CN108468662A - 一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，属于电液控制技术领域。本发明工作时由伺服电机带动双向定量泵直接驱动液压缸的活塞，高速开关阀用于抑制液压缸特别是非对称液压缸运动过程中流量不平衡特性，同时辅助双向定量液压泵为系统配流，避免双向定量液压泵低速转动时流量死区的影响，提高系统的流量控制精度，压力保护阀用于限制系统压力保证系统安全，蓄能器用于储存和释放油液，传感器用于监测工作状态，实时反馈系统参数至信号采集与控制单元，由信号采集与控制单元采集并进行处理后控制伺服电机和高速开关阀的动作，实现液压缸活塞杆位移的高精度控制。本发明具有高效节能、抗污染能力强和动作可靠等特点。
Description
技术领域
本发明属于电液控制技术领域，尤其涉及一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统。
背景技术
高速开关阀是一种新型的数字式电液转换控制元件，能够直接将ON/OFF数字信号转换成流体脉冲信号，对液压系统的压力或流量进行PWM控制，使计算机控制系统无需D/A转换接口便可实现与液压系统有机结合，通过调整输入的PWM信号的占空比即可实现阀口流量大小的调节。其结构简单、价格低廉，压力损失小、能耗低、对污染不敏感、工作可靠，且具有较高的响应速度，重复误差小、工作精度高。目前已经广泛应用于机器人、汽车变速器、燃油喷射和宇航控制系统等领域。
随着航空航天和传统工业领域对驱动机构使用灵活、能耗小的要求日益增加，泵控非对称缸电液控制系统作为一种将电机、液压泵、液压阀和液压缸等元件高度集成的系统，因其功重比和传动效率较高的优势开始被逐渐应用。但是，系统中的动力元件特别是齿轮泵存在最低转速限制，这造成系统流量控制死区；当执行元件为非对称缸时，液压系统存在流量不平衡特性影响液压系统控制精度的提高；当控制元件为液控单向阀时，其阀口开闭时间较长而不能适应液压系统对高频响的要求，电液伺服阀虽然响应时间较短并且可以获得较高的控制精度，但其抗污染能力差、发热较大。上述问题的存在，限制了泵控非对称缸电液控制系统向高效节能、高频响、高控制精度和高可靠性的方向发展，是本领域的技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明目的是克服传统电液执行机构液压系统存在的系统能耗大、频响低、控制精度低和可靠性低的问题，提供一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：本发明主要包括伺服电机、双向定量液压泵、高速开关阀、蓄能器、压力保护阀、液压缸、压力传感器、位移传感器和信号采集与控制单元。所述伺服电机的动力输出轴与双向定量液压泵的动力输入轴相连；所述双向定量液压泵第一油口与液压缸无杆腔相通，双向定量液压泵第二油口与液压缸有杆腔相通；所述高速开关阀至少为一个，用于控制蓄能器与液压缸有杆腔和无杆腔之间油路的通断，阀口在断电状态下关闭；所述的压力保护阀分为第一压力保护阀和第二压力保护阀，其中第一压力保护阀的进油口与液压缸无杆腔相通、出油口与液压缸有杆腔相通，第二压力保护阀进油口与液压缸有杆腔相通、出油口与液压缸无杆腔相通；信号采集与控制单元用于接收压力传感器和位移传感器的信号，并输出信号控制伺服电机、高速开关阀的动作。
进一步的，所述高速开关阀分为第一高速开关阀和第二高速开关阀，两个高速开关阀的阀口在断电状态下均关闭，其中第一高速开关阀中的一个油口与液压缸无杆腔相通，第二高速开关阀中的一个油口与液压缸有杆腔相通，第一高速开关阀另一油口与第二高速开关阀另一油口相通后与蓄能器相通。
进一步的，所述高速开关阀由多个高速开关阀并联后组成高速开关阀组。应用于大流量场合时也可由多个高速开关阀并联后形成多组阀，但每组阀的功能与单个阀相同。
进一步的，所述液压缸无杆腔进出油路上接有第一压力传感器；所述液压缸有杆腔进出油路上接有第二压力传感器；所述蓄能器的进出油路上接有第三压力传感器；所述液压缸的液压缸活塞杆接有位移传感器。
