CN110397634A - 一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液压控制技术领域，公开了一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统及其控制方法，该系统包括用于驱动负载，用于直驱非对称液压缸的双向泵，双向泵的两个出油口分别于非对称液压缸的有杆腔和无杆腔相连接，实现对非对称液压缸活塞杆的速度和位移控制的泵控子系统和实现对非对称液压缸活塞杆输出位移的控制的阀控子系统。本发明通过非对称流量的补偿很好地解决了非对称液压缸的动态流量不对称问题；通过对泵控、阀控子系统的双闭环控制可实现高频响、高精度的运动跟踪任务，负载运动所需的大部分流量都是通过泵控方式提供，在保证液压系统能量利用效率的同时兼顾了系统的动态响应。

Description

一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及液压控制技术领域，具体为一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统及其控制方法。
背景技术
泵直驱作动器技术通过控制驱动电机转速或泵排量，使泵的输出流量与负载需求相匹配。该类系统主回路上无需设置节流阀，消除了节流损耗，故泵控系统的能量效率很高。相关研究表明，泵控系统的能量利用效率较阀控系统能提高 40%以上。泵直驱作动器技术是实现电液系统“绿色发展”的理想途径，也是目前电液伺服控制技术的重要研究方向。但是，泵控系统响应速度低、动态性能较差。
阀控系统是基于节流调压原理工作的，具有响应速度快、抗载能力强等优点。但是，由于阀控系统存在较大的节流损耗，能量效率低。相关研究表明，阀控系统的有效能量利用率仅为 30%左右，特别是在高速小负载场合（大负载流量且低负载压力工况），阀控系统效率极低。
液压直线作动器可分为对称液压缸和非对称液压缸两种类型。与对称液压缸相比，非对称液压缸（单出杆缸）具有制造成本低、结构更为紧凑等优点，在冶金、矿山、移动机械等工业领域非对称液压缸的应用更为普遍，对高性能泵直驱非对称作动器技术的研究具有重要的现实意义。然而，由于单出杆缸两腔有效作用面积不同，致使两腔的进出口流量不对称。该“流量匹配问题”是制约泵直驱单出杆缸系统性能的关键因素之一。
综上，改善泵直驱非对称作动器的动态响应品质以及解决其动态流量匹配问题对推广容积电液伺服技术在工业领域的应用和加速我国节能绿色液压技术发展具有重要意义。
发明内容
针对目前泵控容积电液伺服技术存在的问题，面对社会对高动态、低能耗电液伺服技术的广泛需求，本发明提供了一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统及其控制方法，利用节流控制技术响应速度快和抗扰能力强、容积控制技术能量效率高的特点，通过调节泵的转速“按需”为负载运动提供流量，以保证电液系统具有较高的能量利用效率；通过伺服阀的控制实现非对称流量的动态补偿，同时提高伺服系统的动态响应特性以及鲁棒性能。
本发明采用如下技术方案：
一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，包括：
非对称液压缸，用于驱动负载；
双向泵，用于直驱非对称液压缸，双向泵的两个出油口分别于非对称液压缸的有杆腔和无杆腔相连接；
工作在速度伺服系统闭环模式的泵控子系统，实现对非对称液压缸活塞杆的速度和位移控制；
工作在位置伺服闭环模式的阀控子系统，实现对非对称液压缸活塞杆输出位移的精确控制。
所述泵控子系统包括伺服电机、微分器、角速度转换器和第一PID控制器，伺服电机与双向泵连接，微分器的输入端与阀控子系统连接，微分器的输出端与角速度转换器的输入端连接，角速度转换器的输出端与第一PID控制器的输入端连接，第一PID控制器的输出端与伺服电机连接，伺服电机与双向泵之间设有角速度传感器，角速度传感器与第一PID控制器的输入端连接。微分器将位移指令转化为速度信号传递给角速度转换器将速度信号转换为角速度信号并传递到第一PID控制器，角速度传感器将伺服电机转子的角速度反馈到第一PID控制器使泵控子系统工作在速度伺服闭环模式，实现对伺服电机角速度的精确控制，从而控制双向泵的流量进而实现对非对称液压缸活塞杆的速度和位移控制。
