CN111350706A - 脉宽调制型液压变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉宽调制型液压变压器，其特征在于，该液压变压器包括一个泵/马达流量单元和受PWM信号控制的A侧阀和B侧阀；通过调节PWM控制信号的占空比可使液压变压器实现连续调压，避免了液压变压器在切换变压比时产生的压力和流量脉动，对负载起到了保护作用；同时连续调压比阶梯状调压具有更高的效率，该脉宽调制型液压变压器具有更宽的变压范围，可以达到
Figure DDA0002412993450000011
另外泵/马达流量单元和A侧阀、B侧阀集成为一个整体，具有结构紧凑，自吸能力强，无外泄漏，能量损失小且动态响应快的优点。

Description

脉宽调制型液压变压器
技术领域
本发明属于液压变压装置技术领域，具体涉及一种脉宽调制型液压变压器。
背景技术
液压变压器是一种在液压传动中实现压力转换的新型液压元件。在恒压网络二次调节静液传动中，液压变压器能直接从恒压网络获取能量，不产生任何能量损失，使恒压源可同时驱动多个工作压力不同的独立负载，并能回收系统的重力势能和动能并将其转化成液压能储存在蓄能器中。目前常见的液压变压器主要分为传统型液压变压器和数字型液压变压器。传统型液压变压器多采用机械、手动、液动等简单的操纵方式，主要分为两类：一类是液压缸型，包括间断输出液压油的间断型、连续输出液压油的连续型和具有多种变压比的多级缸型。液压缸型液压变压器利用帕斯卡原理，通过改变液压缸两腔的面积比S1/S2实现变压。其结构简单、无泄漏，能够按照两腔作用面积的比值成比例地变压，但其两腔作用面积一旦固定就无法改变，因此其变压比比较单一，且流量有限，因此只能用于流量较小的场合。第二类是泵马达型，泵马达型液压变压器主要有两种形式，一种是将一个斜盘式轴向柱塞泵和一个斜盘式轴向柱塞马达通过刚性轴连接在一起使其具有相同的转速和转矩，泵和马达具有各自的配油盘和斜盘，斜盘倾角可以分别或同时调节以获得所需的变压比；另一种是将泵和马达集成为一体，其主体结构与轴向柱塞泵基本一致，不同的是其配流盘有三个形状相同的腰型槽分别与高压油源、低压油源和负载相连，依靠调节配流盘的旋转角度来控制进入泵和负载的流量实现变压。前者虽然具有较多的变压比但其结构复杂加工难度大且泄漏量大能效低很难投入到实际应用中；后者虽优化了变压器的结构，降低了缸体和柱塞之间的摩擦和变压器的启动转矩，提高了动态响应能力，但该型液压变压器低速性能差，抗干扰能力有待提高。数字型液压变压器采用二进制编码方式控制阀组的通断进而控制液压变压器的变压比，当有2n个离散状态时即有2n个离散值可以输出。虽然数字式液压变压器可靠性高、线性度好，但其输出的变压比都是离散值不能实现连续调压、调压效率低，加之制造成本较高很难得到大面积的推广。整体来说液压变压器虽然经历了许多结构和控制上的创新在应用上也取得了一定的突破，但迄今为止市场上尚无能达到工业应用水平的液压变压器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有液压变压器的不足，提供一种控制策略简单可靠，动态响应快，变压范围大，结构紧凑，能实现连续调压的新型的液压变压器。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于脉宽调制型液压变压器，该液压变压器采用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号控制液压变压器两侧的平均作用压力从而实现变压。
所述脉宽调制型液压变压器包括一个泵/马达流量单元、受PWM信号控制的A侧阀和B侧阀；
所述泵/马达流量单元和A侧阀、B侧阀集成为一个整体；
