CN109185284A - 具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法 - Google Patents

具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤，步骤(1)：通过负载角，判断电静液作动器系统工作在逆向载荷状态或顺向载荷状态；步骤(2)：当电静液作动器系统工作在逆向载荷状态时，电静液作动器系统的电机泵组即泵控系统的权值为1，电静液作动器系统的能量回收系统即阀控系统的权值为0；当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的大负载状态时，阀控系统的权值为1，泵控系统的权值为0。

Description

具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法
技术领域
本公开涉及能量回收技术领域，尤其涉及一种具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法。
背景技术
电静液作动器(EHA)是应用于多电/全电飞机中核心的作动系统，具有高效率和高可靠性等优点，研究和工程实际应用EHA具有十分重要的意义。EHA是由电机、泵、作动器、油箱等组成的一种高度集成的局部闭式液压系统，具有高效性和高可靠性。根据控制方式的不同，EHA主要分为三种类型：定排量变转速(EHA-FPVM)、变排量定转速(EHA-VPFM)和变排量变转速(EHA-VPVM)。与其他类型相比，定排量变转速(EHA-FPVM)具有结构简单、可靠性高等一系列优点，所以世界各地的研究人员主要对EHA-FPVM系统进行了广泛的研究。然而,EHA-FPVM电机发热严重，特别是在大负载时电机的发热非常大，严重时导致电机失效。一般情况下，EHA-FPVM具有四象限工作机制，分别包括两个逆向载荷过程和顺向载荷过程，其中在顺向载荷状态下，负载对系统的做功被转化为电能发热消耗或反馈电网，造成能量损失，负载力驱动电机工作在发电机状态，不仅造成了能量的损失，而且电机处于发电状态，将电能反馈到电网，造成对电网的扰动和污染。因而，研究和利用负载能量，并且减小电机发热成为一个重要的研究内容。
然而，现有技术中的能量回收系统多用于挖掘机等工程机械，虽然可以实现能量回收，但由于机械臂等的顺载工作不需要高精度的控制，故其能量回收系统在顺载工况下并没有且无法实现高精度控制，这是EHA系统无法接受的。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种具有能量回收系统的电静液作动器系统及其控制方法。本公开的能量回收系统，可在不影响系统动态的同时对液压系统顺载情况下能量进行回收利用，隔绝电机发电机状态，有效减少电机发热。
一方面，本公开的具有能量回收系统的电静液作动器系统通过以下技术方案实现。
一种具有能量回收系统的电静液作动器系统，包括电机泵组、能量回收系统和作动器；
电机泵组向作动器提供液压能；
电机泵组包括泵，泵包括第一油口和第二油口；
作动器包括第一腔和第二腔；
能量回收系统包括第一液控单向阀、第二液控单向阀、伺服换向阀和高压蓄能器；
由泵的第一油口输出的油液能够经由第一液控单向阀传输至第一腔；
由泵的第二油口输出的油液能够经由第二液控单向阀传输至第二腔；
当电静液作动器系统工作在顺载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，第一液控单向阀反向关闭，隔开第一腔和电机泵组的油路，伺服换向阀导通第一腔与高压蓄能器，第一腔中的油液通过伺服换向阀进入高压蓄能器。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括低压蓄能器，低压蓄能器与泵的第一油口和第一液控单向阀之间的油路连通，低压蓄能器与泵的第二油口和第二液控单向阀之间的油路连通。
根据本公开的至少一个实施方式，当电静液作动器系统工作在顺载工况时，高压蓄能器能够向第二腔补充油液。