所述阀控子系统包括伺服阀、回油箱、第二PID控制器和位移传感器，伺服阀的A口和B口分别与非对称液压缸的无杆腔和有杆腔相连接，P口与小功率油源相连接，T口与回油箱相连接；位移传感器安装于非对称液压缸的活塞杆上，位移传感器与第二PID控制器的输入端连接，第二PID控制器的输出端与伺服阀控制端连接。位移指令输入到第二PID控制器，位移传感器将活塞杆位移信号反馈到第二PID控制器，实现对伺服阀位置控制，使阀控子系统工作在位置伺服闭环模式，从而实现对非对称液压缸输出位移的精确控制。当伺服阀位于左位置时，小功率油源与非对称液压缸无杆腔接通，非对称液压缸的有杆腔与回油箱接通；当伺服阀位于右位置时，小功率油源与非对称液压缸的有杆腔接通，非对称液压缸的无杆腔与回油箱接通。
所述双向泵连接有供油子系统，供油子系统包括第一液控单向阀、第二液控单向阀、蓄能器、减压阀和小功率油源，小功率油源的一个支路与直接与伺服阀的P口相连接，另一个支路通过减压阀与蓄能器相连接腔的连接回路相连，第二液控单向阀同双向泵与非对，减压阀可以减小和稳定该支路的压力，减压阀和蓄能器的连接回路上连接相并联的第一液控单向阀和第二液控单向阀，第一液控单向阀同双向泵与非对称液压缸无杆称液压缸有杆腔的连接回路相连。当非对称液压缸无杆腔为高压进油时第二液压单向阀打开，蓄能器和小功率油源可以为双向泵补油，对非对称液压缸的无杆腔进行非对称流量的动态补偿；当非对称液压缸有杆腔为高压进油时第一液压单向阀打开，蓄能器将非对称液压缸无杆腔多余的液压油能量储存起来。
双向泵与非对称液压缸无杆腔的连接回路中设有第二安全阀，双向泵与非对称液压缸有杆腔的连接回路中设有第一安全阀。第二安全阀和第一安全阀分别对无杆腔油路和有杆腔油路起到过载保护作用。
泵控子系统中，双向泵的两个出油口分别与非对称液压缸的有杆腔和无杆腔相连，角速度传感器监测伺服电机转子的角速度并反馈到第一PID控制器，微分器和角速度转换器将位移指令转换成伺服电机所需的角速度并输入到第一PID控制器，使泵控子系统工作在速度伺服闭环模式，从而实现双向泵转速的精确控制；由于非对称液压缸所需大部分流量都由泵控子系统供给，供油子系统仅需采用高压低流量的小功率油源对阀控子系统供油和泵控子系统补油，两个液控单向阀和蓄能器实现对非对称液压缸非对称流量的补偿；第二PID控制器基于非对称液压缸实际位移输出与给定位移指令的误差调节伺服阀，使阀控子系统工作在位置伺服闭环模式，实现对非对称液压缸输出位移的精确控制。本发明通过非对称流量的补偿很好地解决了非对称液压缸的动态流量不对称问题；通过对泵控、阀控子系统的双闭环控制可实现高频响、高精度的运动跟踪任务，负载运动所需的大部分流量都是通过泵控（无节流的）方式提供，在保证液压系统能量利用效率的同时兼顾了系统的动态响应。具体具有如下有益效果为：
1）提出的泵阀联控非对称液压缸运动控制液压系统回路原理，通过泵阀联控方式，将阀控技术响应速度快和泵控系统能量利用效率高的优点有机结合。通过调节泵的转速“按需”为负载运动提供流量，以保证电液系统具有较高的能量利用效率；通过伺服阀的控制实现非对称流量的动态补偿，同时提高伺服系统的动态响应特性以及鲁棒性能。
2）负载运动所需流量直接由泵供给（不经阀口节流环节），而伺服阀本身所需要的流量较小，可以采用额定流量小、响应速度快的伺服阀实现位置跟踪任务。
3）速度内环+位置外环的双环控制策略，基于转速调节的泵控子系统工作在速度跟踪模式，主要负责提供负载运动所需流量；而阀控子系统工作在位置伺服模式，主要用于抑制（未建模）随机外部干扰、补偿高动态跟踪工况的不对称流量，可有效解决泵控子系统和阀控子系统间的耦合干扰问题。
附图说明
图1为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图；