所述泵/马达流量单元有主油口A、主油口B和泄漏油口L；
所述A侧阀和B侧阀为所述脉宽调制型液压变压器的控制阀；所述A侧阀包括进油口A1、出油口Pa和出油口Ta，所述进油口A1与所述主油口A相连接；当控制所述A侧阀的PWM信号为低电平时，所述进油口A1与出油口Ta导通，所述主油口A与低压油源相连接；当控制所述A侧阀的PWM信号为高电平时，所述进油口A1与出油口Pa导通，所述主油口A与高压油源相连接；
所述B侧阀有进油口B1、出油口Pb和出油口Tb，所述进油口B1与所述主油口B相连接；当控制所述B侧阀的PWM信号为低电平时，所述进油口B1与出油口Tb导通，此时所述泵/马达流量单元的主油口B与所述低压油源相连接；当控制所述B侧阀的PWM信号为高电平时，所述进油口B1与出油口Pb导通，所述泵/马达流量单元的主油口B与负载端相连接；
所述脉宽调制型液压变压器，通过调节控制所述A侧阀的PWM信号的占空比τa的大小控制所述泵/马达流量单元的主油口A的平均作用压力pa；通过调节控制所述B侧阀的PWM信号的占空比τb的大小控制泵/马达流量单元主油口B的平均作用压力Pb。
优选的，所述A侧阀与所述B侧阀允许通过的额定流量大小相等，脉宽调制型液压变压器通过改变所述PWM信号的占空比大小来实现负载和油源之间的压力和流量的转换的转换关系为：
Figure BDA0002412993430000031
式中：Pa是液压变压器A侧的压力，Pb是液压变压器B侧的压力，qa是液压变压器A侧的流量，qb是液压变压器B侧的流量，τa为所述A侧阀的PWM控制信号的占空比，其大小为0到1，τb为所述B侧阀的PWM信号的占空比，其大小为0到1。
优选的，所述液压变压器具的变压范围，达到
Figure BDA0002412993430000032
τamin、τbmin为所述A侧阀、B侧阀PWM信号的占空比的最小值，τamax、τbmax为所述A侧阀、B侧阀PWM信号的占空比的最大值。
优选的，所述A侧阀和B侧阀为抗干扰能力强、能够直接接收脉宽调制信号的二位三通高速开关阀；所述二位三通高速开关阀可以按照输入的脉冲调制信号工作，其响应时间很短，在毫秒量级，因此可达到较高的调制脉冲频率，和较大的占空比调节范围；所述A侧阀在控制电信号的高低电平作用下，所述进油口A1与所述出油口Pa和Ta间的切换。当输入PWM信号为低电平时，所述A侧阀的阀芯在弹簧力和液压力的作用下保持常闭状态，进油口A1与出油口Ta导通，主油口A与低压油源相连接；当PWM信号为高电平时，电磁线圈产生的磁力克服弹簧力和液压力使所述A侧阀的阀芯开启，进油口A1与出油口Pa导通，主油口A与高压油源相连接。所述B侧阀在控制电信号的高低电平作用下，实现进油口B1与出油口Pb、Tb间的切换。同样当PWM信号为低电平时阀芯在弹簧力和液压力的作用下保持常闭状态；进油口B1与出油口Tb导通，此时所述泵/马达流量单元的主油口B与所述低压油源相连接。当PWM信号为高电平时，电磁线圈产生的磁力克服弹簧力和液压力使所述B侧阀的阀芯开启，所述进油口B1与出油口Pb导通，此时所述泵/马达流量单元的主油口B与负载端相连接。
优选的，所述泵/马达流量单元为四象限工作的泵/马达流量单元，能够双向转动，输入、输出都是双向可逆的，既可以吸收液体压力能转化为转子的机械转动动能，又能将机械动能转化为液体压力能输出压力和流量。
优选的，所述四象限工作的泵/马达流量单元，采用双向齿轮马达结构、双向叶片马达结构或者双向轴向柱塞马达结构中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的液压变压器通过调节PWM控制信号的占空比可使液压变压器实现连续调压，避免了变压器在切换变压比时产生的压力和流量脉动，对负载起到了保护作用；同时连续调压比阶梯状调压具有更高的效率。该脉宽调制型液压变压器具有更宽的变压范围，可以达到