进一步的，所述信号采集与控制单元的信号采集与处理模块接收第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、位移传感器和速度编码器的输出信号，由系统状态监控模块和偏差判断、工作模式切换模块进行处理，最终由控制信号输出模块输出信号控制伺服电机、第一高速开关阀和第二高速开关阀的动作。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过将高速开关阀配流技术引入泵控非对称缸电液控制系统中，利用高速开关阀取代传统系统中的液控单向阀，发挥高速开关阀压力损失小、响应速度快、重复误差小等优势，既可与双向定量液压泵配合实现系统流量的精确控制，又可抑制执行元件为非对称缸时所带来的系统流量不平衡特性；通过信号采集与控制单元协调各部分元件工作，使本发明具有控制精度高、高效节能、抗污染能力强和动作可靠的特点。
附图说明
图1为本发明的液压系统原理示意图。
图2为本发明的控制系统原理示意图。
附图标号：1-伺服电机，2-双向定量液压泵，201-双向定量液压泵第一油口，202-双向定量液压泵第二油口，3-高速开关阀，301-第一高速开关阀，302-第二高速开关阀，4-蓄能器，501-第一压力控制阀，502-第二压力控制阀，6-液压缸，601-液压缸无杆腔，602-液压缸活塞，603-液压缸活塞杆，604-液压缸有杆腔，701-第一压力传感器，702-第二压力传感器，703-第三压力传感器，8-位移传感器，9-信号采集与控制单元，901-比较器，902-偏差判断、工作模式切换模块，903-控制信号输出模块，904-伺服驱动器，905-速度编码器，906-信号采集与处理模块，907-系统状态监测模块。
具体实施方式
结合附图1，本发明提供的高速开关阀配流的泵控非对称缸液压控制系统，包括伺服电机1、双向定量液压泵2、高速开关阀3、蓄能器4、压力保护阀、液压缸6、压力传感器、位移传感器8和信号采集与控制单元9。所述伺服电机的动力输出轴与双向定量液压泵的动力输入轴相连，伺服电机驱动液压泵完成吸油和排油过程；所述双向定量液压泵第一油口201与液压缸无杆腔601相通，双向定量液压泵第二油口202与液压缸有杆腔604相通，根据液压缸运动方向不同，双向定量液压泵为液压缸无杆腔和液压缸有杆腔交替供油；所述的高速开关阀共有2个，分别为第一高速开关301和第二高速开关阀302，二者均为二通阀，并且阀口在断电状态下均关闭，其中第一高速开关阀中一个油口与液压缸无杆腔相通，第二高速开关阀中一个油口与液压缸有杆腔相通，二者另一油口相通后与蓄能器相通，用于控制蓄能器与系统之间油路的通断，在本发明的具体实施过程中，根据不同系统的流量，第一高速开关阀和第二高速开关阀的功能可由1个高速开关阀实现，也可由多个高速开关阀并联后形成两组阀，但每组阀的功能与单个阀相同，均用做二通比例开关阀，信号采集与控制单元根据需要发出信号控制每个高速开关阀的阀口开闭动作，实现流量的通断与大小调节；所述的压力保护阀共有2个，用于限制系统的最高压力，其中第一压力保护阀501的进油口与液压缸无杆腔相通，出油口与液压缸有杆腔相通，第二压力保护阀502进油口与液压缸有杆腔相通，出油口与液压缸无杆腔相通，二者的压力调定值均与系统的最高允许压力相同，系统正常工作时二者的阀口常闭，当液压缸无杆腔的压力等于或者超过压力调定值时，第一压力保护阀的阀口开启溢流，使液压缸无杆腔的压力保持在系统的最高允许压力，当液压缸有杆腔的压力等于或者超过压力调定值时，第二压力保护阀的阀口开启溢流，使液压缸有杆腔的压力保持在系统的最高允许压力；所述液压缸无杆腔进出油路上，接有第一压力传感器701，所述液压缸有杆腔进出油路上，接有第二压力传感器702，所述蓄能器的进出油路上，接有第三压力传感器703，压力传感器的输出信号由信号采集与处理模块906接收，实现对系统压力状态的实时监控；所述液压缸的液压缸活塞杆603接有位移传感器，其输出信号由信号采集与处理模块接收并处理。
为详细说明本发明的工作过程，现选用附图1所示的液压系统原理作为优选实施例进行说明，值得注意的是，在附图1中，第一高速开关阀和第二高速开关阀的功能均由1个高速开关阀实现，液压缸的结构形式为单出杆非对称液压缸，即液压缸活塞杆仅在一端伸出，且液压缸活塞602两端的油液压力作用面积不相等。
