CN115289077A - 一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统及控制方法，涉及液压伺服控制技术领域。所述的混凝土臂架用集成式泵控驱动系统主要包括液压泵，伺服电机，运动控制器，电机驱动器，蓄能器，控制阀组，臂架油缸、位移尺；所述的伺服电机驱动液压泵为臂架油缸提供流量，通过电机正反转实现臂架油缸的伸出缩回动作控制；所述的运动控制器可采集位移尺传感器信息，臂架油缸两腔压力传感器信息，接收泵车控制器控制指令，并控制伺服电机驱动器工作，驱动伺服电机运转；所述的位移尺内置或外置在臂架油缸上，实时检测油缸活塞位置；所述的集成式泵控驱动系统可以实现臂架控制系统的轻量化和集成化，极大的降低臂架控制的能耗，提高控制动态响应特性。

Description

一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统及控制方法
技术领域
本发明涉及液压伺服控制元件技术领域，尤其是涉及一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统及控制方法。
背景技术
作为土木建筑工程主要施工作业设备的混凝土泵车，其臂架的运动控制目前基本都采用液压传动及控制技术。液压传动及控制技术成为促进混凝土泵车舒适、可靠、节能和智能化等主流方向不断发展的基础条件。
传统泵车臂架液压系统采用多路换向阀加平衡阀的控制方式，这套液压系统方案技术已经成熟，但仍然存在一些问题：第一，由于多路方向阀距离油缸较远，臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差，油缸动作落后于控制手柄信号0.5-1秒，导致臂架油缸运动控制不精准；第二，每个臂架油缸从多路阀处引两根油管，导致整个臂架系统所需的油管数量较多，增加了管路系统复杂度和施工难度；第三，多路阀存在较大节流损失，且臂架油缸管路比较长，管路系统沿程压力损失也较大，导致整个臂架系统的能耗较高和发热量较大。
发明内容
为了克服传统泵车臂架液压系统存在的臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差，管路系统复杂及能耗高等问题。本发明提出了一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统及控制方法，可有效提高混凝土臂架的控制性能，实现几乎无管路系统，具备高响应特性、低能耗、全电控制等特点，进一步提升臂架的运动性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提供了一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其包括位移尺、溢流阀，平衡阀，液控单向阀，液压泵，伺服电机，运动控制器，电机驱动器，蓄能器，换向阀，压力传感器，控制阀组，臂架油缸；
所述的位移尺内置或外置在臂架油缸上，用于实时检测油缸活塞位置信号；
所述溢流阀、平衡阀、液控单向阀、换向阀设置在控制阀组上，其中溢流阀用于起定压溢流和安全保护作用，平衡阀用于将臂架油缸锁死在任意位置，液控单向阀用于实现蓄能器补油和吸收系统多余油液，换向阀用于实现臂架油缸差动控制；
所述液压泵通过联轴器安装在伺服电机上，液压泵的泄油口、两个工作油口与控制阀组相连，控制阀组通过油管与臂架油缸两腔相连；
所述蓄能器安装在控制阀组上，与液压泵泄油口连通，并通过液控单向阀与液压泵的两个工作油口连通，用于补油和吸油系统多余油液；
所述压力传感器设置在控制阀组上，用于检测臂架油缸两腔的压力信号；
所述的伺服电机驱动液压泵为臂架油缸提供流量，通过伺服电机正反转实现臂架油缸的伸出缩回动作控制；所述的运动控制器采集位移传感器位置信息、采集臂架油缸两腔压力传感器压力信息、采集臂架角度传感器的角度信息和接收泵车控制器发送的控制指令，并控制电机驱动器工作。
本发明所述的集成式泵控驱动系统可以实现臂架控制系统的轻量化和集成化，极大的降低臂架控制的能耗，提高控制动态响应特性。
本发明还提供了一种所述的混凝土臂架用集成式泵控驱动系统控制方法，包括如下步骤：
(1)运动控制器实时采集泵车控制器发送的臂架油缸运动控制指令和臂架角度信息，并采集位移传感器位置信息和臂架油缸两腔压力传感器压力信息，运动控制器根据臂架油缸运动方向和臂架角度，判断臂架油缸工作模式；
(2)运动控制器根据控制指令进行臂架油缸速度闭环或压力闭环判断，当臂架油缸进行速度闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，换算出臂架油缸运动的目标速度，并根据液压泵排量换算出伺服电机转速和转向，并以此作为运动控制器的前馈输入，利用位移传感器实时反馈臂架油缸活塞速度，通过带前馈的PID控制算法对伺服电机转速进行闭环控制；
(3)当臂架油缸进行压力闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，利用位移传感器实时反馈的臂架油缸两腔压力，通过PID闭环控制算法，实时调整伺服电机转速和转向，实现臂架油缸两腔压力的闭环控制。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
