CN104019006A - 一种柱塞泵变量机构控制回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞泵变量机构控制回路，包括变量活塞、反向弹簧部件、定量泵、高速开关阀、压力传感器、位移传感器和控制器等部分。采用错位式PMW控制策略对N个二位二通高速开关阀控制并结合活塞式蓄能器实现定量泵出口压力高响应高精度要求；其压力命令值由变量活塞高压腔压力决定，确保高速开关阀两端压差精度，实现在减少定量泵功率损失基础上提高变量活塞位置控制精度及其精度稳定性；变量活塞位置控制通过两个二位三通高速开关阀实现，并引入50%基准占空比实现控制对称性；采用反向弹簧部件不仅消除柱塞运动产生的惯性力矩对斜盘稳定性影响，并引入了力的负反馈，减小高速开关阀控下的变量活塞位置控制颤振幅值。

Description

一种柱塞泵变量机构控制回路

技术领域

本发明涉及一种柱塞泵变量机构控制回路，属于数字式电液控制领域，具体来讲是一种利用高速开关阀根据柱塞泵变量机构负载要求实时控制定量泵出口压力，并且利用高速开关阀控制变量机构位置的一种控制系统。

背景技术

电液控制系统有容积控制和节流（阀控）控制两大类，传统观点是，容积控制技术主要用于大功率、动态响应要求低的场合，在动态响应要求高的中小功率系统采用节流控制技术。但阀控系统存在大的节流损失，能量效率低等问题，为根本上解决上述问题，理想途径是采用直接泵控技术。因此如何提高变量柱塞泵的响应速度与控制精度已成为电液控制技术的发展方向。

随着对柱塞泵控制研究的深入，发现影响变量柱塞泵的响应速度关键影响因素为控制阀的通流能力与响应速度。传统比例柱塞泵采用定压先导泵供油，利用比例阀/伺服阀对变量机构进行控制，响应速度已经可以达到25Hz，已有专利技术[CN2578556Y]。但其价格昂贵，对油液清洁度要求较高，并且先导部分本身也为节流控制，随着对变量泵响应速度要求的提高，先导泵排量也随之加大，其定压式先导泵控制模式的功率损失将进一步加大。

相比与比例阀和伺服阀，高速开关阀具有价格便宜，较强的抗污染能力，并且响应速度远高于前两者。高速开关阀在阀口全开和全闭的时其节流损失较小，其节流损失主要存在于阀口开启和关闭的过程。随着高速开关阀响应速度的加快，其开启和关闭过程所占比例已经非常小，因此这两个过程所产生的节流损失也较小。目前日本日立公司发展了利用定量泵结合两个二位二通高速开关阀控制差动变量活塞方式，本发明者将这一原理应用于EX-200挖掘机系统上。但由于柱塞泵变量机构负载的特殊性，即在柱塞泵转速固定时，柱塞泵的变量活塞上所需控制力与主泵出口压力和变量活塞的位移相关，传统采用定压先导泵控制方式，容易导致在主泵出口压力不同，变量活塞位置不同时响应速度不同，这将影响柱塞泵出口流量的精度与精度的稳定性；另一方面在小排量柱塞泵上滑靴副运动产生的惯性力矩较小，但随着柱塞泵排量加大，滑靴副惯性运动产生的惯性力矩加大，单纯的采用变量活塞控制斜盘方式的稳定性将受到影响，针对该问题美国密苏里大学提出采用柱塞腔安装弹簧方式提高其稳定性，但由于柱塞高频的来回运动，其弹簧容易导致疲劳受损。

与比例阀和伺服阀控制特性相比，高速开关阀控制的另一特点是其传统的高阀控回路其颤振幅值较大，由于变量机构的响应特性直接影响到柱塞泵的响应特性，因此该颤振幅值应尽量减小。为减小该幅值，一种方式是通过提高PWM控制频率，但这将缩短高速开关阀的寿命，并且受到高速开关阀本身响应特性的限制，因此其控制频率目前都控制在50Hz左右，导致其压力控制精度将受到限制；另外一种方式是采用蓄能器吸振，已有相应专利技术如[CN 102155476 A]。其为达到减小颤振幅值的效果需要加大蓄能器的体积，但蓄能器体积加大会影响压力的响应速度，导致该控制回路的响应速度变慢，同时有些场合对蓄能器体积有严格要求，如在航空航天等一些对体积质量要求较高的场合并不适用。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柱塞泵变量机构控制回路。