根据本公开的至少一个实施方式，当电静液作动器系统工作在顺载工况时，低压蓄能器能够经由第二液控单向阀向第二腔补充油液。
根据本公开的至少一个实施方式，低压蓄能器通过第一阻尼孔与第一油口和第一液控单向阀之间的油路连通，低压蓄能器通过第二阻尼孔与第二油口和第二液控单向阀之间的油路连通。
根据本公开的至少一个实施方式，能量回收系统还包括单向阀组，单向阀组配置在高压蓄能器和伺服换向阀之间，单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，当油液由高压蓄能器向伺服换向阀流动时，第一单向阀导通，第二单向阀截止，当油液由伺服换向阀向高压蓄能器流动时，第一单向阀截止，第二单向阀导通。
根据本公开的至少一个实施方式，当电静液作动器系统工作在逆载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，第一液控单向阀正向导通，电机泵组的液压能直接传输至作动器的第一腔，第二液控单向阀反向导通，将作动器的第二腔的油液传输到电机泵组的泵的第二油口。
根据本公开的至少一个实施方式，当电静液作动器系统工作在逆载工况时，第一腔中的油液被单向阀组阻挡，不进入高压蓄能器。
根据本公开的至少一个实施方式，当第一腔的压力不足时，高压蓄能器中的油液经过单向阀组，对第一腔补充油液。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括安全阀，安全阀配置在作动器的第一腔的油路和作动器的第二腔的油路之间。
另一方面，本公开提供一种具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法，包括：
步骤(1)：通过负载角，判断电静液作动器系统工作在逆向载荷状态或顺向载荷状态，其中，所述负载角为θ，
v为作动器运动的速度，pL为负载压力；
步骤(2)：当电静液作动器系统工作在逆向载荷状态时，电静液作动器系统的电机泵组即泵控系统的权值为1，电静液作动器系统的能量回收系统即阀控系统的权值为0；当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的大负载状态时，阀控系统的权值为1，泵控系统的权值为0。
阀控系统权值为1，泵控系统权值为0，即能量回收系统对作动器进行供能，泵控系统不对作动器进行供能；
阀控系统权值为0，泵控系统权值为1，即能量回收系统不对作动器进行供能，泵控系统对作动器进行供能。
根据本公开的至少一个实施方式，步骤(2)中，当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的低负载状态时，阀控系统的权值从1线性的降到0，泵控系统的权值从0线性的升到1。
根据本公开的至少一个实施方式，当tanθ≥0时，电静液作动器系统工作在逆向载荷状态，当tanθ<0时，电静液作动器系统工作在顺向载荷状态。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开至少一个实施方式的具有能量回收系统的电静液作动器系统的结构示意图。
图2是本公开至少一个实施方式的具有能量回收系统的电静液作动器系统工作在顺载工况时的结构示意图。
图3是本公开至少一个实施方式的具有能量回收系统的电静液作动器系统工作在逆载工况时的结构示意图。
图4是本公开至少一个实施方式的具有能量回收系统的电静液作动器系统的作动器在正弦控制信号下运动时的负载特性曲线。
图5是本公开至少一个实施方式的具有能量回收系统的电静液作动器系统的作动器速度和负载压力的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
如图1所示，具有能量回收系统的电静液作动器系统，包括电机泵组、能量回收系统和作动器；电机泵组向作动器提供液压能；电机泵组包括泵，泵包括第一油口(即图示泵的上油口)和第二油口(即图示泵的下油口)；作动器包括第一腔和第二腔；能量回收系统包括第一液控单向阀1、第二液控单向阀2、伺服换向阀3和高压蓄能器4；由泵的第一油口输出的油液能够经由第一液控单向阀1传输至第一腔；由泵的第二油口输出的油液能够经由第二液控单向阀2传输至第二腔；第一腔即图中所示作动器的上部腔，第二腔即图中所示作动器的下部腔。电机泵组还可以包括电机M。第一油口可以作为出油口，也可以作为进油口；第二油口可以作为出油口，也可以作为进油口。
