CN111577687A - 一种负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压工程技术领域，具体涉及一种负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法。主要包括两条同步驱动液压缸，同步控制器单元以及负载敏感单元。其中，从动缸的力指令取自布置于主动缸和负载之间的力传感器反馈信号，通过对从动缸输出力进行实时调节，保证其与主动缸具有同样的输出力，即可实现“主从”两缸的同步驱动。负载敏感单元保证系统的功率供给与“主从”缸中较大的功率需求相匹配。当“主从”缸处于不同步工况，功率大的液压缸上的伺服阀阀口压差减小，而功率小的液压缸上的伺服阀阀口压差增大，此时，泵输出流量将更多流向功率小的液压缸。本发明具有同步速度快，同步精度高，可靠性高且节约能源等优点。

Description

一种负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法

技术领域

本发明属于液压工程技术领域，具体涉及一种负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法。

背景技术

随着现代机械加工工业及航空航天等技术的发展，越来越多的冶金设备、工程机械及航空航天设备的驱动装置对高精度同步驱动技术的要求更加迫切，其中，液压同步驱动系统由于结构组成简单、适宜大功率场合和易于控制等优点而占据了非常重要的位置。目前液压同步驱动系统采用的同步驱动策略有“同等”方式和“主从”方式。“同等”方式是指多个需同步工作的液压缸同时跟踪设定的理想输出，分别受到控制而达到同步驱动的目的，此种方式实现同步驱动需要各个支路完全一样，即各支路的控制器、控制机构、执行机构、检测和反馈机构等的性能有严格的匹配关系，这在实际应用中很难实现，因而控制效果会随着硬件差异而降低。“主从”方式指多个需同步驱动的执行元件以其中一个的输出为理想输出，其余执行元件来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动，此种方式结构简单，更容易实现，但从支路跟踪主支路时会存在延迟和动态误差，使得控制精度降低。

负载敏感系统是指一种能够自动感受系统中负载所需要的压力和流量信号，并将此信号传递给负载敏感控制元件，使其系统压力参量发生变化，从而调整油泵的运行状态，使得油泵输出液压功率几乎与负载所需要的液压功率相等，从而最大限度的减少能量损失。目前，带有两个及以上执行机构的液压系统，其负载敏感单元的实现一般是通过梭阀来对执行机构的最大负载压力信号进行比较，并自动地将较大的一个负载压力信号通过反馈油路传递至负载敏感泵的负载敏感腔,进而控制变量泵的排量，使液压泵只提供执行机构所需要的功率，以减小系统的能量损失，且回路中多使用流量补偿阀使控制阀前后压差不变；但由于管道和流量补偿阀处的损失，导致负载反馈信号延迟量较大，除此之外，由于工程机械中的变量泵的排量通常较大，其反应速度亦较慢，所以现有的负载敏感系统的响应速度滞后较为严重。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法。本发明的系统在结构上省去了流量补偿阀，且以电子信号反馈替代原有的液压回路反馈。其中，两条同步驱动液压缸按照主从驱动方式工作，负载敏感单元在保证系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配，提高驱动系统的能量利用效率的同时，当“主从”两液压缸处于不同步工况，会使单向定量泵输出流量更多流向功率小（动作慢）的液压缸，从而提高“主从”两液压缸的同步驱动性能。

本发明采取以下技术方案：一种负载敏感双液压缸同步系统，包括同步控制器单元和负载敏感单元，同步控制器单元包括第一伺服阀、第二伺服阀、第一液控单向阀组、第二液控单向阀组、主动液压缸、从动液压缸、位移传感器、第一力传感器、第二力传感器、第一控制器和第二控制器。负载敏感单元包括伺服电机、单向定量泵、第三控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器。

其中第一伺服阀的A、B口通过第一液控单向阀组分别连接主动液压缸的无杆腔和有杆腔，主动液压缸和负载之间布置有位移传感器和第一力传感器，位移传感器和第一力传感器信号端接入电液总控制器的输入端。第一控制器输出端接放大器I，放大器I输出端接第一伺服阀的电信号输入端，第二控制器输出端接放大器II，放大器II输出端接第二伺服阀的电信号输入端，第二伺服阀的A、B口通过第二液控单向阀组分别连接从动液压缸的无杆腔和有杆腔，从动液压缸与负载之间布置有第二力传感器，第二力传感器信号端接入电液总控制器的输入端。

单向定量泵入口通过过滤器接油箱，出口接第一伺服阀和第二伺服阀的P口，第一伺服阀、第二伺服阀的T口接油箱；第三控制器输出端接电机驱动器，电机驱动器输出端接伺服电机电源输入端，第一压力传感器和第二压力传感器分别布置在主动液压缸的无杆腔和有杆腔，第三压力传感器，第四压力传感器分别布置在从动液压缸的无杆腔和有杆腔，第五压力传感器布置在单向定量泵出口处，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器信号端分别接入电液总控制器输入端。

