CN105715597B - 恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法，包括：控制器、驱动器、伺服电机、双向定量泵与非对称液压缸，所述控制器、驱动器与伺服电机依次相连，该控制器通过所述驱动器控制所述伺服电机运转，所述伺服电机、双向定量泵与非对称液压缸依次相连，所述伺服电机通过控制双向定量泵输出流量和方向，实现非对称液压缸的运动控制。本发明还提供了一种基于恒定背压直驱式电液伺服系统的控制方法，适用于垂直或非水平安装结构形式的非对称液压缸的控制，不仅完全解决了非对称液压缸流量不平衡问题和换向时的压力突变问题，同时，在满足系统控制精度和响应特性的前提下，能够大大降低回路成本，简化控制方案。

Description

恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，特别是涉及一种恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法。

背景技术

电液伺服系统由于具有响应快、控制精度高、稳定性好、易于自动控制等特点，最早被应用到航空和军事领域，后来逐渐进入到工业领域和民用领域。目前已广泛应用于冶金、工程机械、军工、航空、船舶、化工等产业中。传统电液伺服系统的核心部件大多采用电液伺服阀，其突出缺点是维护操作要求高、能耗高，尤其是电液伺服阀对油液清洁度要求高，抗污染能力差。随着微电子技术和交流变频调速技术的迅速发展，加之伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，伺服电动机的响应特性和控制精度得到了极大地提高，出现了一种新型的伺服驱动方式，即直驱式电液伺服系统。

目前典型的直驱式电液伺服系统采用伺服电机驱动双向定量泵，通过改变伺服电机的转速和旋向来改变双向泵的输出流量和方向，通过控制伺服电机的扭矩来控制系统压力，从而实现执行机构的换向、调速、调压三大功能，由于这三种功能直接由伺服电机控制，不需要常规的电液伺服阀，从而对油液清洁度的要求大大降低。与传统电液伺服系统相比，直驱式电液伺服系统具有伺服电机传动控制灵活、电气传动能耗低和液压传动出力大的多重优点。

电液伺服系统的执行驱动机构通常采用液压缸和液压马达，由于单出杆非对称液压缸具有结构简单，占用空间少，出力大等优点，成为一种更普遍采用的执行机构，在有一些场合甚至必须采用单出杆非对称液压缸。但是由于非对称液压缸在换向时容易产生压力突变、正反向流量不同，极大地影响了控制效果。

然而，目前直驱式电液伺服系统控制非对称液压缸采用的是双泵控制原理来解决流量不平衡问题。双泵控制原理的实现方式是采用两台泵分别控制非对称液压缸的两腔，大排量泵控制无杆腔，小排量泵控制有杆腔。此方案虽然解决了流量不平衡问题，但非对称液压缸换向时的压力突变问题依然存在，另外，采用两台泵不仅增加了系统回路成本，性价比不高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法，用于解决现有技术中非对称液压缸流量不平衡问题和换向时的压力突变问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种恒定背压直驱式电液伺服系统，包括：

控制器、驱动器、伺服电机、双向定量泵与非对称液压缸，所述控制器、驱动器与伺服电机依次相连，该控制器通过所述驱动器控制所述伺服电机运转，所述伺服电机、双向定量泵与非对称液压缸依次相连，所述伺服电机通过控制双向定量泵输出流量和方向，实现非对称液压缸的运动控制。

优选地，还包括恒压蓄能器与常规蓄能器，所述恒压蓄能器与所述非对称液压缸的有杆腔连通，所述常规蓄能器分别连通所述双向定量泵的第一油口、第二油口。

优选地，所述双向定量泵的第三油口连通所述非对称液压缸的无杆腔。

优选地，所述非对称液压缸的无杆腔与所述非对称液压缸的有杆腔之间设有电磁切断阀。

优选地，还包括第一安全阀与第二安全阀，所述第一安全阀与所述第二安全阀反向连通，且其连接于所述电磁切断阀两端。

优选地，还包括电磁球阀，所述电磁球阀的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵的第三油口与所述非对称液压缸的无杆腔。

优选地，还包括第一单向阀与第二单向阀，所述第一单向阀的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵的第二、三油口，且其出油口与所述电磁球阀同向相连；所述第二单向阀的进油口连接于所述第一安全阀与第二安全阀之间，其出油口连接于所述双向定量泵的第一、二油口之间。

