CN104791332A - 一种电液伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电液伺服系统，液压执行单元拖动负载完成特定指令动作，传感器形成反馈液压执行单元的实际动作的反馈指令；液压油通过进油路流入液压执行单元，液压油从液压执行单元和/或进油路通过回油路流回油箱；伺服控制单元控制伺服电机的转速，伺服电机拖动液压动力元件向液压执行单元提供液压油，控制液压执行单元的动作。因采用伺服电机速度可调的特性，通过调节转速而改变进油量的大小，具有成本低、控制精度和可靠性高、结构紧凑、抗干扰能力强、功耗低等优点，可以应用到对动态响应不是非常高，但是对控制精度有要求较高的场合，尤其是在工况环境较差、液压油清洁度无法保证的环境条件下，本电液伺服系统尤为适用。

Description

一种电液伺服系统

技术领域

本发明涉及液压伺服控制技术领域，特别涉及一种电液伺服系统。

背景技术

在一些需要精确位移控制和速度动态响应调节的场合中，一般都采用伺服系统作为传动机构，实现动力单元和执行单元之间的连接，完成特定的操作。

液压伺服控制系统因响应迅速、结构紧凑、精度高等诸多优点被广泛采用。为实现执行单元的实时精确控制，执行单元上会设置相应的传感器，传感器监测执行单元的位置、速度等信号，反馈到伺服控制系统调节输入功率，形成控制闭环。现有技术中液压伺服控制系统采用液压泵提供恒定的液压系统动力，液压伺服阀调节开口大小，控制进入、流出液压执行单元的液压油的油量，控制执行单元的速度和位移量。为实现流量调节功能，液压伺服阀的中间阀芯和阀体之间需满足精密间隙配合，如液压油中具有较小杂质就可能进入阀芯和阀体的间隙而影响、妨碍阀芯的移动以及配套调节马达的正常工作，因此液压伺服阀对液压油的清洁度要求很高，无法适用于液压油清洁度无法保证的工况环境。同时，采用液压伺服阀的液压伺服控制系统液压泵一直处于工作状态下，能量损失较大。

电气伺服系统采用伺服电机驱动滚珠丝杠方式控制执行器单元的动作响应，虽然其定位精度、传动效率比较高，但是承载能力低、加工成本较高且不能自锁，不适用于很多场合。

发明内容

为解决现有技术问题，本发明提供了一种新的电液伺服控制系统。

本发明提供一种电液伺服系统，包括液压执行单元、传感器、进油路、回油路、油箱、液压动力元件；所述液压执行单元外接负载、可拖动负载完成特定指令动作，所述传感器感应所述液压执行单元的实际动作，并形成反馈所述液压执行单元的实际动作的反馈指令；液压油从所述油箱通过所述进油路流入所述液压执行单元，液压油从所述液压执行单元或从所述进油路或同时从所述液压执行单元和所述进油路通过所述回油路流回所述油箱；所述液压动力元件位于所述进油路上，所述液压动力元件用于驱动液压油从所述进油路流入所述液压执行单元或所述回油路；还包括伺服电机和伺服控制单元，所述伺服控制单元接收上位机发出的控制指令和所述传感器形成的反馈指令，控制所述伺服电机的转速，所述伺服电机拖动所述液压动力元件向所述液压执行单元提供液压油，驱动、控制所述液压执行单元的动作。

因采用伺服电机速度可调的特性，通过调节转速而改变进油量的大小，具有成本低、控制精度和可靠性高、结构紧凑、抗干扰能力强、功耗低等优点，可以应用到对动态响应不是非常高，但是对控制精度有要求较高的场合，尤其是在工况环境较差、液压油清洁度无法保证的环境条件下，本电液伺服系统尤为适用。

优选的，还包括换向阀，所述换向阀位于所述回油路上；所述液压执行单元为单作用液压缸，所述单作用液压缸的作用油腔与所述进油路、所述回油路密封连接；所述换向阀可控制所述回油路的开闭；当液压油流入所述作用油腔时，所述换向阀关闭，使所述回油路闭合；当液压油从所述作用油腔流出时，所述换向阀打开，所述回油路打开，液压油流回所述油箱。