图2为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图所对应的AMESim仿真模型；
图3为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图所对应的AMESim仿真模型参数；
图4为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图所对应的AMESim仿真模型中液压缸的位置跟踪结果；
图5为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图所对应的AMESim仿真模型中双向泵的转速跟踪结果；
图6为本发明泵阀联合位置伺服系统的系统原理图所对应的AMESim仿真模型中泵阀子系统流量对比。
图中：1-伺服电机，2-角速度传感器，3-双向泵，4-第一液控单向阀，5-第二液控单向阀，6-蓄能器，7-第一安全阀，8-第二安全阀，9-非对称液压缸，10-位移传感器，11-负载，12-伺服阀，13-回油箱，14-第二PID控制器，15-减压阀，16-小功率油源，17-微分器，18-角速度转换器，19-第一PID控制器，20-泵控子系统，21-供油子系统，22-阀控子系统，23-补油油箱，24-正弦位移指令，25-阶跃干扰，26-正弦干扰。
具体实施方式
结合图1详细说明本发明实施方式，本实施方式的一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统包括泵控子系统20、供油子系统21、泵控子系统22、第一安全阀7、第二安全阀8、非对称液压缸9、位移传感器10和负载11；泵控子系统20包括伺服电机1、角速度传感器2、双向泵3、微分器17、角速度转换器18和第一PID控制器19；供油子系统21包括小功率油源16、减压阀15、蓄能器6、第一液控单向阀4和第二液控单向阀5；阀控子系统22包括伺服阀12、第二PID控制器14和回油箱13。
泵控子系统中双向泵3的两个出油口分别与非对称液压缸9的有杆腔和无杆腔相连接，微分器17将位移指令转化为速度信号传递给角速度转换器18将速度信号转换为角速度信号并传递到第一PID控制器19，角速度传感器2将伺服电机1转子的角速度反馈到第一PID控制器19使泵控子系统工作在速度伺服闭环模式，实现对伺服电机1角速度的精确控制，从而控制双向泵3的流量进而实现对非对称液压缸9活塞杆的速度和位移控制；角速度转换器18的内部算法公式为：，其中A表示液压缸活塞有效作用面积，X表示位移指令，D 表示泵的排量。
供油子系统中小功率油源16的一个支路直接与伺服阀12的P口相连接，另一个支路通过减压阀15与蓄能器6相连接，减压阀15可以减小和稳定该支路的压力；当非对称液压缸9无杆腔为高压进油时第二液压单向阀5打开，蓄能器6和小功率油源16可以为双向泵补油，对非对称液压缸9的无杆腔进行非对称流量的动态补偿；当非对称液压缸9有杆腔为高压进油时第一液压单向阀4打开，蓄能器6将非对称液压缸9无杆腔多余的液压油能量储存起来。
阀控子系统中伺服阀12的A口和B口分别与非对称液压缸9的无杆腔和有杆腔相连接，P口与小功率油源16相连接，T口与回油箱相连接；位移指令输入到第二PID控制器14，位移传感器10将活塞杆位移信号反馈到第二PID控制器14，实现对伺服阀12位置控制，使阀控子系统工作在位置伺服闭环模式，从而实现对非对称液压缸输出位移的精确控制；位移传感器10使用的是LVDT位移传感器。
阀控子系统中当伺服阀12位于左位置时，小功率油源16与非对称液压缸9无杆腔接通，非对称液压缸9的有杆腔与回油箱13接通；当伺服阀12位于右位置时，小功率油源16与非对称液压缸9的有杆腔接通，非对称液压缸9的无杆腔与回油箱13接通。
本系统中的安全阀为溢流阀，第一安全阀7可对非对称液压缸9有杆腔油路起到过载保护作用；所述第二安全阀8可对非对称液压缸9无杆腔油路起到过载保护作用。
实施例