在附图2所示的本发明控制系统原理中，信号采集与控制单元共包括比较器901、偏差判断、工作模式切换模块902、控制信号输出模块903、伺服驱动器904、速度编码器905、信号采集与处理模块和系统状态监测模块907七个部分。其中信号采集与处理模块用于采集速度编码器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和位移传感器输出的伺服电机转速信号、第一压力信号、第二压力信号、第三压力信号和液压缸活塞杆位移信号，经过处理后由系统状态监测模块接收，在对系统状态进行判断后将系统正常运行或者故障信号输送到偏差判断、工作模式切换模块中。同时，位移传感器输出的液压缸活塞杆位移信号也由比较器接收，由比较器将用户输入的位移指令信号与液压缸活塞杆位移信号进行做差处理，并将产生的位移偏差输送到偏差判断、工作模式切换模块中，该模块中预先嵌入控制算法，由其对当前偏差进行判断并指定下一步系统工作模式，然后将结果输送到控制信号输出模块，由控制信号输出模块输出伺服电机指令信号和脉冲指令信号控制伺服驱动器、第一高速开关阀和第二高速开关阀的动作。伺服驱动器输出驱动信号控制伺服电机转动，同时伺服电机的转速由速度编码器接收后反馈至伺服驱动器，由伺服驱动器完成对伺服电机的转数的精确闭环控制，并驱动双向定量液压泵输出压力和流量。第一高速开关阀和第二高速开关阀根据脉冲指令信号控制阀口开闭时间，实现对阀口输出油液的压力和流量控制。双向定量液压泵和高速开关阀输出油液的压力和流量共同影响液压缸无杆腔和液压缸有杆腔的压力和流量，最终实现对液压缸活塞杆的位移的控制。上述过程为本发明的一个工作周期中的工作过程，每个工作周期中上述过程依次进行，并不断循环，直到位移传感器的输出信号与位移指令信号相同且不再发生变化。
现结合本发明实现液压缸活塞杆位移控制的过程就本发明的实施方式做具体说明。本发明的位移指令信号由本发明的使用者输入给信号采集与控制单元，位移指令信号的大小决定了液压缸活塞杆运动方向和目标位置。针对位移指令信号与液压缸活塞杆实际位移，即位移传感器的输出信号的偏差在本发明工作过程中的变化，现将本发明的工作过程分为大位移偏差模式和小位移偏差模式，两种模式的切换条件为指令位移信号与位移传感器的输出信号的偏差与具体位移值之间的关系，建议使用过程中该具体位移值小于等于0.5mm。例如，取该具体位移值为0.2mm，则有：指令位移信号与位移传感器的输出信号的偏差大于等于0.2mm时为大位移偏差模式，指令位移信号与位移传感器的输出信号的偏差小于0.2mm时为小位移偏差模式。两种模式的判断与切换在偏差判断、工作模式切换模块中完成。
大位移偏差模式工作过程：在该模式下液压缸活塞杆持续伸出或者缩回。当液压缸活塞杆持续伸出时，信号采集与控制单元输出信号使伺服电机驱动液压泵正向转动，油液从双向定量泵第一油口排出后进入液压缸无杆腔，推动液压缸活塞杆伸出，液压缸有杆腔中的油液排出后进入双向定量液压泵第二油口。由于液压缸为单出杆非对称缸，在上述过程中液压缸无杆腔进入的油液比液压缸有杆腔排出的油液流量大，此时需要信号采集与控制单元给第二高速开关阀控制信号，使第二高速开关阀的阀口完全开启，使蓄能器内油液与液压缸有杆腔排出的油液一同进入双向定量液压泵第二油口，以保证双向定量液压泵的吸油与排油流量相等。当液压缸活塞杆持续缩回时，信号采集与控制单元输出信号使伺服电机驱动液压泵反向转动，油液从双向定量泵第二油口排出后进入液压缸有杆腔，推动液压缸活塞杆缩回，液压缸无杆腔中的油液排出后进入双向定量液压泵第一油口。由于液压缸为单出杆非对称缸，在上述过程中液压缸无杆腔排出的油液比液压缸有杆腔进入的油液流量大，此时需要信号采集与控制单元给第一高速开关阀控制信号，使第一高速开关阀的阀口完全开启，使液压缸无杆腔排出的油液既进入蓄能器，也进入双向定量液压泵第一油口，以保证双向定量液压泵的吸油与排油流量相等。
