求1所述的一种直接驱动电静液作动器，其特征在于，直驱电液伺服泵(1)中供油模块(101)的个数，根据系统质量体积、总功率、可靠性的要求以及单个供油模块(101)的设计情况，进行确定。

3.根据权利要求1所述的一种直接驱动电静液作动器，其特征在于，当多个供油模块(101)的个数大于1时候，供油模块(101)功率输出的正方向定义为与第一油路(7)连通的油路排油，与第二油路(8)连通的油路吸油，保证每个供油模块(101)输出功率在同一时刻，方向符号相同。

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