优选的，所述换向阀为电磁阀。

进一步地，因采用液压缸作为液压执行单元，且所述液压缸为单作用液压缸，因此只采用一套伺服控制系统即可完成驱动控制任务，通过外接负载的作用力完成液压缸的回程驱动，可实现单程速度、位移的精确控制；当液压油流入所述作用油腔时，所述换向阀闭合关闭了所述回油路，使得所述进油路的液压油全部进入所述作用油腔，控制快速；所述回油路和所述进油路、所述作用油腔直接连接，可使得所述作用油腔回油时所述伺服电机仍保持转动，保证所述伺服电机能够准确变速，快速响应，并在一定程度维持所述单作用液压缸返程的速度、满足工况要求。采用电磁阀，可通过伺服控制单元的控制电磁阀的开闭，响应快速。

优选的，所述回油路上具有调速阀，所述调速阀控制所述回油路的回油量。

进一步地，当所述液压缸维持稳定状态或所述作用油腔排出液压油时，所述电磁阀打开，所述调速阀可稳定液压油的油量，通过与所述伺服电机转速配合调节进油量和出油量，可调节所述液压油腔排油速度和位移量，控制所述液压缸的回程位移和回程速度。

优选的，所述单作用液压缸的非作用油腔与所述油箱连通，所述非作用油腔可用于存储液压油。

进一步地，利用所述非作用油腔的空间存储液压油，可降低油箱的体积，同时非作用油腔中的液压油可利用油缸散热，保证液压油的粘度和工作特性。

优选的，所述作用油腔为所述单作用液压缸的有杆腔。

优选的，还包括溢流旁路和溢流阀，所述溢流阀位于所述溢流旁路上，所述溢流旁路一端与所述进油路和所述作用油腔连接，所述溢流旁路的另一端与所述油箱连接。

进一步地，采用所述溢流旁路与所述进油路和所述作用油腔连接，利用所述溢流阀的防止压力过载作用，当油路中压力过高时，打开所述溢流阀将部分液压油排出管路，可防止系统过载，提高安全性。

优选的，还包括单向阀，所述单向阀位于所述进油路上，所述单向阀控制液压油从所述液压动力元件流入所述单向阀。

优选的，还包括所过滤器，所述过滤器位于所述进油路上。

进一步地，所述进油路上具有过滤器，可以过滤进入管路和阀控元件中的液压油的清洁度，采用所述单向阀，可防止进油路的液压油回流。

优选的，所述液压动力元件为齿轮泵。

附图说明

图1为实施例中电液伺服系统的示意图；

图2为实施例电液伺服系统的液压缸示意图；

图3为实施例电液伺服系统伺服控制单元和液压动力单元示意图；

图4为实施例电液伺服系统的工作原理图；

图5为实施例电液伺服系统的伺服控制流程图；

图1-图5中：

液压缸-1，伺服控制单元-2，液压动力单元-3，第一油管-4，电缆穿线管-5，第二油管-6，阀块-7，托板-8；缸体-10，输出端耳环-11，缸盖-12，活塞杆-13，有杆腔-14，活塞-15，无杆腔-16，缸底-17，传感器-18，地锚耳环-19；电源开关-21，闭环控制器-22，电气元件防护罩-23，电抗器-24，伺服驱动器-25，电气安装板-26，滤波器-27，温度压力传感器-28，伺服电机-29；油箱-31，齿轮泵-32，单向阀-33，过滤器-34，溢流阀-35，测压接口-36，调速阀-37，电磁阀-38。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1，本实施例中电液伺服系统主要由液压缸1、伺服控制单元2、液压动力单元3，伺服控制单元2和液压动力单元3安装在阀块7上形成了伺服液压站，可控制向液压缸1中注入、流出液压油，实现液压缸的可控作业。液压动力单元中相应的控制阀及液压动力元件也集成在阀块7上；伺服液压站通过托板8固定在了液压缸上；液压动力单元3通过第一油管4和第二油管6与液压缸1内的有杆腔和无杆腔相连，形成部分液压油路。为实现伺服控制，液压缸1中具有传感器，电缆穿线管5内穿接连接传感器和伺服控制系统的电缆。