小位移偏差模式工作过程：该模式出现在大位移偏差模式下液压缸活塞杆接近目标位置时，当指令位移信号与位移传感器的输出信号的偏差大小满足切换条件时，本发明切换到小位移偏差模式下工作。在本模式下，液压缸活塞杆短暂伸出或者缩回。与大位移偏差模式下类似，液压缸活塞杆短暂伸出或者缩回过程中由于液压缸为单出杆非对称缸，导致液压缸无杆腔进入或者排出的油液与液压缸有杆腔排出或进入的油液流量不同，由于系统所需流量较小，所以信号采集与控制单元输出信号使伺服电机驱动双向定量液压泵在允许的最低转速下工作。在液压缸活塞杆短暂伸出过程中，信号采集与控制单元输出信号使伺服电机驱动液压泵正向转动，使第一高速开关阀阀口连续开闭完成对液压缸无杆腔进油流量的调节，第二高速开关阀阀口连续开闭完成对双向定量液压泵第二油口进油流量的调节；在液压缸活塞杆短暂缩回过程中，信号采集与控制单元输出信号使伺服电机驱动液压泵反向转动，使第一高速开关阀阀口连续开闭完成对双向定量液压泵第一油口进油流量的调节，第二高速开关阀阀口连续开闭完成对液压缸有杆腔进油流量的调节。此过程中，液压缸活塞杆短暂伸出或者缩回过程会不断连续出现，并且指令位移信号与位移传感器的输出信号的偏差逐渐减小，最终趋近于0。
综合上述两种模式，本发明在工作过程中上述两种模式交替出现，大位移偏差模式用于液压缸活塞杆持续伸出或者缩回的过程，小位移偏差模式用于实现液压缸活塞杆位移的精确控制，在两种模式下，高速开关阀快速、可靠动作，与伺服电机配合，实现系统流量的精确控制。
压力控制阀用于保证系统压力不超过最高允许工作压力，当系统压力超过最高允许工作压力，即调定压力时，压力控制阀的阀口开启。压力传感器用于检测系统压力，当压力控制阀出现故障时，系统压力异常，该故障信号经过压力传感器后由信号采集与控制单元采集，然后发出控制信号使第一高速开关阀和第二高速开关阀阀口均打开，系统压力卸荷。蓄能器在吸收和排出油液的同时，完成对系统能量的回收与释放过程，达到节能的效果。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，主要包括伺服电机、双向定量液压泵、高速开关阀、蓄能器、压力保护阀、液压缸、压力传感器、位移传感器和信号采集与控制单元，其特征在于：所述伺服电机的动力输出轴与双向定量液压泵的动力输入轴相连；所述双向定量液压泵第一油口与液压缸无杆腔相通，双向定量液压泵第二油口与液压缸有杆腔相通；所述高速开关阀至少为一个，用于控制蓄能器与液压缸有杆腔和无杆腔之间油路的通断，阀口在断电状态下关闭；所述的压力保护阀分为第一压力保护阀和第二压力保护阀，其中第一压力保护阀的进油口与液压缸无杆腔相通、出油口与液压缸有杆腔相通；第二压力保护阀进油口与液压缸有杆腔相通、出油口与液压缸无杆腔相通；信号采集与控制单元用于接收压力传感器和位移传感器的信号，并输出信号控制伺服电机、高速开关阀的动作。
2.根据权利要求1所述的一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，其特征在于：所述高速开关阀分为第一高速开关阀和第二高速开关阀，两个高速开关阀的阀口在断电状态下均关闭，其中第一高速开关阀中的一个油口与液压缸无杆腔相通，第二高速开关阀中的一个油口与液压缸有杆腔相通，第一高速开关阀另一油口与第二高速开关阀另一油口相通后与蓄能器相通。
3.根据权利要求1所述的一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，其特征在于：所述高速开关阀由多个高速开关阀并联后组成高速开关阀组。
4.根据权利要求1所述的一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，其特征在于：所述液压缸无杆腔进出油路上接有第一压力传感器；所述液压缸有杆腔进出油路上接有第二压力传感器；所述蓄能器的进出油路上接有第三压力传感器；所述液压缸的液压缸活塞杆接有位移传感器。
5.根据权利要求1所述的一种高速开关阀配流的泵控非对称缸电液控制系统，其特征在于：所述信号采集与控制单元的信号采集与处理模块接收第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、位移传感器和速度编码器的输出信号，由系统状态监控模块和偏差判断、工作模式切换模块进行处理，最终由控制信号输出模块输出信号控制伺服电机、第一高速开关阀和第二高速开关阀的动作。
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