CN111351523B - 一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供了一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，不需要任何位移传感器，只需通过伺服电动机/发电机的转速、转矩、油液温度、泵低压腔压力，就能通过建立位移软测量模型得到液压缸的位移，并通过在系统的回油路添加马达与发电机的组合，将液压能转换为电能储存起来，进行势能回收。

Description

一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法。

背景技术

机械行业对机械的自动化、智能化的要求越来越高，在工程机械领域也不外如是。只有将传统的工程机械与电子电气、现代控制、传感器技术的等多学科相结合才能真正实现机械的自动化、智能化。要想实现工程机械的智能化，实时获得可靠的反馈量在现代控制领域极为重要，诸如在高危环境中实现液压缸升降平台的自动化控制，就必须获得液压缸的位移。目前，获得液压缸位移最常见的方法就是通过位移传感器直接测量量得到。然而，由于现实工况中内置与外置传感器分别存在成本高、制造精度要求高、结构复杂、容易损坏、维护困难等缺点迟迟找不到解决办法。因此，本发明专利提供一种满足工程机械领域对测量精度要求不高、成本低、易于维护可靠性好的变转速单泵开式系统位移软测量及势能回收方法。

发明内容

本发明专利一种单泵开式系统位移软测量及液压势能回收方法的目的，就是提供一种能用于恶劣的施工环境中，实现变转速单泵开式系统液压缸位移软测量并对位置进行控制，同时设计有液压势能回收装置，节约能量。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，包括如下步骤：

步骤一)根据伺服电机输出扭矩计算泵进出口的压差

T_L＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD

其中T_L为伺服电机实际输出扭矩；Δp_P和Δp_M分别为两种工况下泵进出口压差；D为泵的排量；C_v，C_f，C_h依次为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量数：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为电机角速度；

油液粘度随温度变化，油液温度由温度传感器测出；油液粘度的计算方法为：

式中：T为油液温度；ρ为油液密度，实验测量得到；p₀为大气压；p为所在液压元件的压力，使用压力传感器进行测量；C₁、C₂、C₃为系数，通过实验拟合得到；

步骤二)计算有效体积弹性模量(B_f)，计算方法如下：

式中p₀为系统的初始压力；p为压力计算模块所计算出的泵/马达输出/输入压力；N为气体多变指数，X₀为自由空气的相对含量，B为油液的额定弹性模量；为了使弹性模量更为准确，设定一个最小值B_min：

B_f＝max(B_eff，B_min)

步骤三)计算泵出口流量，计算方法如下：

其中q_P为泵出口流量；D为泵排量；ω为伺服电机的角速度；Δp为泵进出口压差；S，σ为无纲量数；C_s为层流系数，C_st为紊流系数；B_f为油液有效弹性模量；ε为误差补偿；

步骤四)计算速度，所述的液压缸的速度的估算为：

v＝(q_a-K_LΔp)/A

其中v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积,△p为液压缸两侧压差，即为泵/马达所计算出的压差，K_L为液压缸的泄漏系数；

步骤五)计算进出液压缸油液的总排量，并计算位移

a)当液压缸伸出时，实际位移为：

A_A为液压缸无杆腔面积，V为油液的总排量，V＝q_{C_i}·Δt＝∫q_{C_i}dt，其中

q_{C_i}＝q_C-K_L(p_A-p_B)＝q_A-K_L(p_A-p_B)

b)当液压缸缩回时，实际位移为：

A_B为液压缸无杆腔面积，V为油液的总排量，V＝q_{C_i}·△t＝∫q_{C_i}dt，

其中q_{C_i}＝q_C-K_L(p_B-p_A)＝q_B-K_L(p_B-p_A)

上式中的p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力。

进一步的，在液压缸的行程上设置接近开关作为参考点，当液压缸运动经过参考点时，根据参考点位置校准位移量。

进一步的，所述参考点有三个，分别位于液压缸完全缩回、位移为液压缸总行程1/2、位移为行程终点位置。

进一步的，将液压缸回油腔与单向定量马达相连，马达与发电机通过传动轴相连，油液通过马达回油箱，带动马达旋转，液压能转换为机械能，在通过发电机，将机械能转换为电能，通过电线将电能传输给电机控制器，最将电能传输给电能储存单元，将一部分液压能转换为电能储存起来。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)实现无位移传感器的位置较精确估计，提高系统的鲁棒性