(1)因为本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在的管路系统复杂的问题，实现了几乎无管路系统，从而大大降低了臂架系统的施工难度和施工成本，同时减少了潜在故障点，降低了后期维护成本。
(2)因为本发明采用集成式泵控驱动系统，极大的缩短了动力机构与执行机构间的距离，克服了传统臂架系统因管路长存在的臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差等问题，从而有效提高了臂架油缸运动控制动态响应特性和运动精准度，操作体验感更好。
(3)因为本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在大量多路阀节流和发热问题，使得集成式泵控驱动系统可以大大提高系统效率，具备更好的节能性。
(4)因为本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在的状态感知少，臂架油缸工作状态不清楚等问题，结合多传感器融合技术实现臂架系统的分布式布置和全电控制，为后续混凝土泵车的全电控系统和状态监测系统的搭建提供支撑。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的混凝土臂架用集成式泵控驱动系统液压原理图；
图中，1-位移传感器，2-溢流阀，3-平衡阀，4-液控单向阀，5-液压泵，6-伺服电机，7-运动控制器，8-电机驱动器，9-蓄能器，10-换向阀，11-压力传感器，12-臂架油缸。
图2为根据一示例性实施例示出的运动控制器工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
如图1所示，本发明实施例示例了一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其主要包括位移尺1、溢流阀2，平衡阀3，液控单向阀4，液压泵5，伺服电机6，运动控制器7，电机驱动器8，蓄能器9，换向阀10，压力传感器11，控制阀组12，臂架油缸13等组件。
根据本发明的一个实施例，所述的位移尺1内置或外置在臂架油缸13上，用于实时检测油缸活塞位置信号；所述溢流阀2、平衡阀3、液控单向阀4、换向阀10设置在控制阀组12上，其中溢流阀2用于起定压溢流和安全保护作用，平衡阀3用于将臂架油缸锁死在任意位置，液控单向阀4用于实现蓄能器补油和吸收系统多余油液，换向阀10用于实现臂架油缸13差动控制；所述液压泵5通过联轴器安装在伺服电机6上，液压泵5的泄油口、两个工作油口与控制阀组12相连，控制阀组12通过油管与臂架油缸13两腔相连；所述蓄能器9安装在控制阀组12上，与液压泵5泄油口连通，并通过液控单向阀4与液压泵5的两个工作油口连通，用于补油和吸油系统多余油液；所述压力传感器11设置在控制阀组12上，用于检测臂架油缸两腔的压力信号；
所述的伺服电机驱动液压泵为臂架油缸提供流量，通过伺服电机正反转实现臂架油缸的伸出缩回动作控制；所述的运动控制器采集位移传感器位置信息、采集臂架油缸两腔压力传感器压力信息、采集臂架角度传感器的角度信息和接收泵车控制器发送的控制指令，并控制电机驱动器工作。
本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在的管路系统复杂的问题，实现了几乎无管路系统，从而大大降低了臂架系统的施工难度和施工成本，同时减少了潜在故障点，降低了后期维护成本。
本发明采用集成式泵控驱动系统，极大的缩短了动力机构与执行机构间的距离，克服了传统臂架系统因管路长存在的臂架油缸响应滞后，操作反馈感较差等问题，从而有效提高了臂架油缸运动控制动态响应特性和运动精准度，操作体验感更好。本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在大量多路阀节流和发热问题，使得集成式泵控驱动系统可以大大提高系统效率，具备更好的节能性。
在本发明的一个优选实施例中，所述的液压泵为双向驱动泵，通过伺服电机正反转实现进出油口的切换，进而实现臂架油缸的伸出缩回动作控制。
在本发明的一个优选实施例中，所述的平衡阀在臂架油缸运动过程中起负载支撑作用，在停止运动时，将臂架油缸锁死在任意位置，避免出现掉臂现象；所述的液控单向阀和蓄能器，实现液压泵吸油口补油和吸收系统多余油液功能；所述的压力传感器实时采集臂架油缸两腔压力。
在本发明的一个优选实施例中，所述的换向阀用于实现臂架油缸的差动控制，提高臂架油缸在空载或低负载条件下运动速度。有效降低系统能耗，实现节能控制。
在本发明的一个优选实施例中，所述的运动控制器具备CAN总线通讯功能，实时采集泵车控制器发送的臂架油缸运动指令和臂架角度信息；运动控制器具备模拟量信号采集模块，实时采集臂架油缸两腔压力和臂架油缸活塞位置信息，并计算出臂架油缸实时运动速度。
如图2所示，基于所述混凝土臂架用集成式泵控驱动系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)运动控制器实时采集泵车控制器发送的臂架油缸运动控制指令和臂架角度信息，并采集位移传感器位置信息和臂架油缸两腔压力传感器压力信息，运动控制器根据臂架油缸运动方向和臂架角度，判断臂架油缸工作模式；
