CN104533865B - 一种液压节能控制器 - Google Patents

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Abstract

一种液压节能控制器，包括高压进油口1、低压进油口2、出油口9、高速开关阀4、单向阀5、惯性器6、两位三通高速换向阀7和蓄能器8。采用PWM信号作为液压节能控制器中阀的控制信号3。通过控制高速开关阀的开关的时机，重复上述工作过程，使得出油口持续输出稳定的压力和流量，这样即可利用高压油多余的能量做功，达到节能的效果，通过调节PWM控制信号的占空比，可实现输出压力和流量的调节，即通过控制高压油口和低压供油口的时间，从而达到控制输入的总能量始终与负载所需能量相匹配，最终实现节能高效的目的。

Description

一种液压节能控制器
技术领域
本发明涉及一种液压节能控制器。
背景技术
近年来移动机器人在结构、感知、路径规划和控制等领域得到了长足的发展，实现了娱乐服务、人机互动、极端环境侦查等复杂功能，但是能源和驱动技术发展滞后，导致移动机器人负载能力有限，制约了移动机器人的实用化。现有研究表明，当动力源的输出压力超过3.5MPa时，同功率的液压驱动系统比纯机电驱动系统具有更高的功率密度。采用液压驱动系统是提高负载能力的有效途径。目前许多研究单位开始尝试用液压动力系统来驱动移动机器人，如美国波士顿动力公司研制的BIGDOG、petman，意大利理工大学的KenKen Ⅱ液压驱动四足机器人，另外由中国863高技术研究发展计划资助的高性能四足机器人项目明确提出要采用液压驱动系统。
由于重量和体积的限制，移动机器人的液压驱动系统采用的都是单泵源—多执行器系统结构。该类液压驱动系统效率非常低下，主要原因是各执行器的负载在同一时刻都不相同，并且同一执行器在不同时刻负载也不相同，一个泵源不能同时与多个执行器的负载进行功率匹配，一般选择大功率执行器负载进行匹配，目前控制执行器采用的方式为比例节流控制方式，由此导致负载较低的执行器支路出现大量节流耗损，造成效率低下。
效率低下会造成如下问题：动力源的功率要求高，动力源的重量和体积会上升；完成同样的工作需要的能量(如汽油)增加，重量增加；系统液压元件性能指标要求会提高，液压元件的重量和体积会增加；系统发热会更严重，冷却系统的功率就会变大，冷却系统的体积和重量就会增加。因此效率低下会严重影响移动机器人的负载能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种可有效提高移动机器人液压驱动系统效率的节能控制器及控制方法，该方法通过调节PWM信号脉宽来实现输出功率与负载功率的匹配，最终达到提高液压系统效率的目的。本发明通过以下技术方案实现上述目的。
一种液压节能控制器，包括高压进油口、低压油进油口和与执行器连通的出油口，所述高压进油口通过节能系统与执行器连通，所述节能系统包括第一高速开关阀、第二高速开关阀、换向阀和惯性器，所述惯性器包括质量块，所述质量块的两侧对称设有液压活塞，所述液压活塞的活塞杆的端部安装在所述质量块的两侧，所述高压进油口分别通过管路和设置在管路上的第一高速开关阀和第二高速开关阀与惯性器的两端的液压活塞的无杆腔连通，两个所述液压活塞的无杆腔通过油路分别与换向阀的进油口A和进油口B连接，所述换向阀的出油口C与执行器连通，并且换向阀的出油口C与执行器之间的油路上还并联有蓄能器，所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔还与低压进油口连通。
所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔与换向阀的进油口A和进油口B之间的油路上分别安装有防止液压油向惯性器回流的第一单向阀，所述换向阀与执行器之间的油路上还安装有防止液压油向出油口C回流的第二单向阀，所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔与低压进油口之间的油路上安装有防止液压油向低压进油口回流的第三单向阀。
