CN111396400B - 一种四象限工况下的变转速单泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四象限工况下的变转速单泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法，通过伺服电动机/马达转速、转矩及液压系统油液温度、蓄能器进出口压力；估算出单泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量、液压缸速度、液压缸位移软测量模型，最终获得液压缸控制腔运动速度、位移。

Description

一种四象限工况下的变转速单泵控缸闭式系统的液压缸速度 和位移软测量方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸速度和位移软测量方法。

背景技术

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，对于挖掘机而言，能实时获得动臂、斗杆及铲斗的运动轨迹对智能控制极其重要，而要获得这些数据，就必须先获得各液压缸的位移。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能满足挖掘机等工程机械对测量精度要求不高、成本低、易于维护可靠性好的位移软测量方法。

通常在用于液压系统的位移传感器分为外部与内部两种，尽管这两种传感器拥有高精度、响应速度快的优点，但是它们也都有着各自的缺点。外部传感器在在恶劣的作业环境中比较脆弱，需要适当的保护，增加了维护的难度与成本。内部传感器对液压缸的制造精度要求极高，导致其价格昂贵，同时还存在着检测维修困难的缺点。为了解决上述外部与内部传感器中存在的缺点，本发明专利提供一种能满足挖掘机、推土机、转载机等对位移测量精度要求不高的工程机械中可用于测量液压缸位移的软测量方法,促进工程机械的自动化作业。本发明专利的核心就是通过伺服电动机/马达转速、转矩及液压系统油液温度、蓄能器进出口压力；估算出单泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型，最终获得液压缸控制腔运动速度、位移。

发明内容

本发明通过伺服电动机/马达转速、转矩及液压系统油液温度、蓄能器进出口压力；估算出单泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/ 马达在四象限工况下的泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型，最终获得液压缸控制腔运动速度、位移。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸速度软测量方法，包括如下步骤：

步骤一)根据伺服电机的运动状态确定系统的工况，并根据伺服电机输出扭矩计算泵进出口的压差：

泵工况下

马达工况下

其中T_a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，由实验得到，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，气体在压缩过程中遵循一定的规律，气体多变指数即描述这一变化过程的常数(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；(注：液压油的体积弹性模量和温度、压力以及油液中的空气有关，纯油液中B_f＝(1.2～2)×

10³MPa,实际(油混气)工程中取(0.7～1.4)×10³MPa。

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/马达的实际输出流量或输入流量，计算方法如下：

泵工况下

马达工况下

其中q_a为泵/马达的高压腔的实际输出/入流量，P和M分别标示泵工况和马达工况；x为泵排量百分比，此处为1；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；

步骤四)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：

在Ⅱ象限、Ⅳ象限中的泵工况下：

v＝(q_{a_P}-K_LΔp)/A

在Ⅰ象限、Ⅲ象限中的马达工况下：

v＝(q_{a_M}+K_LΔp)/A

其中；v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积,在泵工况下为无杆腔有效面积，在马达工况下为有杆腔有效面积；△p为液压缸两侧压差，K_L为液压缸的泄漏系数。

一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，包括如下步骤：

对于四象限工况的液压缸的速度进行积分，即可得到四象限工况的位移量，如图4所示：

a)Ⅰ象限中，定量泵/马达工作处于马达工况，位移为x_Ⅰ：

b)Ⅱ象限中，定量泵/马达工作处于泵工况，位移为x_Ⅱ：

c)Ⅲ象限中，定量泵/马达工作处于马达工况，位移为x_Ⅲ：

d)Ⅳ象限中，定量泵/马达工作处于泵工况，位移为x_Ⅳ：

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。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)实现无位移或速度传感器的速度较精确估计，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)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速度，提高系统的鲁棒性。

4)识别四象限工况，并实现四象限工况下的速度软测量

附图说明：

图1速度、位移软测量的流程图

图2单泵闭式液压系统回路

图3四象限工况识别示意图

图4单泵闭式系统四象限工况

具体实施方案方式

本发明专利通过伺服电动机/发电机转速、转矩及液压系统油液温度、蓄能器进出口压力、液压缸两端进出口压力；估算出单泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型，最终获得液压缸控制腔运动速度、位移。

单泵闭式液压系统的结构如图2所示，单泵液压回路由1伺服电动机/发电机、2定量泵/ 马达、3充气式蓄能器、4压力传感器、5,6液控单向阀、7,8溢流阀、9液压缸、10负载组成。运用充气式蓄能器代替低压油箱，一对液控单向阀用于防止气蚀，双向定量泵/马达在伺服电机的带动下给液压缸提供油液，双溢流阀组合用于防止系统过载。