2)多液压缸系统的位置控制，不需要位移传感器，降低系统成本。

3)设置多个参考点的方式来消除位移累积误差。

4)考虑温度、油液压缩性、不同转速不同压差的泵/马达模型、液压缸泄漏来计算液压缸位移，提高系统的鲁棒性。

5)采用伺服电机的转矩所计算出来的泵出口压力结合多个位置参考点实现系统是否存在溢流的判断。

6)将电力式能量回收和位移软测量相结合，提高系统的能效。

附图说明：

图1位移测量的流程图

图2速度测量的流程图

图3单泵单液压缸液压系统示意图

图4液压缸伸出示意图

图5液压缸缩回示意图。

具体实施方案方式

本发明专利提供一种单泵开式系统位移软测量及液压势能回收方法，该系统包括控制器、电机驱动器、伺服电机、定量泵、温度传感器、压力传感器、液压管路、液压缸、接近开关等元件。本发明通过伺服驱动器获得伺服电机的转速和转矩、通过温度传感器获得油温、通过压力传感器获得所需段压力，估算出油液粘度、有效体积弹性模量，建立该液压系统的液压缸位移软测量模型。同时在液压系统的回油口添加液压马达与发电机的能量回收单元，对液压势能进行回收。

本发明专利一种单泵开式系统位移软测量及液压势能回收方法，实现该方法的流程如图1 所示。控制器将接收到的位移信号X₀与软测量得到的位移的偏差e_i，输出转速控制信号，通过电机驱动器控制伺服电机的转速，伺服电机带动定量泵转动，给液压回路供油，通过建立位移软测量方法的到液压缸的位移，对液压缸的位移进行负反馈控制，完成对液压缸位移的闭环控制。

由于液压缸位移软测量方法测量得到的位移与液压缸实际位移存在一定的偏差，因此，系统中必然存在累积误差。本发明专利设置多个参考点并在参考点处安装接近开关的方式来消除累积误差。例如分别在液压缸完全缩回位移为0、位移为液压缸总行程1/2、位移为行程终点位置设置三个参考点，当液压缸运动到这三个位置时，无论通过软测量得到的位移为多少，都可以通过个这三个接近开关参考点将反馈回去的位移信号设置为这三个接近开关参考点所对应位置的位移值，以此来消除该位移软测量方法测量所得位移的累积误差。

通过电机转矩估算出的泵出口压力也溢流阀设定压力相比较，如果泵出口压力高于溢流阀设定压力，且到达下一参考点时，估算位移与参考点位置相差较大，可判断其为溢流。

本发明专利一种单泵开式系统位移软测量及液压势能回收方法，实现位移软测量的步骤：

(1)通过电机驱动器获得伺服电机的转速和转矩，通过温度传感器获得主要回路的油温，通过计算出泵出口压力。

(2)估算出油液粘度、有效体积弹性模量，建立定量泵输出流量软测量模型、液压缸输入流量软测量模型。

(3)关联这些软测量模型，最终得到液压缸控制腔实际输入流量，推算出液压缸速度及位移。

一种单泵闭式系统位移软测量方法的关键就是建立单泵闭式系统中泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型，能够建立准确软测量模型，是保证软测量精度的关键组成部分。本发明专利通过对实验数据与仿真获得单泵闭式液压系统伺服电机的转速、转矩，液压回路油液温度、粘度，液压缸进口流量、位移数据，再利用模型辨识，得到泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型。

1)建立泵流量软测量模型

本发明运用的变转速单泵开式系统液压回路如图2所示。由电机驱动器获得伺服电机的转速，伺服电机通过传动轴驱动定量泵，定量泵的转速等于伺服电机的转速ω，定量泵的输出流量主要取决于泵的转速和泵的压差Δp，以及液体的体积弹性模量、粘度。通过对实验数据进行拟合，可以得到影响泵输出流量的层流、紊流系数，最终可以得到泵的输出流量方程：