本发明的技术方案在于：

一种柱塞泵变量机构控制回路，包含柱塞泵主体结构、定量泵，至少一个的二位二通高速开关阀、二位三通高速开关阀，变量活塞，反向弹簧部件，压力传感器，位移传感器和控制器，其特征在于，所述定量泵分三路输出，一路经第一二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_a的驱动端管路连接，另一路经第二二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_b的驱动端管路连接，还有一路与至少一个的二位二通高速开关阀管路连接，所述定量泵与二位二通高速开关阀连接的管路上还设有活塞式蓄能器，所述定量泵的输出端、变量活塞p_a驱动端、变量活塞p_b驱动端、柱塞泵主体结构上分别设有第一、第二、第三、第四压力传感器，所述变量活塞p_b驱动端上还设有一位移传感器，所述第一、第二、第三、第四压力传感器及位移传感器分别与控制器的输入端电路连接，所述控制器的输出端分别与各阀的驱动端电路连接。

其中，所述二位二通高速开关阀为N个，且N<5。

所述的第一压力传感器的反馈信号与命令值                                               形成压力误差信号，控制器将该误差信号分成N等分并且同时产生延时时间，其中，为一个PWM控制周期，每个高速开关阀响应误差信号，并且位于两二位三通高速开关阀之间的第一个高速开关阀控制信号无延时时间，沿管路输液方向依次设置的第二个高速开关阀控制信号延时，第个高速开关阀控制信号延时时间为。

所述定量泵出口压力由变量活塞两腔压力的高压腔决定，并且，其中代表高速开关阀阀口压降设定值，。

所述变量活塞上设置反向弹簧部件，所述反向弹簧部件产生的弹簧力与变量活塞的位移成反比关系，并且其弹簧力大于因主泵旋转滑靴副产生的惯性力矩对变量活塞的作用力。

所述变量活塞的位移通过第一、第二二位三通高速开关阀控制，其控制信号包含一个基准占空比信号，并且第一二位三通高速开关阀占空比为，第二二位三通高速开关阀占空比为。

本发明的优点在于：本发明能根据变量活塞所受负载工况高精度实时调整定量泵出口压力，减少先导泵功率损失，并且变量活塞位置控制响应快，精度高，同时其精度保持性好，能在不同主泵出口压力与转速下，保证变量活塞在不同位置上的稳定性，避免斜盘控制侧隙现象。

附图说明

图1是本发明总系统液压回路与控制回路示意图。

图2是本发明错位式PWM控制策略压力控制示意图。

图3是当时采用错位式PWM控制与采用一般PWM控制的压力响应对比曲线图。

图4是位置压力复合控制与先导泵出口压力恒定控制两种控制下的变量活塞位移响应曲线。

图5是位置压力复合控制与先导泵出口压力恒定控制两种控制下的定量泵出口压力。

图6是本发明变量机构与反向弹簧部件示意图。

图7是本发明高速开关阀控变量活塞位置控制示意图。

图中：1、定量泵，2、第一压力传感器，3、第一二位三通高速开关阀，4、控制器，5、变量活塞，6、第二压力传感器，7、第三压力传感器，8、位移传感器，9、第四压力传感器，10、第二二位三通高速开关阀，11、柱塞泵主体结构，12、反向弹簧部件，13、第一二位二通高速开关阀，14、第二二位二通高速开关阀，15、活塞式蓄能器。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

参考图1至图7，本发明涉及一种柱塞泵变量机构控制回路，包含柱塞泵主体结构、定量泵，至少一个的二位二通高速开关阀、二位三通高速开关阀，变量活塞，反向弹簧部件，压力传感器，位移传感器和控制器，所述定量泵分三路输出，一路经第一二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_a的驱动端管路连接，另一路经第二二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_b的驱动端管路连接，还有一路与至少一个的二位二通高速开关阀管路连接，所述定量泵与二位二通高速开关阀连接的管路上还设有活塞式蓄能器，所述定量泵的输出端、变量活塞p_a驱动端、变量活塞p_b驱动端、柱塞泵主体结构上分别设有第一、第二、第三、第四压力传感器，所述变量活塞p_b驱动端上还设有一位移传感器，所述第一、第二、第三、第四压力传感器及位移传感器分别与控制器的输入端电路连接，所述控制器的输出端分别与各阀的驱动端电路连接。

上述二位二通高速开关阀为N个，且N<5。

上述的第一压力传感器的反馈信号与命令值形成压力误差信号，控制器将该误差信号分成N等分并且同时产生延时时间，其中，为一个PWM控制周期，每个高速开关阀响应误差信号，并且位于两二位三通高速开关阀之间的第一个高速开关阀控制信号无延时时间，沿管路输液方向依次设置的第二个高速开关阀控制信号延时，第个高速开关阀控制信号延时时间为。通过该控制可在不加大PWM控制控制频率的基础上细化控制周期，并且由于多个高速开关阀间的延时作用，使其控制效果为多个颤振波形的错位叠加，其总的颤振幅值将显著减少，并且由于活塞式蓄能器体积较小，因此其压力响应速度快（参阅图3）。

