CN108661988B - 主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压伺服与比例控制系统电液比例流量阀技术领域，具体是一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置及控制方法。包括主阀、柱塞泵/马达、伺服电机、控制电路和集成一体化壳体，所述的集成一体化壳体内设置有电路安装板、伺服电机腔和柱塞泵安装腔，电路安装板上安装有控制电路，控制电路上设置有信号输入输出口和电源输入口，伺服电机腔内安装有伺服电机，伺服电机由控制电路控制，伺服电机腔两端分别设置有与外界连通的冷却进油口和冷却回油口，柱塞泵安装腔内安装有柱塞泵/马达，伺服电机通过花键轴与柱塞泵/马达连接，柱塞泵/马达与主阀连接。本发明的能量回馈制动无须改变系统硬件结构，只需对回馈电流进行柔性控制。

Description

主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于液压伺服与比例控制系统电液比例流量阀技术领域，具体是一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置及控制方法。

背景技术

重大机械装备的现代化水平是我们国家科技发展水平的重要标志之一，由于重大机械装备较多数利用的是液压驱动方式，因而重大装备的发展水平很大程度上体现在电液控制系统的性能水平上，而液压元件的技术水平是决定电液控制系统性能水平的重要指标。电液比例流量阀是很多重大机械装备中电液控制系统的核心部件，在海洋工程、铁路隧道工程、航空、航天、核电等领域得到了广泛的应用，成为流体传动及控制技术领域最重要的控制元件之一。

传统电液比例流量阀具有良好的静动态特性，但低工作压力范围的可控性差、动态响应慢；当负载压力变化时，主阀流量也会随之发生较大的变化。为了减小负载变化对主阀的影响，需要在阀的主流道上设置压差补偿器或流量检测元件，这样，不仅增大了阀的体积及制造难度，还削弱了阀的通流能力，造成较大的能量损耗并且引起发热。对于大流量的应用场合，由于能量损耗的制约，这样的技术便无用武之地，只能通过控制阀的开口面积间接控制流量，影响主阀的控制性能。受负载变化的影响，使得控制精度降低是制约高精度电液比例流量阀的关键性技术难题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置及控制方法。

本发明采取以下技术方案：一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置，包括主阀、柱塞泵/马达、伺服电机、控制电路和集成一体化壳体，所述的集成一体化壳体内设置有电路安装板、伺服电机腔和柱塞泵安装腔，电路安装板上安装有控制电路，控制电路上设置有信号输入输出口和电源输入口，伺服电机腔内安装有伺服电机，伺服电机由控制电路控制，伺服电机腔两端分别设置有与外界连通的冷却进油口和冷却回油口，柱塞泵安装腔内安装有柱塞泵/马达，伺服电机通过花键轴与柱塞泵/马达连接，柱塞泵/马达与主阀连接。

其中，控制电路的信号输入输出口通过比较器I与速度控制器连接，速度控制器依次通过限幅器I、比较器II与电流控制器连接，电流控制器通过与限幅器II与PMW连接，PMW与逻辑判断器连接，逻辑判断器与逆变器连接，逆变器与比较器II连接，速度控制器通过方向判断器与逻辑判断器连接，逆变器与控制器连接，控制器上接有泄放电路、蓄电池和负载，控制器与伺服电机连接，控制器与伺服电机之间还连接有电流/电压传感器，伺服电机由电流控制器控制。

进一步的，主阀包括主阀控制腔，主阀控制腔上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔内设置有可上下移动的阀芯，阀芯上端与主阀壳体之间设置有弹簧，所述的阀芯内设置有单向阀I和单向阀II，单向阀I一端与A口连通，单向阀I另一端与C口连通，单向阀II一端与B口连通，单向阀II另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达的进出油口。