本发明中单泵闭式系统液压缸速度、位移软测量方法的步骤为：

(1)通过电机驱动器、温度传感器、压力传感器获得电机转速、扭矩、液压回路压力、蓄能器进出口压力，并根据电机旋转方向和转矩方向或泵的进出口压差和转矩方向来判断系统处于泵还是马达工况，根据图3、图4进行自动识别。如果电机旋转方向与转矩方向相同则为泵工况，反之则为马达工况。液压缸伸出时，当电机正转，如果泵/马达的进出口压差为正 (p_A-p_B＞0)，则为(图4中的Ⅱ象限)泵工况，反之则为(图4中的Ⅰ象限)马达工况；液压缸缩回时，电机反转，泵/马达的进出口压差为正(p_A-p_B＞0)，则为(图4中的Ⅲ象限) 马达工况，反之则为(图4中的Ⅳ象限)泵工况。

(2)估算出单泵闭式系统液压回路中的油液粘度、油液有效体积弹性模量，建立单泵闭式系统中泵/马达在四象限工况下的泵/马达流量软测量模型、液压缸软测量模型。

(3)分析闭式单泵系统四象限工况下液压缸进出口流量的特征，关联各软测量模型，获得液压缸控制腔实际流量，以实际流量除以液压缸控制器有效面积就能得到液压缸的软测量速度，对速度进行积分就能得到液压缸位移(或者对流量进行积分，得到流入或排出液压缸的油液容积，以油液容积除以液压缸控制器有效面积，也能获得液压缸软测量位移)。

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。本发明专利采用在液压缸上设置多个位置参考点(安装接近开关) 的方式来消除累积误差。如分别在液压缸完全缩回、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软测量位移为多少，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。

同时，单泵闭式系统中，液压缸过载时，溢流阀溢流卸荷，液压缸停止运动，保持原位移，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。

单泵闭式系统速度、位移软测量的关键就是建立单泵闭式系统中泵/马达流量软测量模型、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。其中模型中的参数通过实验进行参数辨识获得。

泵/马达流量软测量模型

单泵闭式泵控液压缸液压回路如图2所示。通过电机驱动器获得伺服电动机/发电机的转速，伺服电动机/发电机通过传动轴驱动定量泵/马达，定量泵/马达的转速等于伺服电动机/ 发电机的转速ω，定量泵/马达的输出/输入流量主要取决于泵/马达的转速和泵/马达的压差Δp，以及液体的体积弹性模量、油液粘度。通过对实验数据进行参数估计，可以得到影响泵输出流量的层流、紊流漏泄系数，最终可以得到泵/马达的输出/输入流量方程：

式中：q_P—泵输出流量；q_M—马达输入流量；ω—泵转速；D—泵排量；C_s，C_st—层流，紊流漏泄系数；Δp—压差；S，σ—无纲量数；B(f)—有效体积弹性模量；ε—误差补偿；ρ—油液密度；ν—油液粘度。

其中:

定量泵/马达的压差可以根据定量泵/马达的转矩平衡方程得到，伺服电动机/发电机与定量泵/马达传动轴上的转矩T_L可由电机驱动器得到，影响泵/马达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/马达传动轴的扭矩平衡方程：

T_{L_P}＝ΔpD+C_vSΔpD+C_fΔpD+C_hσ²ΔpD (4-5)

T_{L_M}＝ΔpD-C_vSΔpD-C_fΔpD-C_hσ²ΔpD (4-6)

式中：T_{L_P}—为泵工况传动轴扭矩；T_{L_M}—马达工况传动轴扭矩。

由此式(4-5)、(4-6)可以推导出压差Δp，通过图2中所示安装于蓄能器进出口的压力传感器可以得到定量泵/马达的低压进油口的压力p₀，有此可以得到定量泵/马达的高压腔油压p₁：

p₁＝p₀+Δp (4-7)

想要得到定量泵/马达的输出/输入流量，定量泵/马达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—初始压力，大气压；p—所在液压元件的压力，在定量泵/马达中，用定量泵/马达高压腔的压力p₁用于计算，即在定量泵/马达中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—气体多数指数；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) (4-9)

最后对定量泵/马达的输出/输入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ρ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，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。

通过联立式(4-1,3,4,5,7,8,9,10)可以获得定量泵/马达在泵工况下定量泵/马达的输出流量q_P，通过联立式(4-2,3,4,6,7,8,9,10)可以获得定量泵/马达在马达工况下定量泵/ 马达的输入流量q_M。