结合图1、图2和图3，该仿真模型主要由一个双向泵3直驱非对称液压缸9的速度伺服子系统和一个基于恒压源的阀控位移伺服子系统构成。该模型综合考虑了油液弹性模量、电机泵连接刚度、电机及泵惯量、液压缸库伦摩擦、静摩擦以及粘性摩擦等因素。由图3所示阀控子系统22系统参数可知，因为有泵直驱速度伺服子系统为作动器提供主要流量，阀控子系统22可采用高频响小通流规格伺服阀+小排量高压油源方案构成。该泵阀联控系统将容积泵控系统能量效率高与节流调控系统响应速度快的优势相结合。
结合图2、图4、图5和图6，验证泵阀复合联控方案的可行性，令正弦位移指令24为150mm-0.2Hz进行伺服控制仿真，阶跃干扰25和正弦干扰26的参数为零，第一PID控制器19的参数P=20，I=10，第二PID控制器14的参数P=5000，I=100。阀控位移伺服子系统基于给定位移指令与液压缸位移反馈误差做位移伺服跟踪控制；泵控子系统基于给定位移指令的导数通过角速度转换器18转换成角速度做角速度伺服跟踪。由图4所示，在驱动 55Kg 负载质量、跟踪 150mm-0.2Hz工况下，泵阀联控非对称缸系统能以较小的误差（小于1mm）实现负载驱动；图 5和图6表明泵控速度伺服子系统承担了非对称液压缸9活塞杆运动所需的绝大部分流量。

Claims (6)

1.一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，其特征在于，包括：
非对称液压缸，用于驱动负载；
双向泵，用于直驱非对称液压缸，双向泵的两个出油口分别于非对称液压缸的有杆腔和无杆腔相连接；
工作在速度伺服系统闭环模式的泵控子系统，实现对非对称液压缸活塞杆的速度和位移控制；
工作在位置伺服闭环模式的阀控子系统，实现对非对称液压缸活塞杆输出位移的精确控制。
2.根据权利要求1所述的低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，其特征在于，所述泵控子系统包括伺服电机、微分器、角速度转换器和第一PID控制器，伺服电机与双向泵连接，微分器的输入端与阀控子系统连接，微分器的输出端与角速度转换器的输入端连接，角速度转换器的输出端与第一PID控制器的输入端连接，第一PID控制器的输出端与伺服电机连接，伺服电机与双向泵之间设有角速度传感器，角速度传感器与第一PID控制器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，其特征在于，所述阀控子系统包括伺服阀、回油箱、第二PID控制器和位移传感器，伺服阀的A口和B口分别与非对称液压缸的无杆腔和有杆腔相连接，P口与小功率油源相连接，T口与回油箱相连接；位移传感器安装于非对称液压缸的活塞杆上，位移传感器与第二PID控制器的输入端连接，第二PID控制器的输出端与伺服阀控制端连接。
4.根据权利要求3所述的低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，其特征在于，所述双向泵连接有供油子系统，供油子系统包括第一液控单向阀、第二液控单向阀、蓄能器、减压阀和小功率油源，小功率油源的一个支路与直接与伺服阀的P口相连接，另一个支路通过减压阀与蓄能器相连接，减压阀和蓄能器的连接回路上连接相并联的第一液控单向阀和第二液控单向阀，第一液控单向阀同双向泵与非对称液压缸无杆腔的连接回路相连，第二液控单向阀同双向泵与非对称液压缸有杆腔的连接回路相连。
5.根据权利要求4所述的低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，其特征在于，双向泵与非对称液压缸无杆腔的连接回路中设有第二安全阀，双向泵与非对称液压缸有杆腔的连接回路中设有第一安全阀。
6.一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统控制方法，其特征在于，采用泵阀联控方式，通过调节泵的转速按需为负载运动提供流量，泵工作于速度伺服闭环模式，实现对非对称液压缸活塞杆的速度和位移的控制；伺服阀的控制实现非对称流量的动态补偿，阀工作于位置伺服闭环模式，实现对非对称液压缸输出位移的精确控制。
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