图2为实施例液压伺服系统的液压缸示意图，从图2看出本实施例的液压缸的活塞杆13的一端具有输出端耳环11，另一端具有地锚耳环19，输出端耳环11可拖动负载按照指令执行相应的动作。液压缸1的主体有缸体10、缸盖12，活塞杆13、活塞15和缸底17，活塞15将缸体10分成了有杆腔14和无杆腔16两部分。本实施例中的液压缸为单作用油缸，有杆腔14为作用油腔，向有杆腔内注入液压油可使活塞杆13内缩，完成回缩动作；因外接足够大的负载，在需要排油时，通过负载作用于活塞杆13的压力驱动有杆腔14的液压油排出，完成活塞杆13的外伸动作。无杆腔16中也充满液压油，其与液压动力单元3中的油箱31连通，使得液压油可在无杆腔16、油箱31和有杆腔14之间流动，减小了油箱的体积，同时借助缸体散发工作产生的热量；在油箱足够大且具有足够散热能力时，无杆腔16也可不具有此功能。为了完成伺服控制功能，活塞杆13的杆体具有内腔，液压缸1的缸底17上安装了位移传感器18，位移传感器18的传感部件插入活塞杆13的内腔中，测量活塞杆13的伸出长度和活塞杆13的运动速度，反馈给伺服控制单元2，调整液压油的供应使液压缸1按照指令运动并进行微动调节。

图3为实施例伺服控制单元和液压动力单元示意图，其中伺服控制单元主要有电源开关21、闭环控制器22、电抗器24、滤波器27、伺服驱动器25和伺服电机29组成，以上各部分除伺服电机29外均固定在电气安装板26上，伺服电机29安装在阀块7上。为了实时监控液压油的工作温度、油压，分别在液压动力单元的液压油箱内和进油路上设置有温度压力传感器28和测压接口36，与伺服控制单元2连接反馈液压油工作状况，确保系统安全工作。伺服控制单元2中，闭环控制器22用于接收上位机的控制指令和位移传感器18的位移反馈指令，通过闭环算法计算液压缸1的工作状态，发出下一步的控制指令给伺服控制器25，电抗器24和滤波器27具有滤波稳压作用，排除外接电源的对伺服系统的干扰，伺服驱动器25根据接收指令控制伺服电机29的转速，而伺服电机29则拖动相应的液压动力元件完成供油。因伺服控制单元2需要保证较高的防护等级，并且其也会产生相应的电磁干扰，因此在伺服控制单元1外侧设置了电气元件防护罩23，电气元件防护罩23既可以提高伺服控制单元的防水、防尘能力，有可以防止电气元件产生的电磁辐射向外传播、减少对外界的电磁干扰。

图3中也示出了本实施中的液压动力单元的关键组成部分，液压动力单元中的所有阀控元件均集成在阀块7中，通过阀控元件连接相应的管路、动力源、油箱可实现液压油的供应、排出功能。液压动力单元主要有油箱31、齿轮泵32、单向阀33、过滤器34、溢流阀35、测压接口36、调速阀37、电磁阀38和相应的管路组成。其中油箱31存储液压油；齿轮泵32作为液压动力元件，在伺服电机29的拖动下转动为液压缸1供应液压油；单向阀33设置于进油路上，防止液压油在外在压力下回流至齿轮泵32；过滤器34可过滤液压油中的杂质，防止液压油中的杂质在循环过程中堵塞各阀控元件及管路；溢流阀35设置在溢流旁路上，在液压油的油压超过安全承载时溢流阀打开，释放液压油回流至油箱31；测压接口为外接压力测试提供了接口，方便系统的调校和测试；调速阀37和电磁阀38串联设置在回油路上，其中调速阀37具有恒流特性，可确保回油路的回油流速一定，电磁阀38则是具有开闭功能，可控制回油路是否开启。在其他实施例中，也可采用其他换向阀替代电磁阀38，实现回油路的开闭功能。