优选地，所述恒压蓄能器与所述常规蓄能器分别对应设置采集油路的压力传感器。

优选地，所述非对称液压缸设置有采集其活塞杆伸缩位移的位移传感器，且所述非对称液压缸的活塞杆的输出端连接有负载。

本发明的另一目的在于提供一种恒定背压直驱式电液伺服系统的控制方法，包括：

控制器接收外部非对称液压缸的预设压力参数与预设位移参数；

采集所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值，以及所述非对称液压缸活塞杆伸缩的位移参数；

将预设压力参数与预设位移参数分别与采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值和所述非对称液压缸活塞杆伸缩的位移参数进行比较；

当采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值小于预设压力参数时，增大其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

当采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值大于预设压力参数时，减小其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

当采集的所述非对称液压缸位移小于预设位移参数时，增大其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止；

当采集的所述非对称液压缸位移大于预设位移参数时，减小其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止。

如上所述，本发明的恒定背压直驱式电液伺服系统及其控制方法，具有以下有益效果：

本发明采用恒定背压、单腔控制原理，以一台泵实现非对称液压缸的运动控制，不仅解决了非对称液压缸流量不平衡问题，还大大降低了回路成本，同时，简化了控制方案，降低了控制难度；

采用恒压蓄能器控制非对称液压缸背压腔，使得背压腔压力在液压缸换向时基本保持恒定，从而不会出现换向时的压力突变问题，为无杆腔的压力控制提供了有利条件；

本发明尤其适用于垂直或非水平安装结构形式的非对称液压缸的控制，由于此种工况有重力负载的存在，可以减小背压蓄能器的压力，提高系统效率。

附图说明

图1显示为本发明的恒定背压直驱式电液伺服系统结构示意图；

图2显示为本发明的恒定背压直驱式电液伺服系统的控制方法流程图。

元件标号说明

1 伺服电机

2 双向定量泵

3 第一单向阀

4 第二单向阀

5 第一压力传感器

6 常规蓄能器

7 电磁球阀

8 第一安全阀

9 第二安全阀

10 恒压蓄能器

11 第二压力传感器

12 电磁切断阀

13 第三压力传感器

14 位移传感器

15 非对称液压缸

16 负载

17 控制器

18 驱动器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种恒定背压直驱式电液伺服系统结构示意图，包括：

控制器17、驱动器18、伺服电机1、双向定量泵2与非对称液压缸15，所述控制器17、驱动器18与伺服电机1依次相连，该控制器17通过所述驱动器18控制所述伺服电机1运转，所述伺服电机1、双向定量泵2与非对称液压缸15依次相连，所述伺服电机1通过控制双向定量泵2输出流量和方向，实现非对称液压缸15的运动控制。

还包括恒压蓄能器10与常规蓄能器6，所述恒压蓄能器10与所述非对称液压缸15的有杆腔连通，所述常规蓄能器6分别与所述双向定量泵2的第一油口、第二油口连通，所述双向定量泵2的第三油口连通所述非对称液压缸15的无杆腔，其中，双向定量泵2的第一油口为B口，双向定量泵2的第三油口为A口，伺服电机1的正转带动双向定量泵2A口出油，B口吸油；伺服电机1的反转带动双向定量泵2B口出油，A口吸油。

具体地，所述非对称液压缸15的无杆腔与所述非对称液压缸15的有杆腔之间设有电磁切断阀12，正常情况下，电磁切断阀12切断非对称液压缸15的有杆腔与无杆腔之间的连接，当其被控制器17控制通电时，连通非对称液压缸15的有杆腔与无杆腔。

具体地，还包括第一安全阀8与第二安全阀9，所述第一安全阀8与所述第二安全阀9反向连通，且并联连接于所述电磁切断阀12两端。所述电磁球阀7的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵2的第三油口与所述非对称液压缸15的无杆腔，其中，所述电磁球阀7通电与否为控制器17控制，上述安全阀防止非对称液压缸15的两腔超压；电磁球阀7在正常状态下通电使得油路导通，在失电状态下锁定非对称液压缸15当前位置，可以实现非对称液压缸15的停位功能。

优选地，还包括第一单向阀3与第二单向阀4，所述第一单向阀3的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵2的第二、三油口，且其出油口与所述电磁球阀7同向相连；所述第二单向阀4的进油口连接于所述第一安全阀8与第二安全阀9之间，其出油口连接于所述双向定量泵2的第一、二油口之间，第一单向阀3实现非对称液压缸15无杆腔的补油功能；第二单向阀4隔离双向定量泵2A口与非对称液压缸15无杆腔之间的压力干扰。