进一步的，伺服电机包括伺服电机转子和伺服电机定子，伺服电机转子设置在伺服电机定子内，伺服电机转子内部为中空结构。

一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置的控制方法，包括以下步骤，

1）该主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置设置有电流/电压传感器，对伺服电机的状态进行实时监测，根据伺服电机输入的电流与电压，对其极性进行判断得到伺服电机的正/反转信号，当极性为正时，正/反转信号为“1”，正转逻辑判断器导通；反之，反转逻辑判断器导通。

2）对电流环采用电流滞环跟踪控制，其中速度环为比较器I、速度控制器、限伏器I、比较器II、电流控制器、PMW、逻辑判断器、逆变器、控制器以及柱塞泵/马达组成的环向连接；电流环为比较器II、电流控制器、PMW、逻辑判断器和逆变器组成的环向连接；电流滞环跟踪控制的过程为，将给定的三相定子电流信号与检测到的相应定子电流信号做比较，若实际电流大于给定值, 则通过逆变器使之减小, 反之增大。这样, 电流波形围绕给定正弦波作锯齿状变化，并将限制其偏差。同时，电压波形成为宽度被调制的PWM波形。电流滞环跟踪控制的逆变器实际上已构成了砰一砰控制的电流闭环，若忽略逆变器延迟时间，当偏差较小时，电机电流可以被认为是随时可控的。这就将电机复杂的电压模型改造成电流模型，使控制简单，适宜于矢量控制。同时这种电流闭环又使对象的动态响应加快，环内的扰动可被克服，还可以防比逆变器过流，从而对功率开关元件于分有利。

电流控制器通过磁链、转速计算转矩补偿控制伺服电机工作。磁链、转速计算转矩补偿方法为：当伺服电机为交流电机时，高性能的交流伺服系统仅要求对伺服指令做出快速响应是不够的，它还要求当外部即使出现大的扰动或对象特性变化时也能保证良好的响应性能，即在电机外部参数变化时系统要有很强的抗干扰性能，使系统动态特性不随外部参数的变化而变化。但是负载转矩跟转动惯量一样，也是个很难直接测量的非电物理量，因此也需要对其在线观测。电磁转矩与电机交轴电流有着直接的线性关系，而电机转速又比较容易测量，这使负载转矩的观测成为可能，为此本发明设计了负载观测器，实时地检测负载转矩的变化，然后对定子电流进行动态地补偿。

2）当伺服电机处于发电工况时，通过逆变器控制伺服电机运转，将回馈的电能储存到蓄电池中给负载使用，也可以是通过泄放回路将多余的电能释放掉，还可以连接负载直接给负载使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.采用小型双向液压泵/马达，先导级流量就可不受压差大小和方向的影响，高压油流量随电机的旋转方向而改变流动方向，随电机的转速而改变大小。

2.驱动电路、控制电路与液压泵、电机在同一壳体内，这样该阀可以小型化、集成化、智能化。

3.由于液压泵/马达、电机在同一壳体内，这样电机可以做成湿式散热，即让电机浸入液压油中，让液压油带走电机工作过程的热量，这样电机可以通过更大的电流，电机尺寸也可以小型化，电机寿命更高。

4.阀的参数和放大倍数可以通过总线来改变，从而具有极大的灵活性。有位置、压力和同步算法可以随时调用，有故障诊断功能，在没有区域总线的环境中，该阀也可以通过模拟方式来驱动。

5.本发明的能量回馈制动无须改变系统硬件结构，只需对回馈电流进行柔性控制,即可实现较好的制动效果。

附图说明

图1为主动先导级控制的电液比例流量阀工作原理图；

图2为高精度主动先导级控制的电液比例流量阀试验系统示意图；

图3为主动先导级控制的电液比例流量阀部分结构示意图I；

图4为主动先导级控制的电液比例流量阀部分结构示意图II；

图5为主阀结构示意图；

图6为本发明结构示意图；

图中1-控制电路，2-信号输入输出口，3-电源输入口，4-柱塞泵/马达，5-集成一体化壳体，6-伺服电机腔，7-冷却进油口，8-伺服电机，9-冷却回油口，10-主阀，11-柱塞泵安装腔，12-柱塞泵进油口，13-柱塞泵回油口，14-花键轴，15-伺服电机转子，16-伺服电机定子，17-弹簧，18-主阀控制腔，19-阀芯，20-单向阀I ，21-单向阀II，22-比较器I，23-速度控制器，24-方向判断器，25-限幅器I，26-比较器II，27-电流控制器，28- PMW，29-逻辑判断器，30-逆变器，31-控制器，32-电流/电压传感器，33-限幅器II。