进一步的，第一伺服阀和第二伺服阀的中位机能均为“H型”，当阀芯位于中位时使液控单向阀打开管路压力为零，保证液控单向阀处于完全关闭状态。

进一步的，第一控制器为主动液压缸位置跟踪控制器，第二控制器为力同步控制器，第三控制器为负载敏感控制器。

一种负载敏感双液压缸同步系统的控制方法。

1）对主动液压缸进行位置闭环控制，其位置指令依据工况需求人为设定，反馈环节的位置信号取自布置于主动液压缸与负载之间的位移传感器，给定的位置指令和反馈的位置信号进行比较并通过第一控制器处理，输出的控制信号经过放大器I放大控制第一伺服阀阀芯位移，实现主动液压缸的位置闭环控制。

2）对从动液压缸进行力闭环控制，从动液压缸的力指令取自布置于主动液压缸和负载之间的第一力传感器信号，反馈环节的力信号取自布置于从动液压缸与负载之间的第二力传感器，力指令和反馈环节的力信号进行比较并通过第二控制器处理，输出的控制信号经过放大器II放大控制第二伺服阀阀芯位移，即可对从动液压缸输出力进行实时调节。

3）负载敏感单元中，当主动液压缸和从动液压缸活塞杆伸出时，第一压力传感器测得主动液压缸无杆腔压力

和第二压力传感器测得从动液压缸无杆腔压力

，通过比较将最大值反馈给第三控制器处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机的转速，来改变单向定量泵的转速，进而改变单向定量泵输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配。

4）当主动液压缸、从动液压缸活塞杆缩回时，第三压力传感器测得主动液压缸有杆腔压力

和第四压力传感器测得从动液压缸有杆腔压力，通过比较将最大值反馈给第三控制器处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机的转速，来改变单向定量泵的转速，进而改变单向定量泵输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配。

5）在两液压缸伸出或缩回时，若“主从”两液压缸处于不同步工况，功率大的液压缸上的伺服阀的阀口压差

减小，而功率小的液压缸上的伺服阀的阀口压差

增大，根据公式

可知，此时单向定量泵（3）输出流量将更多的流向功率小的液压缸，从而提高“主从”两液压缸的同步驱动性能。（其中

为流过伺服阀节流孔的流量，

为流量系数，

为节流孔面积，

为液压油密度）。

6）当两液压缸处于停止工况，即单向定量泵出口压力为零，两液压缸工作腔压力不为零，此时由电液总控制器输出待机信号控制伺服电机处于待机状态。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:

1、本发明提出的负载敏感双液压缸同步系统及其控制方法中两条同步驱动液压缸按照“主从”驱动方式工作：针对主动液压缸进行位置闭环控制，针对从动液压缸进行力闭环控制，从动液压缸的力指令取自布置于主动液压缸和负载之间的力传感器反馈信号，通过对从动液压缸输出力进行实时调节，保证其与主动液压缸具有同样的输出力，以实现主从同步驱动。此方式结构简单，更易于实现。

2、本发明的负载敏感单元以电子信号反馈改变伺服电机转速替代原有使用液压回路反馈改变变量泵排量来改变泵输出功率的控制方式，由第一，第二，第三，第四和第五压力传感器检测两液压缸各腔压力和单向定量泵的出口压力，通过相应比较后反馈给第三控制器处理，输出控制信号控制伺服电机转速来改变单向定量泵转速，从而改变单向定量泵输出功率。提高了系统的反应速度和可靠性。

3、本发明省去了流量补偿阀，当“主从”两液压缸处于不同步工况，利用负载敏感单元作用使单向定量泵输出流量更多流向功率小的液压缸，从而提高“主从”两液压缸的同步驱动性能，且减少能量损失。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的主从同步驱动单元控制框图；