图4为实施例电液伺服系统的工作原理图，为更为明了的说明本实施例，结合图4对本实施例中的电液伺服系统如何工作进行讲解。其中齿轮泵32、过滤器34、单向阀33和相应的管路组成进油路，溢流阀和相应的管路组成了溢流旁路，调速阀37和电磁阀38和相应的管路组成了回油路，三个管路均和液压缸的有杆腔相连的第一油管2连接，根据压力大小和相关阀控元件的开闭，可控制液压油的不同流向。进油路、溢油旁路、回油路及与液压缸1的无杆腔16连接的第二油管均连通油箱31。测压接口36与进油路、有杆腔、回油路、溢流回路直接连接，可外接压力测试工具测量整个系统油路的压力。

当需要活塞杆12回缩时，电磁阀38关闭，回油路闭合；伺服控制单元2中的伺服电机29转动，拖动齿轮泵32转动，泵送液压油进入进油路，液压油经过过滤器34、单向阀33后经过第一油管4进入有杆腔14，驱动活塞杆13回缩，根据控制指令和传感器18的反馈指令，伺服驱动器25控制、调整伺服电机29的转速，控制有杆腔14进油量的大小而控制活塞杆13回缩的位移量和回缩速度，实现速度和位置误差的实时补偿。当需要活塞杆保持恒定状态时，伺服电机29停机，电磁阀38关闭，活塞杆13可在当前位置保持稳定而不受外界负载影响。当需要活塞杆13外伸时，电磁阀38打开，有杆腔14中的液压油在外接负载压力作用下被排出并从回油路流回油箱31，此时伺服电机29仍保持一定的转速可拖动齿轮泵32向进油路提供一定的液压油；因调速阀37具有恒流特性，因此其单位时间流过的液压油量是一定的，根据指令控制伺服电机29的转速而控制进油路的油量，可控制有杆腔14流出油量的大小，进而可控制活塞杆13的外伸位移量和外伸速度。为保证管路、各阀控元件的正常安全工作，防止过载，当管路内压力过大时，溢流旁路中的溢流阀35打开，液压油在压力驱动下流回油箱31，实现减压。

应当注意，本实施例中的调速阀37可用于实现液压缸的双向运动精确控制，如只需单向精确控制、回程不需精确控制的场合，可不采用调速阀37；单向阀33、过滤器34分别为防止液压油回流、过滤液压油杂质的功能而设置，从本实施例原理看，其也可不采用。

本实施例中有杆腔14为作用油腔，也可采用无杆腔16作为作用油腔；在此情况下，只需将进油路连接无杆腔16，回油路连接有杆腔14或油箱31。活塞杆13需外伸时，电磁阀38关闭，伺服电机29拖动齿轮泵32向无杆腔16中注入液压油；而当活塞杆13需要回缩时，电磁阀38打开，伺服电机29降速工作，活塞杆12在外接负载作用下回缩排出无杆腔16的液压油。

图5为实施例电液伺服系统的伺服控制流程图。当上位机发出控制指令到闭环控制器22后，闭环控制器22发送相应的控制指令到伺服控制器25，伺服控制器25根据指令调整伺服电机29的转速驱动齿轮泵32的转动，相应地驱动液缸中有杆腔14的内缩或液压油经电磁阀38和调速阀37流回油箱31，位移传感器18实时监测活塞杆12的位置反馈给闭环控制器22，闭环控制器22结合上位机指令和位移控制器18反馈结果通过闭环算法计算后发送新的控制指令，调整伺服电机，对活塞杆12运动过程中的位置和速度进行实时补偿。

本实施例采用了伺服电机集合传统液压伺服系统中的动力部件和液压伺服阀，将传统液压伺服系统中的液压伺服阀调节开口大小控制进入液压缸1中的液压油转变为通过伺服电机29的转速调节进入液压缸1中的液压油，克服了液压伺服阀对液压油清洁度要求较高而无法应用于环境恶劣场合的情况，同时伺服电机速度可调，相对传统的液压泵可减少能量损失。

因采用伺服电机速度可调的特性，通过调节转速而改变进油量的大小，本实施例中的电液伺服系统具有成本低、控制精度和可靠性高、结构紧凑、抗干扰能力强、功耗低等优点，可以应用到对动态响应不是非常高，但是对控制精度有要求较高的场合，尤其是在工况环境较差、液压油清洁度无法保证的环境条件下，本电液伺服系统尤为适用样机测试结果表明，该伺服液压系统的速度控制精度高于0.05mm/s，位移量控制精度高于0.01mm，在系统无源保位情况下，活塞杆的位移量小于0.05mm/h。