具体实施方式

如图1所示，一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置，包括主阀10、柱塞泵/马达4、伺服电机8、控制电路1和集成一体化壳体5，所述的集成一体化壳体5内设置有电路安装腔、伺服电机腔6和柱塞泵安装腔11，电路安装腔上安装有控制电路1，控制电路1上设置有信号输入输出口2和电源输入口3，伺服电机腔6内安装有伺服电机8，伺服电机8由控制电路1控制，伺服电机腔6两端分别设置有与外界连通的冷却进油口7和冷却回油口9，柱塞泵安装腔11内安装有柱塞泵/马达4，伺服电机8通过花键轴14与柱塞泵/马达4连接，柱塞泵/马达4与主阀10连接。

其中，控制电路1的信号输入输出口2通过比较器I22与速度控制器23连接，速度控制器23依次通过限幅器I25、比较器II26与电流控制器27连接，电流控制器27与限幅器II33与PMW28连接，PMW28与逻辑判断器29连接，逻辑判断器29与逆变器30连接，逆变器30与比较器II26连接，速度控制器23通过方向判断器24与逻辑功率管29连接，逆变器30与控制器31连接，控制器31上接有泄放电路、蓄电池和负载，控制器31与伺服电机8连接，控制器与伺服电机8之间还连接有电流/电压传感器32，伺服电机8由电流控制器27控制。

本发明使用伺服电机控制液压泵/马达，采用速度传感器和一个压力传感器来测量伺服电机的速度，以及液压泵/马达出口压力信号。CPLD与DSP一起负责所有的内部数据处理，还有处理压力与位置调节的算法。信号接口，可以输入/输出模拟和数字信号，它还是一个总线接口，该阀参数和放大倍数可以通过总线来改变，通过总线输入/输出数字信号，从而具有极大的灵活性，它还具有状况监控功能。同时，在没有区域总线的环境中，该阀也可以通过模拟方式来驱动。

主阀10包括主阀控制腔18，主阀控制腔18上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔18内设置有可上下移动的阀芯19，阀芯19上端与主阀壳体之间设置有弹簧17，所述的阀芯19内设置有单向阀I20和单向阀II21，单向阀I20一端与A口连通，单向阀I20另一端与C口连通，单向阀II21一端与B口连通，单向阀II21另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达4的进出油口。

伺服电机4包括伺服电机转子15和伺服电机定子16，伺服电机转子15设置在伺服电机定子16内，伺服电机转子15内部为中空结构。为了散热方便，减小转动惯量，电机采用中空结构，如图3、4所示。并且采用湿式散热，即电机的两侧通过节流孔连接系统进油与回油口，这样热量很快被油液带走，加快散热。节流口可以通过压力阀与流量阀通过计算机自动调节流入伺服电机的流量和压力，从而调节伺服电机的温度。通过油液温度，我们也可以间接的知道电机温度的大小。

图1所示是基本原理。当主阀进口压力p _A大于出口压力p _B，主阀上腔的油液经过液压泵排出到主阀出油口B，主阀上腔压力p _C降低，主阀芯上移，阀口打开，油液从A口流向B口，通过主阀的流量正比于先导级（柱塞泵/马达）流量，有

(1)