图3是本发明的负载敏感单元控制框图；

图中：1-油箱，2-过滤器，3-单向定量泵，4-第一伺服阀，5-第一控制器，6-第一液控单向阀组，7-第一压力传感器，8-主动液压缸，9-位移传感器，10-第一力传感器，11-第三压力传感器，12-第四压力传感器，13-从动液压缸，14-第二力传感器，15-第二压力传感器，16-第二液控单向阀组，17-第二控制器，18-第二伺服阀，19-第三控制器，20-第五压力传感器，21-伺服电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，所述负载敏感双液压缸同步控制系统主要包括两条同步驱动液压缸，同步控制器单元以及负载敏感单元。两条同步驱动液压缸，同步控制器单元包括第一伺服阀4、第二伺服阀18、第一液控单向阀组6、第二液控单向阀组16、主动液压缸8、从动液压缸13、位移传感器9、第一力传感器10、第二力传感器14、第一控制器5、第二控制器17；负载敏感单元包括伺服电机21、单向定量泵3、第三控制器19、第一压力传感器7、第二压力传感器15、第三压力传感器11、第四压力传感器12、第五压力传感器20；所述第一伺服阀4的A、B口通过第一液控单向阀组6分别连接主动液压缸8的无杆腔和有杆腔，主动液压缸8和负载之间布置有位移传感器9和第一力传感器10，位移传感器9和第一力传感器10信号端分别接入电液总控制器输入端；所述第二伺服阀18的A、B口通过第二液控单向阀组16分别连接从动液压缸13的无杆腔和有杆腔，从动液压缸13与负载之间布置有第二力传感器14，第二力传感器14信号端接入电液总控制器输入端。所述负载敏感单元单向定量泵3入口通过过滤器2接油箱1，出口接第一伺服阀4和第二伺服阀18的P口，第一伺服阀4、第二伺服阀18的T口接油箱1。所述第一压力传感器7，第二压力传感器15分别布置在主动液压缸8的无杆腔和有杆腔，第三压力传感器11，第四压力传感器12分别布置在从动液压缸13的无杆腔和有杆腔，第五压力传感器20布置在单向定量泵出口处。第一压力传感器7和第二压力传感器15、第三压力传感器11、第四压力传感器12和第五压力传感器20信号端分别接入电液总控制器输入端。

参见图1—图3，所述负载敏感双液压缸同步控制方法为：两条同步驱动液压缸按照主从驱动方式工作：针对主动液压缸8进行位置闭环控制，其位置指令依据工况需求人为设定，反馈环节的位置信号取自布置于主动液压缸8与负载之间的位移传感器9，给定的位置指令和反馈的位置信号进行比较并通过第一控制器5处理，输出的控制信号经过放大器I放大控制第一伺服阀4阀芯位移，实现主动液压缸8的位置闭环控制。针对从动液压缸13进行力闭环控制，从动液压缸13的力指令取自布置于主动液压缸8和负载之间的第一力传感器10信号，反馈环节的力信号取自布置于从动液压缸13与负载之间的第二力传感器14，力指令和反馈环节的力信号进行比较并通过第二控制器17处理，输出的控制信号经过放大器II放大控制第二伺服阀18阀芯位移，即可对从动液压缸13输出力进行实时调节，保证其与主动液压缸8具有同样的输出力，实现从动液压缸13力闭环控制和“主从”两液压缸的同步驱动。负载敏感单元中，当主动液压缸8、从动液压缸13活塞杆伸出时，第一压力传感器7测得主动液压缸8无杆腔压力和第二压力传感器15测得从动液压缸13无杆腔压力

，通过比较将最大值反馈给第三控制器19处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机21的转速，来改变单向定量泵3的转速，进而改变单向定量泵3输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配；当主动液压缸8、从动液压缸13活塞杆缩回时，第三压力传感器11测得主动液压缸8有杆腔压力和第四压力传感器12测得从动液压缸13有杆腔压力，通过比较将最大值反馈给第三控制器19处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机21的转速，来改变单向定量泵3的转速，进而改变单向定量泵3输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配。在两液压缸伸出或缩回时，若“主从”两液压缸处于不同步工况，功率大的液压缸上的伺服阀阀口压差

减小，而功率小的液压缸上的伺服阀阀口压差

增大，根据公式

可知，此时单向定量泵3输出流量将更多的流向功率小的液压缸，从而提高“主从”两液压缸的同步驱动性能。当两液压缸处于停止工况，即单向定量泵出口压力为零，两液压缸工作腔压力不为零，此时由电液总控制器输出待机信号控制伺服电机处于待机状态。此外，所述第一控制器、第二控制器和第三控制器以及各指令信号的比较环节均属于（位于）电液总控制器（内），且是通过逻辑程序（软件）实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种负载敏感双液压缸同步系统，其特征在于：包括同步控制器单元和负载敏感单元，

所述的同步控制器单元包括第一伺服阀（4）、第二伺服阀（18）、第一液控单向阀组（6）、第二液控单向阀组（16）、主动液压缸（8）、从动液压缸（13）、位移传感器（9）、第一力传感器（10）、第二力传感器（14）、第一控制器（5）和第二控制器（17），

所述的负载敏感单元包括伺服电机（21）、单向定量泵（3）、第三控制器（19）、第一压力传感器（7）、第二压力传感器（15）、第三压力传感器（11）、第四压力传感器（12）和第五压力传感器（20），