优选地，所述恒压蓄能器10与所述常规蓄能器6分别对应设置采集油路的压力传感器，且所述电磁切断阀12也设有采集其油压的压力传感器，所述非对称液压缸15的有杆腔连接有采集其活塞杆伸缩位移的位移传感器14，且所述非对称液压缸15的活塞杆的输出端连接有负载16，双向定量泵2B口和非对称液压缸15两腔(有杆腔与无杆腔)分别设置有第一压力传感器5、第二压力传感器11、第三压力传感器13，实时监控压力变化；所述位移传感器14将采集的伸缩位移参数传输至控制器17，所述压力传感器将采集的油路压力参数传输至控制器17。

请参阅图2，为本发明的恒定背压直驱式电液伺服系统的控制方法流程图，包括；

步骤S201，控制器17接收外部非对称液压缸15的预设压力参数与预设位移参数；

步骤S202，采集所述非对称液压缸15有杆腔与无杆腔之间的压力值，以及所述非对称液压缸15活塞杆伸缩的位移参数；

步骤S203，将预设压力参数与预设位移参数分别与采集的所述非对称液压缸15有杆腔与无杆腔之间的压力值和所述非对称液压缸15活塞杆伸缩的位移参数进行比较；

步骤S204，当采集的所述非对称液压缸15有杆腔与无杆腔之间的压力值小于预设压力参数时，增大其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

步骤S205，当采集的所述非对称液压缸15有杆腔与无杆腔之间的压力值大于预设压力参数时，减小其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

步骤S206，当采集的所述非对称液压缸15位移小于预设位移参数时，增大其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止；

步骤S207，当采集的所述非对称液压缸15采集的位移大于预设位移参数时，减小其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止。

实施例1，非对称液压缸15活塞杆伸出动作过程：

控制器17接受外部指令，并发出位移伸出指令给驱动器18，驱动器18驱动伺服电机1正向旋转，伺服电机1带动双向定量泵2A口出油、B口吸油，常规蓄能器6提供双向定量泵2B口吸油流量，电磁球阀7得电导通，双向定量泵2A口压力油进入非对称液压缸15的无杆腔；同时电磁切断阀12不得电，非对称液压缸15的有杆腔由恒压蓄能器10吸收非对称液压缸15有杆腔排出的油液且保持一定压力；由于非对称液压缸15有杆腔产生的力小于无杆腔产生的力，且当两腔力的差值大于负载时，非对称液压缸15活塞杆伸出；非对称液压缸15上的位移传感器14实时检测活塞杆的伸出位移并送入控制器17中；控制器17将位移指令与检测的实际位移进行比较，其差值通过算法修正从而输出修正的位移指令给驱动器18，从而实现非对称液压缸15的位置闭环控制，精确到达预期伸出位置。

实施例2，非对称液压缸15活塞杆缩回动作过程：

控制器17接受外部指令，并发出位移缩回指令给驱动器18，驱动器18驱动伺服电机1反向旋转，伺服电机1带动双向定量泵2B口出油、A口吸油，常规蓄能器6吸收双向定量泵2B口出油流量，电磁球阀7得电导通，双向定量泵2A口吸收非对称液压缸15的无杆腔的油液，从而使得非对称液压缸15的无杆腔压力降低；同时电磁切断阀12不得电，非对称液压缸15的有杆腔由恒压蓄能器10提供非对称液压缸15有杆腔吸入的油液且保持一定压力；由于非对称液压缸15有杆腔产生的力叠加上负载力大于无杆腔产生的力，非对称液压缸15活塞杆缩回；非对称液压缸15上的位移传感器14实时检测活塞杆的缩回位移并送入控制器17中；控制器17将位移指令与检测的实际位移进行比较，其差值通过算法修正从而输出修正的位移指令给驱动器18，从而实现非对称液压缸15的位置闭环控制，精确到达预期缩回位置。