由式（1）知先导级流量正比于伺服电机的转速n和液压泵的排量v _p，q _xd=v _p n，且和负载压力无关，所以，通过控制电机的转速就可连续控制主阀输出流量。即使主阀进口压力很低，先导泵也能将主阀上腔的油液泵出到主阀出油口，在阀芯上产生压差，打开主阀，所以提高了阀的可控性和动态响应。当压力p _B大于p _A，如果伺服电机控制信号为零，B口压力就会将主阀芯抬起，这时阀具有反方向单向阀的功能；如果使伺服电机反向旋转，将B口油液泵入主阀上腔，使主阀上腔压力p _C大于p _B，阀就处于关闭状态。

当压力p _B大于p _A，B口油液经单向阀选择后进入主阀上腔，先导液压泵仍然将主阀上腔的油液排出到油口B，使主阀上腔压力p _C降低，主阀芯抬起，油液从B口流向A口，同样满足式(1)的流量关系，从而实现流量的双向控制，这时，如果关断电磁阀，同样可关闭主阀。

以上控制原理的优点还在于，先导级采用自供油方式，并直接提供给负载，所以能量利用率高；采用主动的先导级，先导级两端没有压差也可以工作，所以可拓展阀的使用压力范围，增加低压的可控性，提高低压工况阀的动态响应；通过改变先导泵的排量，就可改变先导级的流量范围，所以只需采用两级结构就可方便控制大通径的阀，使阀具有大的流量控制范围，低的压差损失。

当A为进油口，B为出油口时，主阀工作在外流式工况，先导柱塞泵/马达为马达工况，主阀控制腔C压力p _C大于主阀出口压力p _B，液压油将从主阀控制腔C向主阀出口B泄漏，泄漏量为q _CB。当B为进油口，A为出油口时，先导泵/马达为泵工况，主阀工作在内流式工况，主阀控制腔压力p _C小于主阀进油口B压力p _B，油液将从进油口向主阀控制腔泄漏，泄漏量为q _BC。

本发明阀的流量与先导泵/马达流量呈线性关系，反馈节流槽面积梯度wc越小，阀芯位移越大，本发明阀流量越大；阀芯位移及主阀流量将随液动力的增加而减小；由于反馈节流槽预开口量的存在，主阀将存在一定的死区。

当主阀芯增加两个单向阀，当p _A>p _B时，A口的高压油经过单向阀的选择流向主阀控制腔，此时为外流式工况；当p _A<p _B时，B口的高压油经过单向阀的选择流向主阀控制腔，此时为内流式工况。本发明阀为外流式工况时，先导柱塞泵/马达将输出油液到负载口B，此时为马达工况；当新原理阀为外流式工况时，先导泵/马达将输出油液到进油口B，此时为泵工况。

高精度主动先导级控制的电液比例流量阀试验系统，如图2所示，主要用于小通径，如25通径以下比例流量阀动静态特性的试验，整个试验过程通过一台PC 计算机和从德国进口的DSpace实时控制卡管理。试验中用1台高性能的伺服变量泵A10VSODFEE-71 和1台定量泵调整系统所需的流量、系统的出口压力，用比例溢流阀对被试阀加载，测试参数有泵出口压力、被试阀进出口二腔压力、被试先导阀和主阀芯位移、以及通过阀的流量，采用德国西德福公司生产的齿轮式高精度动态流量计记录通过被试阀的流量，测试信号在计算机内由专用的数据处理软件进行处理，计算机同时给出控制被试阀的设定信号、控制比例泵输出流量的信号、控制加载溢流阀的信号。测试的性能指标有阀的稳态特性、压力流量特性，设定信号动态阶跃响应特性、频率响应特性和负载阶跃响应特性。测试过程从零到最大开度范围内，连续增大和减小阀开度的设定值，记录阀芯位移、输出流量，反复多次，确定被试阀的非线性度、滞环、重复精度、死区等性能指标。保持阀的设定值不变，用比例溢流阀连续改变阀的出口压力，测定阀的压力流量特性，考核阀输出流量受负载影响的程度。保持阀的输出流量不变，用比例溢流阀设定阀出口压力按阶跃方式改变，记录阀的负载阶跃响应特性曲线。