电静液作动器系统还可以包括低压蓄能器，低压蓄能器与泵的第一油口和第一液控单向阀1之间的油路连通，低压蓄能器与泵的第二油口和第二液控单向阀2之间的油路连通。优选的，低压蓄能器通过第一阻尼孔与第一油口和第一液控单向阀1之间的油路连通，低压蓄能器通过第二阻尼孔与第二油口和第二液控单向阀2之间的油路连通。
优选的，还可以通过第三阻尼孔连通泵的第一油口和第一液控单向阀1之间的油路与泵的第二油口和第二液控单向阀2之间的油路，以模拟泵的内外泄露状况。
优选的，串接的两个导通方向相反的单向阀连接泵的第一油口和第一液控单向阀1之间油路与泵的第二油口和第二液控单向阀2之间油路。
电静液作动器系统的能量回收系统还包括单向阀组5，单向阀组5配置在高压蓄能器4和伺服换向阀3之间，单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，当油液由高压蓄能器4向伺服换向阀3流动时，第一单向阀导通，第二单向阀截止，当油液由伺服换向阀3向高压蓄能器4流动时，第一单向阀截止，第二单向阀导通。
伺服换向阀3优选为三位四通阀，三位四通阀具有第一阀口、第二阀口、第三阀口和第四阀口，第一阀口通过第一单向阀与高压蓄能器4连接，第二阀口通过第二单向阀与高压蓄能器4连接，第三阀口与作动器的第一腔连接，第四阀口与作动器的第二腔连接。如图1所示，三位四通阀的阀芯可以处于左位、中位和右位，图1中将左位、中位和右位示为由下到上排列。
电静液作动器系统还可以包括安全阀，安全阀配置在作动器的第一腔的油路和作动器的第二腔的油路之间，且配置在作动器和能量回收系统之间。
本公开的电静液作动器系统采用的是泵控加阀控的方案，利用伺服换向阀3进行换向。在逆载工况时隔绝主油路高压腔与低压腔，整个系统处于泵控环境下，不影响系统的动态。在顺载工况下，由液控单向阀1隔开泵与作动器的高压腔，防止高压油推动泵、泵带动电机发电的工作状态，同时伺服换向阀3导通作动器高压腔与高压蓄能器4，使得高压油液注入高压蓄能器4中，将能量储存起来应用于逆载阶段。
如图2所示，具有能量回收系统的电静液作动器系统工作在顺载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，第一液控单向阀1反向关闭，隔开第一腔和电机泵组的油路，伺服换向阀3导通第一腔与高压蓄能器4，第一腔中的油液通过伺服换向阀3进入高压蓄能器4。高压蓄能器4能够向第二腔补充油液。低压蓄能器能够经由第二液控单向阀2向第二腔补充油液。
顺载工况下泵带动电机发电，产生的电流导致很大的电机发热，如果能隔绝电机的发电机状态，使得在顺载工况下电机不再发电，即可极大地改善电机的工作环境，减少电机的发热。
图2中所示为第一象限顺载工况，作动器的运动方向正向，受力方向正向。由于阀控系统的快速性高于泵控系统，当外负载足够时，作动器的运动主要由伺服换向阀3进行控制，此时电机泵组低速工作，泵进出口都是低压，液控单向阀1反向关闭，阻隔作动器中高压腔的油液，避免电机的发电机状态。伺服换向阀3工作在右位，高压油液通过伺服换向阀3，受控制的进入高压蓄能器4进行储能。高压腔油液进入高压蓄能器4，高压蓄能器4左侧的低压蓄能器中的油液通过液控单向阀2进入作动器的低压腔进行补充。但是阀控系统只能对作动器进行制动，无法驱动作动器的运动。因此，当外负载减小至阀控系统无法保证作动器的控制精度时，电机泵组重新建压并驱动作动器进行运动，此时作动器高压腔和低压腔互换，工况转为逆载工况。
如图3所示，具有能量回收系统的电静液作动器系统工作在逆载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，第一液控单向阀1正向导通，电机泵组的液压能直接传输至作动器的第一腔，第二液控单向阀2反向导通，将作动器的第二腔的油液传输到电机泵组的泵的第二油口。第一腔中的油液被单向阀组5阻挡，不进入高压蓄能器4。当第一腔的压力不足时，高压蓄能器4中的油液经过单向阀组5，对第一腔补充油液。