实施例3，非对称液压缸15的出力控制过程：

控制器17接受外部压力指令，同时计算非对称液压缸15两腔第二压力传感器11、第三压力传感器13实时检测的活塞杆两腔压力值，如果计算得到的非对称液压缸15活塞杆输出压力值小于指令压力时，控制器17发出伸出指令给驱动器18，驱动器18驱动伺服电机1正向旋转，伺服电机1带动双向定量泵2A口出油、B口吸油，常规蓄能器6提供双向定量泵2B口吸油流量，电磁球阀7得电导通，双向定量泵2A口压力油进入非对称液压缸15的无杆腔，导致无杆腔压力升高，控制器17将压力指令与检测的压力转化后的实际输出压力值进行比较，其差值通过算法修正从而输出指令给驱动器18，从而实现非对称液压缸15的出力闭环控制，精确控制出力。同理，如果计算得到的非对称液压缸15活塞杆输出压力值大于指令压力，控制器17发出缩回指令给驱动器18，驱动器18驱动伺服电机1反向旋转，伺服电机1带动双向定量泵2B口出油、A口吸油，常规蓄能器6吸收双向定量泵2B口出油流量，电磁球阀7得电导通，双向定量泵2A口吸收非对称液压缸15的无杆腔的油液，从而使得非对称液压缸15的无杆腔压力降低；控制器17将压力指令与检测的压力转化后的实际出力进行比较，其差值通过算法修正从而输出指令给驱动器18，从而实现非对称液压缸15的出力闭环控制，精确控制出力。

综上所述，本发明采用特殊结构的恒压蓄能器控制非对称液压缸有杆腔，使得背压腔的压力在液压缸运动过程中基本保持恒定；非对称液压缸无杆腔由伺服电机驱动的双向泵进行控制，双向泵的一侧出油口接非对称液压缸无杆腔，双向泵的另一侧出油口接低压蓄能器，从而通过伺服电机的控制实现非对称液压缸无杆腔的压力和流量的控制；非对称液压缸上装有位移传感器，非对称液压缸两腔装有压力传感器，位移传感器和压力传感器信号均接入控制器，通过控制器输出控制指令给伺服电机驱动器，伺服电机驱动器按照指令驱动伺服电机运转，从而控制伺服电机连接的双向泵的流量输出，最终实现液压缸位置和压力的快速、精确控制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，包括：控制器、驱动器、伺服电机、双向定量泵、恒压蓄能器、常规蓄能器与非对称液压缸，所述控制器、驱动器与伺服电机依次相连，该控制器通过所述驱动器控制所述伺服电机运转，所述伺服电机、双向定量泵与非对称液压缸依次相连，所述伺服电机通过控制双向定量泵输出流量和方向，实现非对称液压缸的运动控制，其中，所述恒压蓄能器与所述非对称液压缸的有杆腔连通，所述常规蓄能器分别连通所述双向定量泵的第一油口、第二油口。

2.根据权利要求1所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，所述双向定量泵的第三油口连通所述非对称液压缸的无杆腔。

3.根据权利要求1所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，所述非对称液压缸的无杆腔与所述非对称液压缸的有杆腔之间设有电磁切断阀。

4.根据权利要求3所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，还包括第一安全阀与第二安全阀，所述第一安全阀与所述第二安全阀反向连通，且其连接于所述电磁切断阀两端。

5.根据权利要求4所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，还包括电磁球阀，所述电磁球阀的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵的第三油口与所述非对称液压缸的无杆腔。

6.根据权利要求5所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，还包括第一单向阀与第二单向阀，所述第一单向阀的进油口、出油口分别对应连接所述双向定量泵的第二、三油口，且其出油口与所述电磁球阀同向相连；所述第二单向阀的进油口连接于所述第一安全阀与第二安全阀之间，其出油口连接于所述双向定量泵的第一、二油口之间。

7.根据权利要求1所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，所述恒压蓄能器与所述常规蓄能器分别对应设置采集油路的压力传感器。

8.根据权利要求1所述的恒定背压直驱式电液伺服系统，其特征在于，所述非对称液压缸的设置有采集其活塞杆伸缩位移的位移传感器，且所述非对称液压缸的活塞杆的输出端连接有负载。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的恒定背压直驱式电液伺服系统的控制方法，其特征在于，包括：

控制器接收外部非对称液压缸的预设压力参数与预设位移参数；

采集所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值，以及所述非对称液压缸活塞杆伸缩的位移参数；

将预设压力参数与预设位移参数分别与采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值和所述非对称液压缸活塞杆伸缩的位移参数进行比较；

当采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值小于预设压力参数时，增大其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

当采集的所述非对称液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力值大于预设压力参数时，减小其压力指令直到采集的压力值接近预设压力参数为止；

当采集的所述非对称液压缸位移小于预设位移参数时，增大其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止；

当采集的所述非对称液压缸位移大于预设位移参数时，减小其位移指令直到采集的位移参数接近预设位移参数为止。