当柱塞泵/马达4入口压力大于出口压力时，柱塞泵/马达4处于马达工况，伺服电机8处于发电状况，这样一方面使伺服电机8发热，另一方面造成电机难以控制；当柱塞泵/马达4入口压力小于出口压力时，此时柱塞泵/马达4倒转处于液压泵工况，同时伺服电机8也处于电动机模式。根据该电机的实际工况，伺服电机8采用四象限驱动控制，伺服电机8闭环控制框图如图6所示，对速度环输出的极性进行判断得到正/反转信号。当极性为正时，正/反转信号为“1”，正转逻辑判断器导通；反之，反转逻辑判断器导通，对电流环采用电流滞环跟踪控制技术。当伺服电机8处于发电工况时，通过逆变器控制电机运转，将回馈的电能储存到蓄电池中给负载使用，也可以是通过泄放回路将多余的电能释放掉，还可以连接负载直接给负载使用。能量回馈制动无须改变系统硬件结构,只需对回馈电流进行柔性控制,即可实现较好的制动效果。

一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置的控制方法，包括以下步骤，

1）该主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置设置有电流/电压传感器，可以对伺服电机的状态进行实时监测，根据伺服电机输入的电流与电压，对其极性进行判断得到伺服电机的正/反转信号，当极性为正时，正/反转信号为“1”，正转逻辑判断器导通；反之，反转逻辑判断器导通，对电流环采用电流滞环跟踪控制，其中速度环为比较器I、速度控制器、限幅器I、比较器II、电流控制器、限幅器II 、PMW、逻辑判断器、逆变器、伺服电机组成的环向连接；电流环为比较器II、电流控制器、限幅器II 、PMW、逻辑判断器和逆变器组成的环向连接。

2）电流滞环跟踪控制的过程为，将给定的三相定子电流信号与检测到的相应定子电流信号做比较，若实际电流大于给定值, 则通过逆变器使之减小, 反之增大。这样, 电流波形围绕给定正弦波作锯齿状变化, 并将限制其偏差。同时, 电压波形成为宽度被调制的PWM波形。电流滞环跟踪控制的逆变器实际上已构成了砰一砰控制的电流闭环，若忽略逆变器延迟时间，当偏差较小时，电机电流可以被认为是随时可控的。这就将电机复杂的电压模型改造成电流模型，使控制简单, 适宜于矢量控制。同时这种电流闭环又使对象的动态响应加快，环内的扰动可被克服，还可以防比逆变器过流，从而对功率开关元件于分有利。

电流控制器通过磁链、转速计算转矩补偿控制伺服电机工作。当伺服电机为交流电机时，高性能的交流伺服系统仅要求对伺服指令做出快速响应是不够的，它还要求当外部即使出现大的扰动或对象特性变化时也能保证良好的响应性能，即在电机外部参数变化时系统要有很强的抗干扰性能，使系统动态特性不随外部参数的变化而变化。但是负载转矩跟转动惯量一样，也是个很难直接测量的非电物理量，因此也需要对其在线观测。电磁转矩与电机交轴电流有着直接的线性关系，而电机转速又比较容易测量，这使负载转矩的观测成为可能，为此本发明设计了负载观测器，实时地检测负载转矩的变化，然后对定子电流进行动态地补偿。

3）当伺服电机8处于发电工况时，通过逆变器控制伺服电机8运转，将回馈的电能储存到蓄电池中给负载使用，也可以是通过泄放回路将多余的电能释放掉，还可以连接负载直接给负载使用。

图6是本发明电液比例流量阀电机四象限运行与能量回馈制动控制方法控制框图， 由速度环和电流环组成。速度环采用常规PID控制，电流环采用电流滞环控制。与常规控制方法相比，新型四象限控制方法仅需要转子位置和正／反转信号：转子位置信号决定导通的判断器，正／反转信号通过调节相电流达到控制电机转速的目的。在不同的转子速度，选择不同的相电流作为反馈电流，并计算。当计算后的电流大于给定电流滞环上限时，正／反转信号为“0”，反馈电流降低，输出转速减小。反之，当计算后的电流小于给定电流滞环下限时，正／反转信号为“1”，反馈电流增大，输出转速增大。PWM 信号由速度环和电流环共同作用产生，两个环路一共包括6个需要调节的PID参数。

