CN108591174B - 电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法 - Google Patents

电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法。该数字液压缸的结构包括：步进电机、花键、万向联轴器、阀芯、外螺纹、编码器、缸外转轴、缸外转盘、后缸盖、磁铁、缸内转盘、缸体、滚珠丝杠、丝杠螺母、空心活塞杆；该方法通过对花键、万向联轴器和螺纹传动等柔性连接机构的等效处理，并考虑滑阀驱动力对数字液压缸在线控制反馈响应的影响，进一步提高了数字液压缸的精度，响应速度和稳定性。

Description

电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法
技术领域
本发明涉及液压伺服控制方面，主要涉及一种电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法。
背景技术
在目前社会中，诸如自动追踪目标控制装置、小型机械重心平衡控制装置、机械加工的高精度控制装置等均采用电—机—液驱动数字液压缸。然而，现有的数字液压缸控制技术大多数采用开环液压控制系统的调节控制，其响应速度慢、调节误差大、系统稳定性差。
电—机—液驱动数字液压缸一般采用开环控制系统或者是自反馈控制，此类控制中由于零件的加工精度和安装精度的限制，使数字液压缸的精度低，往往不能满足一些较高精度场合的使用要求，可以通过电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法来改善加工精度和安装精度低的缺陷。
发明内容
针对本专利所述典型结构的数字液压缸开环控制或者是自反馈的闭环控制系统，为了保证数字液压缸的精度，对零件的加工精度和安装精度的要求高，制造成本高的缺陷，本发明提出了一种电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法，通过在线随动控制来弥补零件的加工和安装精度高度的缺陷。
为解决上述问题，在对数字液压缸建立等效模型时，考虑花键、万向联轴器、外螺纹和缸外转轴这部分柔性连接机构对数字液压缸液压控制系统的影响，并且不忽略滑阀的动态特性对数字液压缸整体系统特性的影响。
进一步通过数字液压缸的等效模型建立数学模型，在考虑滑阀驱动柔性连接机构等效的基础上将滑阀的驱动力方程通过刚度系数ks引入数字液压缸力的平衡方程中，推得电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的数学模型如公式一至公式五所示：其中，公式一：公式二：QL＝KqxV-KcPL；公式三：公式四：MVS2xV+(BV+Bi)SxV+(Kf+Ki)xV＝Fi＝ksxV；公式五：A1PL-ksxP＝MPS2xP+BPSxP+KPxP+FL；其中，xV是滑阀芯的位移量，是滑阀的阀系数，Δi是滑阀输入的电流变化量，QL是滑阀的流量，Kq是滑阀的流量增益，Kc是滑阀流量压力系数，PL是负载压力，A1是数字液压缸无杆腔活塞的有效面积，A2是数字液压缸有杆腔活塞的有效面积，S为拉普拉斯变换的数学算子，xP是的活塞位移，Ct是数字液压缸总泄漏系数，Cep是数字液压缸的外泄漏系数，Ps是数字液压缸输入压力，Vt是数字液压缸总的压缩容积，βe是数字液压缸油液的有效体积弹性模量，MV为外螺纹、万向联轴器、花键及阀腔流体折算到阀芯的质量，BV为阀芯及阀套的粘性阻尼系数，Bi是等效阻尼，Kf为稳态液动力刚度，Ki是等效刚度，ks是液压缸和滑阀共同的刚度系数，Fi为滑阀驱动力，FL是作用在活塞上的任意外负载力，MP是活塞及负载折算到该活塞上的总质量，Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数，KP是负载弹簧刚度。
本发明的有益效果为：通过考虑电—机—液驱动数字液压缸中花键、万向联轴器、外螺纹和缸外转轴这部分柔性连接机构对数字液压缸液压控制系统的影响，将其等效为阻尼和弹性刚度在建立数学模型时加以考虑，并且不忽略滑阀的动态特性对数字液压缸整体系统特性的影响，建立电—机—液驱动数字液压缸的在线伺服反馈控制系统，这样可以降低数字液压缸控制系统中的误差，提高输出信号与输入信号的跟踪比，增强系统的响应速度、精度和稳定性。
附图说明
本发明可以通过参考下文中附图的描述得到更好的理解，其所附图中使用了相同或者相近的标记来表示相同或者相近的部件。所述的附图连同详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书重要的一部分，而且是用来进一步的举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理及优点。在附图中：
图1是示出本发明的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的数字液压缸结构示意图；
图2是示出本发明的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的逻辑算法示意图。
本领域的技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚的表达所示意出来的，而且并不是按比例绘制的。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法，一种电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法在对数字液压缸建立等效模型时，考虑花键、万向联轴器、外螺纹和缸外转轴这部分柔性连接机构对数字液压缸液压控制系统的影响，将其等效为阻尼和弹性刚度，并且不忽略滑阀的动态特性对数字液压缸整体系统特性的影响。
