CN115823070A - 一种泵控非对称液压缸的液压传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压驱动技术领域，公开了一种泵控非对称液压缸控制系统，该泵控非对称液压缸控制系统包括分别与永磁同步电机同轴连接的四象限定量泵和四象限变量泵、非对称油缸以及相配套的控制系统，其中控制系统包括有PLC控制器、以及与其相连接的永磁同步电机驱动器，所述PLC控制器输入端相连接的位置传感器和负载力传感器，负载力传感器用于采集非对称油缸上的负载力信号，并上传至PLC控制器中结合输入的位置指令信号和位置传感器的位置反馈信号的运动方向以及负载力方向，继而判断当前的工作模式，PLC控制器根据当前工作模式向双向直流变换器发送指令使双向直流变换器进行电能的输出或能量的回收切换。本发明通过微调四象限变量泵的排量从而在液压缸出口产生背压，因此增加了系统的稳定性；通过双向直流变换器将负负载的能量转换成电能储存，实现能量回收。

Description

一种泵控非对称液压缸的液压传动系统

技术领域

本发明属于液压传动控制的技术领域，具体涉及为一种泵控非对称液压缸的液压传动系统。

背景技术

随着源短缺和环境污染的问题越来越得到全社会的重视，近年来有关泵控系统的研究越来越多。目前电液控制系统主要分为阀控系统与泵控系统两类，其中阀控系统具备快速响应、可以实现位置或压力的高精度控制等优势，但也存在节流损失偏大、能量效率低的缺陷；而泵控系统由于泵直驱负载，不存在节流损失，因此泵控系统具有能量损失较小、系统效率较高的优点。

关于泵控系统相关技术，我们经检索发现以下相关专利。申请号为CN2019112922915的发明专利公开了一种双伺服电机泵控独立驱动非对称液压缸控制系统，其采用两套“伺服电机+齿轮泵”组分别给非对称液压缸的两腔供油，通过对两台伺服电机转速的独立控制使得液压缸能够做往复运动，并实现对非对称液压缸的位置的高精度控制。申请号为CN2019106155193的发明专利公开了一种闭式泵控非对称缸的液压折弯机电液控制系统，工作时由伺服电机带动双向定量泵直接驱动压缸的活塞，具有了节能、效率高、功重比大、集成 度高、低成本等特点；申请号为CN201910646195.X的发明专利公开了一种低能耗高动态泵阀联合位置伺服系统，双向泵的两个出油口分别于非对称液压缸的有杆腔和无杆腔相连接，同时伺服阀与双向泵的两个油口并联，通过泵阀的协同控制保证液压系统能量利用效率的同时兼顾了系 统的动态响应；申请号为CN201811209556.6的发明专利公开了一种使用三个泵同时驱动非对称油缸的泵控系统，具有非对称缸两腔流量平衡、系统功率损失小、能精确控制位置的动静态都能得到良好匹配的特点。以上公开的泵控系统相对于阀控系统，虽然均较好的解决了节能问题。

但由于泵控系统中油缸中没有背压，当驱动负负载时就容易会出现油缸运动不稳定性情况；同时以上泵控系统并没有解决在负负载工况下能量回收的问题。

发明内容

针对上述背景技术中泵控容积电液伺服所形成的泵控系统存在运行不稳定以及在负负载工况下能量回收的问题，本发明通过调节泵的排量给油缸出口提供背压，从而解决在负载变化工况下不稳定的问题；通过双向DCDC变换器将负负载的能量通过永磁同步电机进行回收，由此达到节能的目的，基于上述设计思路，本发明提供一种泵控非对称液压缸控制系统。

为达到上述目的，根据上述理论设计的指导，我们对现有泵控系统提出以下创造性的改造，因此本发明所采取的技术方案为：一种泵控非对称液压缸控制系统，包括有非对称油缸，所述非对称油缸包括有缸体、活塞和活塞杆三部分，其中活塞杆固定在活塞上以及在其端部上固定连接有负载重量块，其中活塞活动设置在缸体内并将缸体分为有杆腔和无杆腔，并在缸体上设置有分别与有杆腔和无杆腔相连通的两个油口，位于所述无杆腔的油口上通过无杆腔油路连接有四象限定量泵并与油箱相连接，并依靠所述四象限定量泵向无杆腔提供油压力。除此之外，该泵控非对称液压缸控制系统还包括有与所述四象限定量泵同轴连接的四象限变量泵和永磁同步电机、以及相配套的能量回收控制系统，所述四象限变量泵通过有杆腔油路连接所述有杆腔的油口与油箱相连接，并依靠所述四象限变量泵向有杆腔提供油压力，并且通过微调四象限变量泵的排量实现提高油缸的背压力，以此维持驱动负负载时油缸运动的稳定性，所述控制系统包括有PLC控制器、以及与其相连接的永磁同步电机驱动器，所述永磁同步电机依次通过永磁同步电机驱动器、双向直流变换器与储能电池电连接，并通过所述永磁同步电机驱动器使所述永磁同步电机与储能电池之间进行电能的输出或能量的回收。

作为上述技术方案进一步补充说明，还包括有与所述PLC控制器输入端相连接的负载力传感器，所述负载力传感器安装在非对称油缸活塞杆末端与负载重量块之间，其用于采集非对称油缸上的负载力信号，并上传至PLC控制器中。