包括两套所述节能系统，两套所述节能系统的换向阀的出油口C连通。
所述换向阀为两位三通高速换向阀。
所述液压活塞安装在支撑架上并且外部包裹有保护罩，所述液压活塞与所述质量块相对面上设有防止碰撞损伤的弹性挡块。
所述液压活塞的缸筒为耐高压的高压直管。
所述液压活塞的端盖通过螺钉固定在保护罩两端，且所述端盖与保护罩之间设置有弹性垫片。
所述高速开关阀和换向阀均采用PWM信号作为控制信号。
由于采用上述结构，本装置通过在高压进油口与执行器之间设置一个节能系统，通过节能系统的高压油的液压能一方面给执行器供能，另一方面，高压油推动惯性器中的质量块加速运动，将多余的液压能转化为质量块的动能，同时质量块将另一端高压直管内的液压油推出，排出的液压油通过换向阀流到执行器，当高速开关阀关闭状态时，高压进油口被截止，此时质量块在惯性的作用下继续运动将液压油从低压进油口吸入到惯性器一侧的液压活塞腔中，而质量块另一端上的活塞将继续将缸筒内的液压油推出，排出的液压油通过换向阀流向执行器，质量块在液压推力作用下减速运动直到速度降低为零，此时质量块的动能完全转化成液压能。通过控制高速开关阀的开关的时机，重复上述工作过程，使得出油口持续输出稳定的压力和流量，这样即可利用高压油多余的能量做功，达到节能的效果。
采用PWM信号作为本发明中阀的控制信号(PWM信号即脉宽可调节的周期信号，这种信号是成熟的技术，可通过多种手段获取，采用该种信号控制比较简单高效，信号容易获得)。当控制信号幅值为1时打开高速开关阀口，幅值为0时则关闭高速开关阀口。当控制信号幅值为1时使两位三通阀的B口与C口导通，当幅值为0时使两位三通阀的A口与C口导通。
综上所述，本发明能够通过调节PWM控制信号的占空比，(占空比即一个周期内幅度为1(脉宽)所占的时间相对于一个周期时间的比值。)实现输出压力和流量与负载压力和流量相匹配，即通过控制高压油口和低压供油口的时间，从而达到控制输入的总能量始终与负载所需能量相匹配，最终实现节能高效的目的。本专利相比现有技术而言更加节能(即减少汽油的消耗量)，节能可以降低动力源的重量和体积、可减少携带的汽油重量、可减小散热器的重量和体积等从而降低机器人自身的重量，从而提高机器人可携带负载的重量。本发明可用在能量自治的各执行器负载变化较大的各类中小型移动平台上，如两足机器人、四足机器人、小型无人挖掘机、外骨骼装备等，能够有效提高此类装备液压驱动系统效率，从而提高其负载能力、促进其进一步实用化，同时实现节能环保，具有较好的经济价值。
附图说明
图1本发明的原理图；
图2本发明的惯性器结构示意图；
图3(a)本发明的工作过程示意图；
图3(b)本发明的工作过程示意图；
图4本发明的阀控制信号示意图；
图5本发明的一个应用实例：不同占空比K可匹配的负载变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。
实施例：如图1所示，本例中设置两套节能系统，液压节能控制器具有三个油口，一个高压进油口1，一个低压进油口2和一个出油口9。每套节能系统结构相同包括高速开关阀4、单向阀5、惯性器6和换向阀7，本例中，第一节能系统包括第一高速开关阀41、第二高速开关阀43、第一惯性器61、单向阀和第一换向阀71，第二节能系统包括第三高速开关阀42、第四高速开关阀44、单向阀、第二惯性器62和第二换向阀72，换向阀为两位三通高速换向阀设有进油口A口和B口，出油口C口，所述第一惯性器的两个液压活塞的无杆腔与第一换向阀的进油口A和进油口B之间的油路上分别安装有防止液压油向第一惯性器回流的单向阀52、53，所述第一换向阀与执行器之间的油路上还安装有防止液压油向出油口C回流的单向阀59，所述第一惯性器的两个液压活塞的无杆腔与低压进油口之间的油路上安装有防止液压油向低压进油口回流的单向