本实施例中的液压动力元件为齿轮泵32，当然也可采用其他本领域常用的动力元件，如叶片泵、柱塞泵等。在需要控制外接负载为圆周运动时，也可采用液压马达作为液压执行单元，此时传感器采用感应圆周运动的传感器，进油路和回油路不再直接接通，而是两端分别连接液压马达和油箱。如采用双作用液压缸完成活塞杆12的运动控制时，可采用两套相应的伺服控制单元和液压动力单元，按照本实施例中的连接方式分别连接作用油腔与其配套的伺服控制单元和液压动力单元，并协调两套伺服控制单元的配合关系；当然，此时回油路上可不再设置调速阀，仅通过电磁阀38的开闭及伺服电子转速的调整使两侧作用油腔的压力变化即可排出液压油、控制油压和流速，进而控制活塞杆的伸缩动作。

以上对本发明所提供的电液伺服系统进行了详细介绍。本文中应用了具体隔离对本发明的原理和实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电液伺服系统，包括液压执行单元、传感器(18)、进油路、回油路、油箱(31)、液压动力元件(32)；

所述液压执行单元外接负载、可拖动负载完成特定指令动作，所述传感器(18)感应所述液压执行单元的实际动作，并形成反馈所述液压执行单元的实际动作的反馈指令；

液压油从所述油箱(31)通过所述进油路流入所述液压执行单元，液压油从所述液压执行单元或从所述进油路或同时从所述液压执行单元和所述进油路通过所述回油路流回所述油箱(31)；所述液压动力元件位于所述进油路上，所述液压动力元件用于驱动液压油从所述进油路流入所述液压执行单元或所述回油路；

其特征在于，还包括伺服电机(29)和伺服控制单元(2)，所述伺服控制单元(2)接收上位机发出的控制指令和所述传感器(18)形成的反馈指令，控制所述伺服电机(29)的转速，所述伺服电机(29)拖动所述液压动力元件向所述液压执行单元提供液压油，驱动、控制所述液压执行单元的动作。

2.根据权利要求1所述的电液伺服系统，其特征在于，还包括换向阀，所述换向阀位于所述回油路上；所述液压执行单元为单作用液压缸(1)，所述单作用液压缸(1)的作用油腔与所述进油路、所述回油路密封连接；所述换向阀可控制所述回油路的开闭；当液压油流入所述作用油腔时，所述换向阀关闭，使所述回油路闭合；当液压油从所述作用油腔流出时，所述换向阀打开，所述回油路打开，液压油流回所述油箱(31)。

3.根据权利要求2所述的电液伺服系统，其特征在于，所述换向阀为电磁阀(38)。

4.根据权利要求2所述的电液伺服系统，其特征在于，所述回油路上具有调速阀(37)，所述调速阀(37)控制所述回油路的回油量。

5.根据权利要求2所述的电液伺服系统，其特征在于，所述单作用液压缸(1)的非作用油腔与所述油箱(31)连通，所述非作用油腔可用于存储液压油。

6.根据权利要求2所述的电液伺服系统，其特征在于，所述作用油腔为所述单作用液压缸(1)的有杆腔(14)。

7.根据权利要求2-6任一项所述的电液伺服系统，其特征在于，还包括溢流旁路和溢流阀(35)，所述溢流阀(35)位于所述溢流旁路上，所述溢流旁路一端与所述进油路和所述作用油腔连接，所述溢流旁路的另一端与所述油箱(31)连接。

8.根据权利要求1所述的电液伺服系统，其特征在于，还包括单向阀(33)，所述单向阀(33)位于所述进油路上，所述单向阀(33)控制液压油从所述液压动力元件(32)流入所述单向阀(33)。

9.根据权利要求1所述的电液伺服系统，其特征在于，还包括所过滤器(34)，所述过滤器(34)位于所述进油路上。

10.根据权利要求1所述的电液伺服系统，其特征在于，所述液压动力元件为齿轮泵(32)。