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，在泵工况下液压缸的实际输入流量为：

q_{C_P}＝q_P-K_L(max(p_A,p_B)-min(p_A,p_B)) (4-14)

在马达工况下液压缸的实际输出流量为：

q_{C_M}＝q_M+K_L(max(p_A,p_B)-min(p_A,p_B)) (4-15)

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。

通过式(4-14)，并将前面所得到的泵/马达出口流量q_P代入式中，就能的带液压缸在泵工况下进油腔的实际流量p_{C_P}。通过式(4-15)，并将前面所得到的泵/马达出口流量q_M代入式中，就能得到液压缸在马达工况下出油腔的实际流量p_{C_M}。

单泵闭式系统四象限位移软测量分析：

据单泵闭式液压系统对外做功或者进行能量回收可将该系统的4种工况分为以下两类：对外做功—外力F方向与活塞杆速度v的方向相反，见图4中的Ⅱ和Ⅳ象限。此时，进油腔为高压腔，泵/马达工作在泵工况，电动机/发电机则为电动机工况。能量回收—外力F与活塞杆速度v的方向相同，见图4中的Ⅰ和Ⅲ象限。此时，回油腔为高压腔，泵/马达工作在马达工况，电动机/发电机则为发电机工况。

根据所建立的泵/马达流量软测量模型、管路软测量模型、液压缸软测量模型，对单泵闭式系统位移软测量原理进行分析。

a)Ⅰ象限中，定量泵/马达工作处于马达工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；则液压缸的速度为v_Ⅰ，位移为x_Ⅰ。

式中：A_B为有杆腔有效面积。

b)Ⅱ象限中，定量泵/马达工作处于泵工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；则液压缸的速度为v_Ⅱ，位移为x_Ⅱ。

式中：A_A为无杆腔有效面积。

c)Ⅲ象限中，定量泵/马达工作处于马达工况，高压腔即控制腔为无杆腔A；则液压缸的速度为v_Ⅲ，位移为x_Ⅲ。

d)Ⅳ象限中，定量泵/马达工作处于泵工况，高压腔即控制腔为有杆腔B；则液压缸的速度为v_Ⅳ，位移为x_Ⅳ。

Claims (4)

1.一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸速度软测量方法，其特征在于，包括如下步：

步骤一)根据伺服电机的运动状态确定系统的工况，并根据伺服电机输出扭矩计算泵进出口的压差Δp：

泵工况下

马达工况下

其中T_a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为油液的粘性、摩擦、液体动态损失系数；S，σ为无纲量的中间量：

其中v为油液粘度，ρ为油液密度，ω为伺服电机角速度；

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；p₀为系统的初始压力，即大气压；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，即大气压；p为压力计算模块所计算出的泵输出/输入压力；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)计算泵的实际输出流量或输入流量，计算方法如下：

泵工况下

马达工况下

其中q_a为泵的高压腔的实际输出/入流量，P和M分别标示泵工况和马达工况；x为泵排量百分比，此处为1；D为泵排量；ω为伺服电机角速度；Δp为泵进出口压差；S，σ为无纲量的中间量；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；

步骤四)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：

在II象限、IV象限中的泵工况下：

v＝(q_{a_P}-K_LΔp_c)/A

在I象限、III象限中的马达工况下：

v＝(q_{a_M}+K_LΔp_c)/A

其中；v为液压缸的速度；A为液压缸有效工作面积，在泵工况下为无杆腔有效面积，在马达工况下为有杆腔有效面积；Δp_c为液压缸两侧压差，K_L为液压缸的泄漏系数。

2.一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，所述单泵为定量泵，其特征在于，包括如下步骤：基于如权利要求1所述的四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸速度软测量方法，对于四象限工况的液压缸的速度进行积分，即可得到四象限工况的位移量：

a)I象限中，定量泵工作处于马达工况，液压缸有杆腔为高压腔，位移为x_I：

b)II象限中，定量泵工作处于泵工况，液压缸无杆腔为高压腔，位移为x_II：

c)III象限中，定量泵工作处于马达工况，液压缸无杆腔为高压腔，位移为x_III：

d)IV象限中，定量泵工作处于泵工况，液压缸有杆腔为高压腔，位移为x_IV：

其中A_A、A_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的作面积；p_A、p_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的压力，q_A、q_B分别为液压缸无杆腔、液压缸有杆腔的输入流量，K_L为液压缸泄漏系数。

3.如权利要求2所述的一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，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。

4.如权利要求3所述的一种四象限工况下的单泵控缸闭式系统的液压缸位移软测量方法，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。

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