阀51、54；所述第二惯性器的两个液压活塞的无杆腔与第二换向阀的进油口A和进油口B之间的油路上分别安装有防止液压油向第二惯性器回流的单向阀56、58，所述第二惯性器的两个液压活塞的无杆腔与低压进油口之间的油路上安装有防止液压油向低压进油口回流的单向阀55、57，由于第一节能系统和第二节能系统结构相同，因此这里以第一节能系统为例进行描述，高速开关阀41、43一端与高压进油口1连接，另一端与第一惯性器61两端的液压活塞的无杆腔连通，液压活塞的无杆腔还分别与低压有进口、第一换向阀的进油口A和进油口B连通，换向阀61出油口C与出口9连接，出口有与执行器连接，且在单向阀59与出口9的油路上并联一个蓄能器8。
该节能控制器的实际结构受所选用的高速阀和蓄能器等器件的外形尺寸和安装结构，以及具体使用对象的布局空间的限制，其结构可以任意设计。其中本专利给出了核心器件惯性器6的一种具体结构，如图2所示。该惯性器6采用对称结构设计，由油口611、端盖612、弹性垫片613、支撑架614、弹性挡块615、高压直管616、质量块617和外保护罩618等组成。油口611位于惯性器61的两端，分别与高压直管616的一端连接。端盖611通过螺钉固定在保护罩618两端，且下面放置弹性垫片613，便于拧紧螺钉时保证端盖611能够压紧高压直管616。质量块617由质量块6173和两端的活塞杆6172、活塞6171组成。活塞6171在高压直管616内滑动。高压直管616与质量块6173接触的端面上安装有弹性挡块615，用于防止质量块616撞击高压直管616。质量块靠两端的活塞支撑即可，由质量块质量产生的摩擦阻力和重力，相对于液压油产生的推力而言可以忽略不计。
本发明的工作原理：液压节能控制器的一个工作过程如图3所示，该工作过程包括惯性器的能量存储和释放两个阶段。图3(a)所示为能量存储过程，虚线箭头表示液压油流动线路，此时高速开关阀41处于开启状态，高速开关阀43处于关闭状态，液压油由高压油口1进入到惯性器6。两位三通阀71的B口与C口导通。此时高压油口1压力pS高于负载压力pL，惯性器中的质量块617在液压推力的作用下加速向右运动，因此多余的液压能则转化成质量块的动能E，即：
其中，v为质量块的速度，m为质量块质量，S为质量块的活塞6171的截面积。该过程中由于质量块速度不断增加，使得从惯性器中排除的流量增加，此时蓄能器8将多余的流量吸收，保持输出压力和流量的平稳。
图3(b)所示为能量释放过程，虚线箭头表示液压油流动线路，此时高速开关阀41和43都处于关闭状态，同样保持两位三通阀71的B口与C口导通。此时质量块在惯性作用下继续运动，将液压油从低压供油口2吸入到惯性器6中。此时由于负载压力pL高于低压油口供油压力pT，质量块在液压推力的作用下减速运动，直到质量块速度降为零，质量块将存储的动能完全释放，并转化为液压能。该过程质量块做减速运动，即：
该过程中由于质量块速度不断下降，使得从惯性器中排除的流量减少，此时蓄能器8将吸收的液压油排出补充输出流量的不足，保持输出压力和流量的平稳。
图4所示为液压节能控制器阀的控制信号，其中k为占空比，T0为时间周期。如图1所示，信号31、32、33和34为高速开关阀4的控制信号，当信号幅值为1时高速开关阀4处于开启状态，幅值为0时则处于关闭状态。信号35和36为两位三通阀7的控制信号，当信号幅值为1时两位三通阀7的B口与C口导通，当幅值为0时两位三通阀7的A口与C口导通。液压节能控制器中阀在图4所示信号的控制下，重复进行图3所示的工作过程。即节能控制器完整的工作过程为：在图4信号的控制下，控制信号31幅值首先为1，高速开关阀41开启，其余高速开关阀处于关闭状态，此时第一惯性器61执行图3(a)所示工作过程，当控制信号31幅值为零时，高速开关阀42关闭，第一惯性器61执行图3(b)所示工作过程。