Figure BDA0002412993430000041
由于PWM信号的占空比可以是0到1之间的任意数，故脉宽调制型液压变压器的变压比在理论上可以为0到无穷之间的任意值；采用泵/马达流量单元与A侧阀、B侧阀集成为一个整体的结构设计，具有结构紧凑，自吸能力强，无外泄漏，能量损失小且动态响应快的优点。
附图说明
图1是本发明实施例的脉宽调制型液压变压器的液压原理图；
图2是本发明实施例的脉宽调制型液压变压器的主视图；
图3是本发明实施例的脉宽调制型液压变压器的剖视图；
图4是本发明实施例的脉宽调制型液压变压器的控制原理图；以及
图5是本发明实施例的脉宽调制型液压变压器的实施方案图。
附图标号：
1-主动齿轮、2-从动齿轮、3-轴套、6-后端盖和7-壳体、8-A侧阀、9-B侧阀、10-A侧阀块、11-B侧阀块、14、15、16-脉宽调制型液压变压器、17、18-液压缸、19-液压马达、20-恒压源。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例提出一种脉宽调制型液压变压器，如图1、图2和图3所示，其主要由泵/马达流量单元和控制阀组组成。其中泵/马达流量单元为一个双向齿轮马达，其主体包括主动齿轮1、从动齿轮2、轴套3、密封圈、前端盖、后端盖6和壳体7。控制阀组为两个二位三通常闭型高速开关阀A侧阀8和B侧阀9，分别安装在泵/马达流量单元两侧的A侧阀块10和B侧阀块11上。
在安装过程中A侧阀块10通过紧固螺钉固定在流量单元的壳体7上，为了防止二者之间的泄露，在阀块的出口与流量单元的进口之间设置密封橡胶圈，B侧阀块11亦做同样连接。A侧阀块10、B侧阀块11与高速开关阀A侧阀8和B侧阀9之间通过A侧阀8和B侧阀9自身所带的螺纹旋紧在A侧阀块10、B侧阀块11中。为了减少泵/马达流量单元中的内泄露将输入腔的压力油通过小齿轮轴上的小孔引入到轴套3的侧面处使其被压力油压紧在齿轮端面上。
如图4所示，脉宽调制型液压变压器的控制部分由上位机、可编程序控制器、驱动电路以及压力传感器和流量传感器组成。其基本原理为当上位机输入一个控制值给可编程序控制器时，可编程序控制器产生一个相应占空比的PWM控制信号，然后该控制信号激活驱动电路，驱动电路控制高速开关阀的通断以及通电时间的长短来改变泵/马达流量单元的主油口A、主油口B的平均作用压力，最终输出相应的压力油。输出的压力被压力传感器反馈至可编程序控制器处并与上位机的输入控制信号进行比较，输出的转速被转速传感器反馈到可编程序控制器并与换挡转速进行比较，得到偏差，然后可编程序控制器根据得到的偏差信号相应的改变PWM信号的占空比大小，使脉宽调制型液压变压器的输出压力稳定在设定值附近。
如图5所示为脉宽调制型液压变压器的一个实施方案，其主体包括由双向齿轮马达组成的泵/马达流量单元和由两个高速开关阀组成的A侧阀和B侧阀。双向齿轮马达如图2和图3所示，A侧阀采用能直接接收脉宽调制信号的二位三通高速开关阀，其控制方式如图4所示，B侧阀采用和A侧阀相同的配置。液压系统中有三个相同的脉宽调制型液压变压器14、15、16和三个独立工作的执行器分别为液压缸17、液压缸18和液压马达19，由恒压源20提供恒压油，三者的工作状态由脉宽调制型液压变压器的工作状态决定，它们既可同时工作也可单独工作。当脉宽调制型变压器工作时，A侧阀和B侧阀得到的脉冲信号均为高电平，泵/马达流量单元的主油口A和恒压源相连，主油口B与负载端连接，与之相连的执行器获得所需压力油开始工作。通过改变PWM信号的占空比实现对液压变压器输出压力的控制。当A侧阀的占空比与B侧阀的占空比相同时，液压变压器两侧的平均作用压力相等并未起到变压的作用，与之相连的执行器停止工作。当A侧阀的占空比大于B侧阀的占空比时，液压变压器工作在增压工况，其变压比为τa/τb其值大于1。当A侧阀的占空比小于B侧阀的占空比时，液压变压器工作在降压工况，其变压比为τa/τb其值小于1。该脉宽调制型液压变压器具有更宽的变压范围，可以达到