其中第一伺服阀（4）的A、B口通过第一液控单向阀组（6）分别连接主动液压缸（8）的无杆腔和有杆腔，主动液压缸（8）和负载之间布置有位移传感器（9）和第一力传感器（10），位移传感器（9）和第一力传感器（10）信号端接入电液总控制器的输入端；第一控制器（5）输出端接放大器I，放大器I输出端接第一伺服阀（4）的电信号输入端，第二控制器（17）输出端接放大器II，放大器II输出端接第二伺服阀（18）的电信号输入端，

第二伺服阀（18）的A、B口通过第二液控单向阀组（16）分别连接从动液压缸（13）的无杆腔和有杆腔，从动液压缸（13）与负载之间布置有第二力传感器（14），第二力传感器（14）信号端接入电液总控制器的输入端；

所述的单向定量泵（3）入口通过过滤器（2）接油箱（1），出口接第一伺服阀（4）和第二伺服阀（18）的P口，第一伺服阀（4）、第二伺服阀（18）的T口接油箱（1）；第三控制器（19）输出端接电机驱动器，电机驱动器输出端接伺服电机（21）电源输入端，

所述的第一压力传感器（7）和第二压力传感器（15）分别布置在主动液压缸（8）的无杆腔和有杆腔，第三压力传感器（11），第四压力传感器（12）分别布置在从动液压缸（13）的无杆腔和有杆腔，第五压力传感器（20）布置在单向定量泵出口处，第一压力传感器（7）和第二压力传感器（15）、第三压力传感器（11）、第四压力传感器（12）和第五压力传感器（20）信号端分别接入电液总控制器输入端。

2.根据权利要求1所述的负载敏感双液压缸同步系统，其特征在于：所述第一伺服阀（4）和第二伺服阀（18）的中位机能均为“H型”，当阀芯位于中位时使液控单向阀打开管路压力为零，保证液控单向阀处于完全关闭状态。

3.根据权利要求2所述的负载敏感双液压缸同步系统，其特征在于：所述的第一控制器（5）为主动液压缸位置跟踪控制器，第二控制器（17）为力同步控制器，第三控制器（19）为负载敏感控制器。

4.一种如权利要求3所述的负载敏感双液压缸同步系统的控制方法，其特征在于：

1）对主动液压缸（8）进行位置闭环控制，其位置指令依据工况需求人为设定，反馈环节的位置信号取自布置于主动液压缸（8）与负载之间的位移传感器（9），给定的位置指令和反馈的位置信号进行比较并通过第一控制器（5）处理，输出的控制信号经过放大器I放大控制第一伺服阀（4）阀芯位移，实现主动液压缸（8）的位置闭环控制；

2）对从动液压缸（13）进行力闭环控制，从动液压缸（13）的力指令取自布置于主动液压缸（8）和负载之间的第一力传感器（10）信号，反馈环节的力信号取自布置于从动液压缸（13）与负载之间的第二力传感器（14），力指令和反馈环节的力信号进行比较并通过第二控制器（17）处理，输出的控制信号经过放大器II放大控制第二伺服阀（18）阀芯位移，即可对从动液压缸（13）输出力进行实时调节；

3）负载敏感单元中，当主动液压缸（8）和从动液压缸（13）活塞杆伸出时，第一压力传感器（7）测得主动液压缸（8）无杆腔压力

和第二压力传感器（15）测得从动液压缸（13）无杆腔压力

，通过比较将最大值反馈给第三控制器（19）处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机（21）的转速，来改变单向定量泵（3）的转速，进而改变单向定量泵（3）输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配；

4）当主动液压缸（8）、从动液压缸（13）活塞杆缩回时，第三压力传感器（11）测得主动液压缸（8）有杆腔压力和第四压力传感器（12）测得从动液压缸（13）有杆腔压力，通过比较将最大值反馈给第三控制器（19）处理，输出的控制信号经过电机驱动器放大后控制伺服电机（21）的转速，来改变单向定量泵（3）的转速，进而改变单向定量泵（3）输出功率，使系统的功率供给与“主从”两液压缸中较大的功率需求相匹配；

5）在两液压缸伸出或缩回时，若“主从”两液压缸处于不同步工况，功率大的液压缸上的伺服阀的阀口压差

减小，而功率小的液压缸上的伺服阀的阀口压差

增大，此时单向定量泵（3）输出流量将更多的流向功率小的液压缸，从而提高“主从”两液压缸的同步驱动性能；

6）当两液压缸处于停止工况，即单向定量泵（3）出口压力为零，两液压缸工作腔压力不为零，此时电液总控制器输出待机信号控制伺服电机处于待机状态。

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