接着控制信号32幅值为1，高速开关阀42开启，其余高速开关阀处于关闭状态，第二惯性器62执行图3(a)所示工作过程，当控制信号32幅值为零时，高速开关阀42关闭，第二惯性器62执行图3(b)所示工作过程，在执行这四个工作过程时，两位三通换向阀71和72的B口与C口导通。当控制信号33幅值首先为1，高速开关阀43开启，其余高速开关阀处于关闭状态，此时第一惯性器61执行图3(a)所示工作过程，只是质量块运行方向与图3(a)中所示相反，两位三通换向阀71的A口与C口导通，当控制信号33幅值为零时，高速开关阀43关闭，第一惯性器61执行图3(b)所示工作过程，同样质量块运行方向与图3(b)中所示相反，两位三通换向阀71的A口与C口导通。当控制信号34幅值首先为1，高速开关阀44开启，其余高速开关阀处于关闭状态，此时第二惯性器62执行图3(a)所示工作过程，只是质量块运行方向与图3(a)中所示相反，两位三通换向阀72的A口与C口导通，当控制信号34幅值为零时，高速开关阀44关闭，第一惯性器62执行图3(b)所示工作过程，同样质量块运行方向与图3(b)中所示相反，两位三通换向阀72的A口与C口导通。通过循环执行上述工作工程，出油口持续输出稳定的压力和流量。
保持输出流量一定时，可通过调节占空比k的大小调节输出的压力的高低，输出压力pL可表示为：
pL＝pT+(pS-pT)k
同样，保持输出压力一定，可通过调节占空比k的大小调节输出流量的大小。图5给出了一个液压节能控制器在不同占空比k下，输出的压力和流量的变化曲线。
因此本发明能够通过调节占空比，可使得输出压力和流量与负载压力和流量相匹配，即通过控制高压油口和低压供油口的时间，从而实现输入的总能量始终与负载所需能量相匹配，最终实现节能高效的目的。

Claims (8)

1.一种液压节能控制器，包括高压进油口、低压油进油口和与执行器连通的出油口，其特征在于，所述高压进油口通过节能系统与执行器连通，所述节能系统包括第一高速开关阀、第二高速开关阀、换向阀和惯性器，所述惯性器包括质量块，所述质量块的两侧对称设有液压活塞，所述液压活塞的活塞杆的端部安装在所述质量块的两侧，所述高压进油口分别通过管路和设置在管路上的第一高速开关阀和第二高速开关阀与惯性器的两端的液压活塞的无杆腔连通，两个所述液压活塞的无杆腔通过油路分别与换向阀的进油口A和进油口B连接，所述换向阀的出油口C与执行器连通，并且换向阀的出油口C与执行器之间的油路上还并联有蓄能器，所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔还与低压进油口连通。
2.根据权利要求1所述的液压节能控制器，其特征在于：所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔与换向阀的进油口A和进油口B之间的油路上分别安装有防止液压油向惯性器回流的第一单向阀，所述换向阀与执行器之间的油路上还安装有防止液压油向出油口C回流的第二单向阀，所述惯性器的两个液压活塞的无杆腔与低压进油口之间的油路上安装有防止液压油向低压进油口回流的第三单向阀。
3.根据权利要求2所述的液压节能控制器，其特征在于：包括两套所述节能系统，两套所述节能系统的换向阀的出油口C连通。
4.根据权利要求3所述的液压节能控制器，其特征在于：所述换向阀为两位三通高速换向阀。
5.根据权利要求1至4之一所述的液压节能控制器，其特征在于：所述液压活塞安装在支撑架上并且外部包裹有保护罩，所述液压活塞与所述质量块相对面上设有防止碰撞损伤的弹性挡块。
6.根据权利要求5所述的液压节能控制器，其特征在于：所述液压活塞的缸筒为耐高压的高压直管。
7.根据权利要求6所述的液压节能控制器，其特征在于：所述液压活塞的端盖通过螺钉固定在保护罩两端，且所述端盖与保护罩之间设置有弹性垫片。
8.根据权利要求1至4之一所述的液压节能控制器，其特征在于：所述高速开关阀和换向阀均采用PWM信号作为控制信号。
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