Figure BDA0002412993430000071
因为PWM信号占空比的取值范围为0到1之间任意值，故脉宽调制型液压变压器的变压比在理论上可以为0到无穷之间的任意值。
以上所述的实施例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 (6)

1.一种脉宽调制型液压变压器，其特征在于，该液压变压器包括一个泵/马达流量单元、受PWM信号控制的A侧阀和B侧阀；
所述泵/马达流量单元和A侧阀、B侧阀集成为一个整体；
所述泵/马达流量单元有主油口A、主油口B和泄漏油口L；
所述A侧阀和B侧阀为所述脉宽调制型液压变压器的控制阀；所述A侧阀包括进油口A1、出油口Pa和出油口Ta，所述进油口A1与所述主油口A相连接；当控制所述A侧阀的PWM信号为低电平时，所述进油口A1与出油口Ta导通，所述主油口A与低压油源相连接；当控制所述A侧阀的PWM信号为高电平时，所述进油口A1与出油口Pa导通，所述主油口A与高压油源相连接；
所述B侧阀有进油口B1、出油口Pb和出油口Tb，所述进油口B1与所述主油口B相连接；当控制所述B侧阀的PWM信号为低电平时，所述进油口B1与出油口Tb导通，此时所述泵/马达流量单元的主油口B与所述低压油源相连接；当控制所述B侧阀的PWM信号为高电平时，所述进油口B1与出油口Pb导通，所述泵/马达流量单元的主油口B与负载端相连接；
所述脉宽调制型液压变压器，通过调节控制所述A侧阀的PWM信号的占空比τa的大小控制所述泵/马达流量单元的主油口A的平均作用压力pa；通过调节控制所述B侧阀的PWM信号的占空比τb的大小控制泵/马达流量单元主油口B的平均作用压力Pb。
2.根据权利要求1所述的脉宽调制型液压变压器，其特征在于，所述A侧阀与所述B侧阀允许通过的额定流量大小相等，所述脉宽调制型液压变压器通过改变所述PWM信号的占空比大小来实现负载和油源之间的压力和流量转换其转换关系为：
Figure FDA0002412993420000021
式中：Pa是液压变压器A侧的压力，Pb是液压变压器B侧的压力，qa是液压变压器A侧的流量，qb是液压变压器B侧的流量，τa为控制所述A侧阀的PWM信号的占空比，τb为控制所述B侧阀的PWM信号占空比。
3.据权利要求2所述的脉宽调制型液压变压器，其特征在于，所述液压变压器具的变压范围，达到
Figure FDA0002412993420000022
式中τamin、τbmin为所述A侧阀、B侧阀PWM信号的占空比的最小值，τamax、τbmax为所述A侧阀、B侧阀PWM信号的占空比的最大值。
4.根据权利要求1、2、3之一所述的脉宽调制型液压变压器，其特征在于，所述A侧阀、B侧阀为二位三通高速开关阀，响应时间在毫秒量级。
5.根据权利要求1所述的脉宽调制型液压变压器，其特征在于，所述泵/马达流量单元为四象限工作的泵/马达流量单元，能够双向转动，其输入、输出都是双向可逆的，既可以吸收液体压力能转化为转子的机械动能，又能将机械动能转化为液体压力能输出压力和流量。
6.根据权利要求5所述的脉宽调制型液压变压器，其特征在于，所述泵/马达流量单元，采用双向齿轮马达结构、双向叶片马达结构或双向轴向柱塞马达结构中的一种。
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