式中：q_out—泵出口流量；ω—泵转速；D—泵排量；C_s，C_st—层流，紊流泄漏系数；Δp—压差；S，σ—无纲量数；B_liq—特定条件下弹性模量；ε—误差补偿；ρ—油液密度；ν—油液粘度。

其中:

泵的压差可以根据定量泵的转矩平衡方程得到，伺服电机与定量泵传动轴上的转矩T_L可以根据电机驱动器得到，影响泵转矩的主要因素就是压差，在已知转矩的情况下，通过拟合实验数据可以等到传动轴上的粘性摩擦系数C_ν、库伦摩擦系数C_f及液压动态损失系数C_h。

最终得到定量泵传动轴的扭矩平衡方程：

T_L＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD (4-4)

由此式(4-2)可以推导出压差Δp，通过图2中所示安装于定量泵与油箱之间的压力传感器可以得到定量泵的低压进油口的压力p₀，由此可以得到定量泵泵的出口高压腔油压p₁：

p₁＝p₀+Δp (4-5)

想要得到定量泵的输出流量，定量泵中油液的体积弹性模量也至关重要。体积弹性模量是描述可压缩性的参数，是影响压力变化率的重要参数，系统的总压缩系数被称为有效体积模量，考虑到液体、气体、容积对压缩系数的影响，弹性模量主要受到压力、温度及含气量三反面的影响。通过对实验结果进行拟合，最终的到体积模量为：

式中：p₀—大气压；p—所在液压元件的压力，在定量泵中，用定量泵高压腔的压力p₁用于计算，即在定量泵中p＝p₁，而在其他液压元件中的压力p值是由该液压元件容腔的压力来决定的，因此每个液压元件的弹性模量都是不一样的；N—气体多变指数；X₀—大气压下空气相对含量；B_liq—在特定条件下的液体弹性模量。

同时，为了使弹性模量更为准确，需设定一个最小值：

B(f)＝max(B_eff,B_min) (4-7)

最后对定量泵的输出流量影响的参数分别是油液的密度ρ和油液的粘度ν，油液的密度可以直接通过实验测量得到，油液的粘度随着油液的温度变化而变化，因此需要在液压管路中添加温度传感器，实时监测液压回路中的油液温度T。通过对实验数据进行多项式拟合，可以得到油液粘度与温度关系的表达式：

式中：p₀—大气压；p—所在液压元件的压力，由于压力变化对粘度的影响较小，因此可取 p＝p₀或者另外使用压力传感器进行测量；C₁、C₂、C₃—均为系数，通过实验数据拟合得到。

由此，通过联立方程(4-1)～(4-8)，就可以得到定量泵的输出流量q_P。

2)液压缸输入流量模型

液压缸内活塞密封并不能达到无泄漏状态，因此液压缸内还存在一定的泄漏流量泄漏，因此液压缸的实际输入流量为：

q_{C_i}＝q_P-K_L(max(p_A,p_B)-min(p_A,p_B)) (4-11)

式中：K_L—液压缸泄漏系数；(max(p_A,p_B)-min(p_A,p_B))—在泵工况下，进油腔总是为高腔，因此有该式；q_C—液压缸高压腔通过进出口流入的流量，q_C＝q_P即定量泵输出流量。

3)得到位移

由以上建立的泵流量软测量模型、液压缸输入流量模型最终得到液压缸在泵工况下的实际输入流量q_{C_i}，因此可以通过计算得到进入液压缸油液的总排量：

V＝q_{C_i}·Δt＝∫q_{C_i}dt (4-12)

最终得到液压缸实际位移：

a)当液压缸伸出时，回路示意图如图3所示，实际位移为：

式中：A_A—为液压缸无杆腔面积，

d₁是活塞直径。

其中，式(4-12)q_{C_i}＝q_C-K_L(p_A-p_B)＝q_A-K_L(p_A-p_B)。此时无杆腔A腔为高压腔，液压杆伸出。

b)当液压缸缩回时，回路示意图如图4所示，实际位移为：

式中：A_B—为液压缸无杆腔面积，

d₂是液压杆直径。

其中，式(4-12)q_{C_i}＝q_C-K_L(p_B-p_A)＝q_B-K_L(p_B-p_A)。此时有杆腔B腔为高压腔，液压杆缩回。

4)得到速度，所述的液压缸速度根据流量估算模块即可获得，所述的液压缸的速度的估算为：

v＝(q_a-K_LΔp)/A

其中v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积,△p为液压缸两侧压差，即为泵/马达所计算出的压差，K_L为液压缸的泄漏系数。