进一步通过数字液压缸的等效模型建立数学模型，在考虑滑阀驱动柔性连接机构等效的基础上将滑阀的驱动力方程通过刚度系数ks引入数字液压缸力的平衡方程中，推得电-机-液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的数学模型如公式一至公式五所示：
公式二：QL＝KqxV-KcPL；
公式三：
公式四：MVS2xV+(BV+Bi)SxV+(Kf+Ki)xV＝Fi＝ksxV；
公式五：A1PL-ksxP＝MPS2xP+BPSxP+KPxP+FL；
其中，xV是滑阀芯的位移量；
是滑阀的阀系数；
Δi是滑阀输入的电流变化量；
QL是滑阀的流量；
Kq是滑阀的流量增益；
Kc是滑阀流量压力系数；
PL是负载压力；
A1是数字液压缸无杆腔活塞的有效面积；
A2是数字液压缸有杆腔活塞的有效面积；
S为拉普拉斯变换的数学算子；
xP是的活塞位移；
Ct是数字液压缸总泄漏系数；
Cep是数字液压缸的外泄漏系数；
Ps是数字液压缸输入压力；
Vt是数字液压缸总的压缩容积；
βe是数字液压缸油液的有效体积弹性模量；
MV为外螺纹、万向联轴器、花键及阀腔流体折算到阀芯的质量；
BV为阀芯及阀套的粘性阻尼系数；
Bi是等效阻尼；
Kf为稳态液动力刚度；
Ki是等效刚度；
ks是液压缸和滑阀共同的刚度系数；
Fi为滑阀驱动力；
FL是作用在活塞上的任意外负载力；
MP是活塞及负载折算到该活塞上的总质量；
Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数；
KP是负载弹簧刚度。
优选实施例
根据公式一至公式五得出电—机—液驱动数字液压缸的在线伺服反馈控制系统中，在考虑花键、万向联轴器、外螺纹和缸外转轴这部分柔性连接机构对数字液压缸液压控制系统的影响，并且不忽略滑阀的动态特性对数字液压缸整体系统特性的影响情况下的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法，控制电—机—液驱动数字液压缸活塞输出位移为：
该输出位移的误差可以通过在线随动反馈调节，进而减小了系统误差，具体控制方法如图2所示。
尽管根据有限的实施例描述了本发明，但是受益于以上的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种含柔性连接的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法，其所述含柔性连接的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的典型数字液压缸结构包括：步进电机(1)、花键(2)、万向联轴器(3)、滑阀、外螺纹(5)、编码器(6)、缸外转轴(7)、缸外转盘(8)、后缸盖(9)、磁铁(10)、缸内转盘(11)、缸体(12)、滚珠丝杠(13)、丝杠螺母(14)、空心活塞杆(15)，其中滑阀包括阀芯(4)，万向联轴器包括第一万向联轴器和第二万向联轴器，步进电机(1)通过花键(2)与第一万向联轴器的右端连接，第一万向联轴器的左端和阀芯(4)的右端连接，阀芯(4)的左端通过第二万向联轴器与外螺纹(5)相连接，外螺纹(5)和缸外转轴(7)相配合形成螺纹传动，编码器(6)安装于缸体(12)右侧并位于缸外转轴(7)的外周，缸外转盘(8)位于缸外转轴(7)的左侧，缸外转盘(8)和缸内转盘(11)位于后缸盖(9)的两侧，磁铁(10)分别位于缸外转盘(8)和缸内转盘(11)上，滚珠丝杠(13)的右端与缸内转盘(11)相连接，丝杠螺母(14)与空心活塞杆(15)连接并通过与滚珠丝杠(13)配合形成丝杆传动，其特征在于，将所述数字液压缸中的花键(2)、万向联轴器(3)、外螺纹(5)和缸外转轴(7)这部分柔性连接机构等效为阻尼Bi和弹性刚度Ki，在考虑滑阀驱动柔性连接机构等效的基础上将滑阀的驱动力方程通过刚度系数ks引入数字液压缸力的平衡方程中，推得含柔性连接的电—机—液驱动数字液压缸在线半闭环伺服控制方法的方程式如公式一至公式五所示：
公式一：xV＝KxVΔi；
公式二：QL＝KqxV-KcPL；
公式三：
公式四：MVS2xV+(BV+Bi)SxV+(Kf+Ki)xV＝Fi＝ksxV；
公式五：A1PL-ksxP＝MPS2xP+BPSxP+KPxP+FL；
根据公式一至公式五得出电—机—液驱动数字液压缸在线伺服反馈控制系统中，控制电—机—液驱动数字液压缸活塞输出位移为：
其中，xV是滑阀芯的位移量，是滑阀的阀系数，Δi是滑阀输入的电流变化量，QL是滑阀的流量，Kq是滑阀的流量增益，Kc是滑阀流量压力系数，PL是负载压力，A1是数字液压缸无杆腔活塞的有效面积，A2是数字液压缸有杆腔活塞的有效面积，S为拉普拉斯变换的数学算子，xP是的活塞位移，Ct是数字液压缸总泄漏系数，Cep是数字液压缸的外泄漏系数，Ps是数字液压缸输入压力，Vt是数字液压缸总的压缩容积，βe是数字液压缸油液的有效体积弹性模量，MV为外螺纹、万向联轴器、花键及阀腔流体折算到阀芯的质量，BV为阀芯及阀套的粘性阻尼系数，Bi是等效阻尼，Kf为稳态液动力刚度，Ki是等效刚度，ks是液压缸和滑阀共同的刚度系数，Fi为滑阀驱动力，FL是作用在活塞上的任意外负载力，MP是活塞及负载折算到该活塞上的总质量，Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数，KP是负载弹簧刚度。
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