(2)运动控制器根据控制指令进行臂架油缸速度闭环或压力闭环判断，当臂架油缸进行速度闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，换算出臂架油缸运动的目标速度，并根据液压泵排量换算出伺服电机转速和转向，并以此作为运动控制器的前馈输入，利用位移传感器实时反馈臂架油缸活塞速度通过带前馈的PID控制算法对伺服电机转速进行闭环控制；
(3)当臂架油缸进行压力闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，利用位移传感器实时反馈的臂架油缸两腔压力，通过PID闭环控制算法，实时调整伺服电机转速和转向，实现臂架油缸两腔压力的闭环控制。
本发明采用集成式泵控驱动系统，克服了传统臂架系统存在的状态感知少，臂架油缸工作状态不清楚等问题，结合多传感器融合技术实现臂架系统的分布式布置和全电控制，为后续混凝土泵车的全电控系统和状态监测系统的搭建提供支撑。本发明的集成式泵控驱动系统极大简化臂架控制管路系统，降低管路系统复杂度和施工成本；有效提高臂架油缸运动控制动态响应特性，提高可操作性；克服了传统臂架系统存在多路阀节流和发热问题，大大提高系统效率，具备更好的节能性。通过对某节臂架运动能耗仿真分析发现，采用传统臂架液压系统能耗为166.8kJ，而采用集成式泵控驱动系统能耗为50.55kJ，能够实现节能约70％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其特征在于，包括位移尺(1)、溢流阀(2)，平衡阀(3)，液控单向阀(4)，液压泵(5)，伺服电机(6)，运动控制器(7)，电机驱动器(8)，蓄能器(9)，换向阀(10)，压力传感器(11)，控制阀组(12)，臂架油缸(13)；
所述的位移尺(1)内置或外置在臂架油缸(13)上，用于实时检测油缸活塞位置信号；
所述溢流阀(2)、平衡阀(3)、液控单向阀(4)、换向阀(10)设置在控制阀组(12)上，其中溢流阀(2)用于起定压溢流和安全保护作用，平衡阀(3)用于将臂架油缸锁死在任意位置，液控单向阀(4)用于实现蓄能器补油和吸收系统多余油液，换向阀(10)用于实现臂架油缸(13)差动控制；
所述液压泵(5)通过联轴器安装在伺服电机(6)上，液压泵(5)的泄油口、两个工作油口与控制阀组(12)相连，控制阀组(12)通过油管与臂架油缸(13)两腔相连；
所述蓄能器(9)安装在控制阀组(12)上，与液压泵(5)泄油口连通，并通过液控单向阀(4)与液压泵(5)的两个工作油口连通，用于补油和吸油系统多余油液；
所述压力传感器(11)设置在控制阀组(12)上，用于检测臂架油缸两腔的压力信号；
所述的伺服电机驱动液压泵为臂架油缸提供流量，通过伺服电机正反转实现臂架油缸的伸出缩回动作控制；所述的运动控制器采集位移传感器位置信息、采集臂架油缸两腔压力传感器压力信息、采集臂架角度传感器的角度信息和接收泵车控制器发送的控制指令，并控制电机驱动器工作。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其特征在于所述的液压泵为双向驱动泵，通过伺服电机正反转实现进出油口的切换，进而实现臂架油缸的伸出缩回动作控制。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其特征在于所述的平衡阀在臂架油缸运动过程中起负载支撑作用，在停止运动时，将臂架油缸锁死在任意位置，避免出现掉臂现象；所述的液控单向阀和蓄能器，实现液压泵吸油口补油和吸收系统多余油液功能；所述的压力传感器实时采集臂架油缸两腔压力。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其特征在于所述的换向阀用于实现臂架油缸的差动控制，提高臂架油缸在空载或低负载条件下运动速度。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土臂架用集成式泵控驱动系统，其特征在于所述的运动控制器具备CAN总线通讯功能，实时采集泵车控制器发送的臂架油缸运动指令和臂架角度信息；运动控制器具备模拟量信号采集模块，实时采集臂架油缸两腔压力和臂架油缸活塞位置信息，并计算出臂架油缸实时运动速度。
6.一种根据权利要求1所述的混凝土臂架用集成式泵控驱动系统控制方法，包括如下步骤：
(1)运动控制器实时采集泵车控制器发送的臂架油缸运动控制指令和臂架角度信息，并采集位移传感器位置信息和臂架油缸两腔压力传感器压力信息，运动控制器根据臂架油缸运动方向和臂架角度，判断臂架油缸工作模式；
(2)运动控制器根据控制指令进行臂架油缸速度闭环或压力闭环判断，当臂架油缸进行速度闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，换算出臂架油缸运动的目标速度，并根据液压泵排量换算出伺服电机转速和转向，并以此作为运动控制器的前馈输入，利用位移传感器实时反馈臂架油缸活塞速度，通过带前馈的PID控制算法对伺服电机转速进行闭环控制；
(3)当臂架油缸进行压力闭环控制时，运动控制器根据泵车控制器发送的控制指令，利用位移传感器实时反馈的臂架油缸两腔压力，通过PID闭环控制算法，实时调整伺服电机转速和转向，实现臂架油缸两腔压力的闭环控制。
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