在逆向载荷工作时(即逆载工况)，能量回收系统不参与工作，EHA系统处于传统的EHA-FPVM状态，EHA系统控制电机的转向和转速，带动液压泵输出流量和压力，第一液控单向阀1正向导通，可以直接将液压能传输到作动器的第一腔(高压腔)，此时泵出口的压力控制第二液控单向阀2反向导通，将作动器低压腔的油液传输到泵的入口，形成闭式回路。
图3中所示为逆载工况，作动器运动方向负向，受力方向正向。电机驱动泵产生的高压油液通过液控单向阀1后驱动作动器的运动，高压开启液控单向阀2，作动器中低压腔(第二腔)的油液通过液控单向阀2回流进入泵。伺服换向阀3工作在左位，高压侧的压力油被单向阀组5阻挡无法进入高压蓄能器4，但当作动器高压腔的压力不足时，高压蓄能器4中的油液通过单向阀组5流出，对作动器实现补油。
当EHA系统做不同指令的控制信号运动时，例如正弦信号，如图4所示，作动器的运动速度和负载压力(负载压力一般采用负载力，EHA系统没有安装力传感器，因而采用负载压力代替负载力)绘制的曲线为负载特性曲线。图5示出了EHA系统的负载角特性，向量(v,PL)与横坐标形成的角度为负载角，负载角的大小如式(1)和式(2)所示。
式中：θ为EHA工作过程中的负载角；v为作动器运动的速度。
对式(2)求导，得到负载角的角速度。
本实施方式的电静液作动器系统控制方法，包括：
步骤(1)：通过负载角，判断电静液作动器系统工作在逆向载荷状态或顺向载荷状态；当tanθ≥0时，电静液作动器系统工作在逆向载荷状态，当tanθ<0时，电静液作动器系统工作在顺向载荷状态。
步骤(2)：当电静液作动器系统工作在逆向载荷状态时，电静液作动器系统的电机泵组即泵控系统的权值为1，电静液作动器系统的能量回收系统即阀控系统的权值为0；当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的大负载状态时，阀控系统的权值为1，泵控系统的权值为0。
其中，阀控系统权值为1，泵控系统权值为0，即能量回收系统对作动器进行供能，泵控系统不对作动器进行供能；
阀控系统权值为0，泵控系统权值为1，即能量回收系统不对作动器进行供能，泵控系统对作动器进行供能。
优选地，步骤(2)中，当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的低负载状态时，阀控系统的权值从1线性的降到0，泵控系统的权值从0线性的升到1。
负载角的特点：
1：当(i-0.5)π>θ≥(i-1)π，(i＝1,2)，即tanθ≥0，EHA系统工作在第一、第三象限，处于逆向载荷状态。相反，当iπ>θ>(i-0.5)π，(i＝1,2)，即tanθ<0，EHA工作在第二、第四象限，即顺向载荷状态。因而，通过tanθ的符号可以判断EHA的逆向载荷或顺向载荷状态。
2：负载压力PL和运动速度v的归一化，即以最大速度和最大负载压力组成的负载圆为单位圆，负载矢径为单位l＝1。EHA工作在任意位置(v，PL)时，其与负载角之间的关系为，v＝cosθ，PL＝sinθ。且v，PL分别代表了满量程的百分比。当EHA工作的负载压力或者运动速度未达到满量程时，负载矢径1>l>0，在EHA的任意工作位置(v，PL)为(lcosθ，lsinθ)。因而，联合负载角和负载矢径，可以确定EHA系统的工作状态。
3：对负载角的微分，当dθ>0时，负载矢径绕负载圆圆心O逆时针旋转，当dθ<0时，负载矢径绕圆心O顺时针旋转，当dθ＝0时，负载矢径与横坐标垂直，即EHA跟踪常值信号。不管dθ的符号是什么，负载矢径绕穿越纵轴时，运动速度为零，负载矢径绕穿越横轴时，负载压力为零。
4：正弦指令信号sin(2πft)的负载角和负载矢径的变化趋势：负载角的微分恒大于零或者恒小于零，绕圆心逆时针或者顺时针旋转。旋转周期为1/f，负载角的旋转均速为2πf，且以2πf为中心波动，波动是由于电静液作动器系统各个环节的动态特性对负载角产生的影响。
例如飞机的副翼、水平尾翼和垂直尾翼均具有负载角旋转的负载特性。