将通过软测量得到的液压缸位移反馈给控制，就达到力本发明专利的目的了。

同时本发明专利本着能量回收的理念，将液压缸回油腔与单向定量马达相连，马达与发电机通过传动轴相连，油液通过马达回油箱，带动马达旋转，液压能转换为机械能，在通过发电机，将机械能转换为电能，通过电线将电能传输给电机控制器2，最将电能传输给电能储存单元，将一部分液压能转换为电能储存起来，达到能量回收的目的。

Claims (4)

1.一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)根据伺服电机输出扭矩计算泵进出口的压差

T_L＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD

其中T_L为伺服电机实际输出扭矩；Δp为泵进出口压差；D为泵的排量；C_v，C_f，C_h依次为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量数：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为电机角速度；

油液粘度随温度变化，油液温度由温度传感器测出；油液粘度的计算方法为：

式中：T为油液温度；ρ为油液密度，实验测量得到；p₀为大气压；p为所在液压元件的压力，使用压力传感器进行测量；C₁、C₂、C₃为系数，通过实验拟合得到；

步骤二)计算有效体积弹性模量B_f，计算方法如下：

p₀为大气压；p为所在液压元件的压力,使用压力传感器进行测量；N为气体多变指数，1≦N≦1.4；

X₀为自由空气的相对含量，B为油液的额定弹性模量；

为了使弹性模量更为准确，设定一个最小值B_min：

B_f＝max(B_eff,B_min)

步骤三)计算泵出口流量，计算方法如下：

其中q_P为泵出口流量；D为泵排量；ω为伺服电机的角速度；Δp为泵进出口压差；S,σ为无纲量数；C_s为层流系数，C_st为紊流系数；B_f为有效体积弹性模量；ε为误差补偿；

步骤四)计算速度，所述的液压缸的速度的估算为：

v＝(q_P-K_LΔp)/A

其中v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积,Δp为泵进出口压差，K_L为液压缸的泄漏系数；

步骤五)计算进出液压缸油液的总排量，并计算位移

a)当液压缸伸出时，实际位移为：

A_A为液压缸无杆腔面积，V为油液的总排量，V＝q_{C_i}·△t＝∫q_{C_i}dt，其中

q_{C_i}＝q_C-K_L(p_A-p_B)＝q_A-K_L(p_A-p_B)

q_{C_i}为液压缸在泵工况下的实际输入流量,q_C为液压缸高压腔通过进出口流入的流量；

式中的p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力

b)当液压缸缩回时，实际位移为：

A_B为液压缸有杆腔面积，V为油液的总排量，V＝q_{C_i}·△t＝∫q_{C_i}dt，其中

q_{C_i}＝q_C-K_L(p_B-p_A)＝q_B-K_L(p_B-p_A)

q_{C_i}为液压缸在泵工况下的实际输入流量,q_C为液压缸高压腔通过进出口流入的流量；

式中的p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力。

2.如权利要求1所述的一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，其特征在于，在液压缸的行程上设置接近开关作为参考点，当液压缸运动经过参考点时，根据参考点位置校准位移量。

3.如权利要求2所述的一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，其特征在于，所述参考点有三个，分别位于液压缸完全缩回、位移为液压缸总行程1/2、位移为行程终点位置。

4.如权利要求1所述的一种单泵开式系统的液压缸位移和速度软测量方法，其特征在于，将液压缸回油腔与单向定量马达相连，马达与发电机通过传动轴相连，油液通过马达回油箱，带动马达旋转，液压能转换为机械能，在通过发电机，将机械能转换为电能，通过电线将电能传输给电机控制器，最将电能传输给电能储存单元，将一部分液压能转换为电能储存起来。

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