上述定量泵出口压力由变量活塞两腔压力的高压腔决定，并且，其中代表高速开关阀阀口压降设定值，。由于变量活塞的负载为近似弹性负载，若采用定量泵（1）出口压力恒定控制将导致在负载较小时高速开关阀两端压差过大，颤振信号加大，而通过该策略可减少高速开关阀因两端压差不同对其通流能力的非线性影响，从而提高了高速开关阀控变量活塞的精度及其稳定性参（参阅图4）。同时由于定量泵（1）功率，由于其泵出口压力可以随着负载需要变化，相对恒出口压，其功率损失显著减少（参阅图5）。

变量柱塞泵工作过程，其斜盘受到的主要负载为柱塞腔压力对斜盘的作用力矩，以及滑靴副运动产生的惯性力矩，两个力矩方向相反，并且与变量活塞运动的位置无关，与变量活塞运动的位置成反比关系。由于斜盘所受力矩，可能出现斜盘所受力矩方向改变问题，因此将出现斜盘控制侧隙的问题，其将引起斜盘振动与变量活塞控制不稳定现象。因此引入反向弹簧，参看图6，反向弹簧部件产生的弹簧力与变量活塞的位移成反比关系，并且其弹簧力大于因主泵旋转滑靴副产生的惯性力矩对变量活塞的作用力。通过引入该弹簧力，可保证变量活塞所受到的斜盘负载方向只与变量活塞活塞的位移的正负相关，提高了变量活塞控制的稳定性，并且该反向弹簧的弹簧力可对高速开关阀控变量活塞时的压力脉动引入负反馈，因此可进一步减少其控制的压力脉动幅值，从而进一步提高变量活塞位置控制精度。

参看图7，上述变量活塞的位移通过第一、第二二位三通高速开关阀控制，其控制信号包含一个基准占空比信号，并且第一二位三通高速开关阀占空比为，第二二位三通高速开关阀占空比为。通过引入基准占空比信号，保证两个高速开关阀对变量机构控制的对称性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1. 一种柱塞泵变量机构控制回路，包含柱塞泵主体结构、定量泵，至少一个的二位二通高速开关阀、二位三通高速开关阀，变量活塞，反向弹簧部件，压力传感器，位移传感器和控制器，其特征在于，所述定量泵分三路输出，一路经第一二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_a的驱动端管路连接，另一路经第二二位三通高速开关阀与变量活塞的压力为p_b的驱动端管路连接，还有一路与至少一个的二位二通高速开关阀管路连接，所述定量泵与二位二通高速开关阀连接的管路上还设有活塞式蓄能器，所述定量泵的输出端、变量活塞p_a驱动端、变量活塞p_b驱动端、柱塞泵主体结构上分别设有第一、第二、第三、第四压力传感器，所述变量活塞p_b驱动端上还设有一位移传感器，所述第一、第二、第三、第四压力传感器及位移传感器分别与控制器的输入端电路连接，所述控制器的输出端分别与各阀的驱动端电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种柱塞泵变量机构控制回路，其特征在于：所述二位二通高速开关阀为N个，且N<5。

3.根据权利要求2所述的一种柱塞泵变量机构控制回路，其特征在于：所述的第一压力传感器的反馈信号与命令值                                               形成压力误差信号，控制器将该误差信号分成N等分并且同时产生延时时间，其中，为一个PWM控制周期，每个高速开关阀响应误差信号，并且位于两二位三通高速开关阀之间的第一个高速开关阀控制信号无延时时间，沿管路输液方向依次设置的第二个高速开关阀控制信号延时，第个高速开关阀控制信号延时时间为。

4.根据权利要求1所述的一种柱塞泵变量机构控制回路，其特征在于：所述定量泵出口压力由变量活塞两腔压力的高压腔决定，并且，其中代表高速开关阀阀口压降设定值，。

5.根据权利要求1所述的一种柱塞泵变量机构控制回路，其特征在于：所述变量活塞上设置反向弹簧部件，所述反向弹簧部件产生的弹簧力与变量活塞的位移成反比关系，并且其弹簧力大于因主泵旋转滑靴副产生的惯性力矩对变量活塞的作用力。

6.根据权利要求5所述的一种柱塞泵变量机构控制回路，其特征在于：所述变量活塞的位移通过第一、第二二位三通高速开关阀控制，其控制信号包含一个基准占空比信号，并且第一二位三通高速开关阀占空比为，第二二位三通高速开关阀占空比为。