本公开的电静液作动器系统可对液压系统顺载能量进行回收，隔绝电机发电机状态，减少能量损耗，采用“泵控+阀控”的液压系统控制思路与构型，可在能量回收的同时不影响控制精度。本公开采用液控单向阀对顺载能量进行自动隔绝，不需要顺逆载检测装置，简化能量回收系统结构。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种具有能量回收系统的电静液作动器系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤(1)：通过负载角，判断电静液作动器系统工作在逆向载荷状态或顺向载荷状态，其中，所述负载角为θ，
v为作动器运动的速度，pL为负载压力；
步骤(2)：当电静液作动器系统工作在逆向载荷状态时，电静液作动器系统的电机泵组即泵控系统的权值为1，电静液作动器系统的能量回收系统即阀控系统的权值为0；当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的大负载状态时，阀控系统的权值为1，泵控系统的权值为0。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当tanθ≥0时，电静液作动器系统工作在逆向载荷状态，当tanθ<0时，电静液作动器系统工作在顺向载荷状态。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，当电静液作动器系统工作在顺向载荷状态的低负载状态时，阀控系统的权值从1线性的降到0，泵控系统的权值从0线性的升到1。
4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述具有能量回收系统的电静液作动器系统包括电机泵组、能量回收系统和作动器；所述电机泵组向所述作动器提供液压能；所述电机泵组包括泵，泵包括第一油口和第二油口；所述作动器包括第一腔和第二腔；所述能量回收系统包括第一液控单向阀、第二液控单向阀、伺服换向阀和高压蓄能器；由泵的第一油口输出的油液能够经由所述第一液控单向阀传输至所述第一腔；由泵的第二油口输出的油液能够经由所述第二液控单向阀传输至所述第二腔。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述电静液作动器系统工作在顺载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，所述第一液控单向阀反向关闭，隔开所述第一腔和电机泵组的油路，所述伺服换向阀导通所述第一腔与所述高压蓄能器，第一腔中的油液通过伺服换向阀进入高压蓄能器。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述电静液作动器系统工作在顺载工况时，高压蓄能器能够向所述第二腔补充油液。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述电静液作动器系统工作在逆载工况时，第一腔作为高压腔，第二腔作为低压腔，第一液控单向阀正向导通，电机泵组的液压能直接传输至所述作动器的第一腔，第二液控单向阀反向导通，将作动器的第二腔的油液传输到电机泵组的泵的第二油口。
8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述电静液作动器系统工作在逆载工况时，所述第一腔中的油液被所述单向阀组阻挡，不进入高压蓄能器。
9.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述第一腔的压力不足时，所述高压蓄能器中的油液经过所述单向阀组，对所述第一腔补充油液。
10.根据权利要求1或4所述的控制方法，其特征在于，所述能量回收系统还包括单向阀组，所述单向阀组配置在所述高压蓄能器和所述伺服换向阀之间，所述单向阀组包括第一单向阀和第二单向阀，当油液由高压蓄能器向伺服换向阀流动时，所述第一单向阀导通，第二单向阀截止，当油液由伺服换向阀向高压蓄能器流动时，所述第一单向阀截止，第二单向阀导通。
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