Claims (1)

1.一种主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置的控制方法，其特征在于：包括主阀（10）、柱塞泵/马达（4）、伺服电机（8）、控制电路（1）和集成一体化壳体（5），所述的集成一体化壳体（5）内设置有电路安装板、伺服电机腔（6）和柱塞泵安装腔（11），电路安装板上安装有控制电路（1），控制电路（1）上设置有信号输入输出口（2）和电源输入口（3），伺服电机腔（6）内安装有伺服电机（8），伺服电机（8）由控制电路（1）控制，伺服电机腔（6）两端分别设置有与外界连通的冷却进油口（7）和冷却回油口（9），柱塞泵安装腔（11）内安装有柱塞泵/马达（4），伺服电机（8）通过花键轴（14）与柱塞泵/马达（4）连接，柱塞泵/马达（4）与主阀（10）连接；

其中，控制电路（1）的信号输入输出口（2）通过比较器I（22）与速度控制器（23）连接，速度控制器（23）依次通过限幅器I（25）、比较器II（26）与电流控制器（27）连接，电流控制器（27）通过限幅器II（33）与PMW（28）连接，PMW（28）与逻辑判断器（29）连接，逻辑判断器（29）与逆变器（30）连接，逆变器（30）与比较器II（26）连接，速度控制器（23）通过方向判断器（24）与逻辑判断器（29）连接，逆变器（30）与控制器（31）连接，控制器（31）上接有泄放电路、蓄电池和负载，控制器（31）与伺服电机（8）连接，控制器与伺服电机（8）之间还连接有电流/电压传感器（32），伺服电机（8）由电流控制器（27）控制；

所述的主阀（10）包括主阀控制腔（18），主阀控制腔（18）上分别设置有A口、B口和C口，主阀控制腔（18）内设置有可上下移动的阀芯（19），阀芯（19）上端与主阀壳体之间设置有弹簧（17），所述的阀芯（19）内设置有单向阀I（20）和单向阀II（21），单向阀I（20）一端与A口连通，单向阀I（20）另一端与C口连通，单向阀II（21）一端与B口连通，单向阀II（21）另一端与C口连通，B口和C口分别接柱塞泵/马达（4）的进出油口；

所述的伺服电机（8）包括伺服电机转子（15）和伺服电机定子（16），伺服电机转子（15）设置在伺服电机定子（16）内，伺服电机转子（15）内部为中空结构；

控制方法包括以下步骤，

1）该主动先导级控制的电液比例流量阀与控制装置设置有电流/电压传感器，对伺服电机的状态进行实时监测，根据伺服电机输入的电流与电压，对其极性进行判断得到伺服电机的正/反转信号，当极性为正时，正/反转信号为“1”，正转逻辑判断器导通；反之，反转逻辑判断器导通；

2）对电流环采用电流滞环跟踪控制，其中速度环为比较器I（22）、速度控制器（23）、限幅器I（25）、比较器II（26）、电流控制器（27）、PMW（28）、逻辑判断器（29）、逆变器（30）、控制器（31）以及柱塞泵/马达（4）组成的环向连接；电流环为比较器II（26）、电流控制器（27）、PMW（28）、逻辑判断器（29）和逆变器（30）组成的环向连接；电流滞环跟踪控制的过程为，将给定的三相定子电流信号与检测到的相应定子电流信号做比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器使之减小，反之增大；电流波形围绕给定正弦波作锯齿状变化，并将限制其偏差，同时，电压波形成为宽度被调制的PWM波形；

3）当伺服电机（8）处于发电工况时，通过逆变器控制伺服电机（8）运转，将回馈的电能储存到蓄电池中给负载使用，或是通过泄放回路将多余的电能释放掉，或连接负载直接给负载使用。

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