作为上述技术方案进一步补充说明，还包括有与所述PLC控制器输入端相连接的位置传感器，所述位置传感器采集所述重量块移动的信息并作为活塞的位置反馈信号上传至PLC编辑控制器中结合输入的位置指令信号以及负载力信号来判断非对称油缸的运动方向以及负载力方向，继而判断当前的工作模式，PLC控制器根据当前工作模式向双向直流变换器发送指令使双向直流变换器进行电能的输出或能量的回收切换。

作为上述技术方案进一步补充说明，在所述四象限变量泵上对应其斜盘安装有角度传感器，所述角度传感器的信号输出端和四象限变量泵的比例控制阀分别与所述PLC控制器的输入端、输出端相连接，所述PLC控制器用于接收所述角度传感器采集的斜盘倾角反馈信号并结合排量指令信号进而控制所述四象限变量泵的排量。

作为上述技术方案进一步补充说明，在所述无杆腔油路与有杆腔油路之间分别连接有第一补油阀和第二补油阀，其两者通过补油油路连接有补油泵并与油箱相连接，所述补油泵通过补油泵电机经所述第一补油阀及第二补油阀分别给非对称油缸的两腔补油，防止系统出现吸空现象。

作为上述技术方案进一步补充说明，在所述非对称油缸的两个油口上分别连接有第一溢流阀和第二溢流阀，其两者通过油路与油箱相连接，用于限制两油腔内的压力，防止过载时压力超过设定值后起到溢流保护的作用。

作为上述技术方案进一步补充说明，在所述补油泵的出油口上连接有第三溢流阀，其通过油路与油箱相连接，用于保证补油泵出口压力，同时为所述四象限变量泵的比例控制阀提供压力。

与现有的泵控系统相比，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明公开的泵控非对称液压缸控制系统，包括驱动负载的非对称液压缸，其中非对称液压缸的两油腔分别与四象限定量泵和四象限变量泵连接，并且两个泵与永磁同步电机同轴连接，通过微调四象限变量的排量从而在液压缸出口产生背压，因此增加了系统的稳定性；2、本发明通过PLC控制器控制双向直流变换器将负负载的能量转换成电能储存，实现能量回收。

附图说明

图1为本发明所公开泵控非对称液压缸的液压传动系统的原理图；

图2为应用泵控非对称液压缸的液压传动系统的原理进行仿真模拟实验的原理图；

图3为本发明实施例的控制流程图；

图4为基于图2仿真原理的模拟结果图一；

图5为基于图2仿真原理的模拟结果图二。

图中：控制系统1，永磁同步电机2，四象限定量泵3，非对称油缸4，四象限变量泵5，负载重量块6，位置传感器7，补油泵电机8，补油泵9，角度传感器10，第一补油阀11，第二补油阀12，第一溢流阀13，第二溢流阀14，第三溢流阀15，油箱16，

其中能量回收控制系统包括PLC编辑控制器1.1，永磁同步电机驱动器1.2，永磁同步电机驱动器1.2，双向直流变换器1.3，储能电池1.4。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

参阅图1，一种泵控非对称液压缸控制系统，该泵控非对称液压缸控制系统包括永磁同步电机2同轴连接的四象限定量泵3和四象限变量泵5、非对称油缸4以及相配套的控制系统1，其中非对称油缸4包括有缸体、活塞和活塞杆三部分，其中活塞杆固定在活塞上以及在其端部上固定连接有负载重量块6，其中活塞活动设置在缸体内并将缸体分为有杆腔和无杆腔，并在缸体上设置有分别与有杆腔和无杆腔相连通的两个油口，其两个油口分别通过有杆腔油路、无杆腔油路连接四象限变量泵5、四象限定量泵3并与油箱16相连接，并依靠所述四象限定量泵3、四象限变量泵5向无杆腔、有杆腔提供油压力，以此维持驱动负负载时油缸运动的稳定性，在所述无杆腔油路与有杆腔油路之间分别连接有第一补油阀11和第二补油阀12，其两者通过补油油路连接有补油泵9并与油箱16相连接，所述补油泵9通过补油泵电机8经所述第一补油阀11及第二补油阀12分别给非对称油缸的两腔补油，防止系统出现吸空现象。上述控制系统1包括有PLC控制器1.1、以及与其相连接的永磁同步电机驱动器1.2，所述PLC控制器1.1输入端相连接的位置传感器7和负载力传感器17，负载力传感器17安装在非对称油缸4活塞杆末端与负载重量块6之间，其中负载力传感器17用于采集非对称油缸4的负载力信号，并上传至PLC控制器1.1中，而位置传感器7采集重量块6移动的信息并作为活塞的位置反馈信号上传至PLC控制器1.1中结合输入的位置指令信号和负载力信号来判断非对称油缸4的的运动方向以及负载力方向，继而判断当前的工作模式，所述PLC控制器1.1根据当前工作模式向双向直流变换器1.3发送指令使双向直流变换器1.3进行电能的输出或能量的回收切换，在所述四象限变量泵5上对应其斜盘安装有角度传感器10，所述角度传感器10的信号输出端和四象限变量泵5的比例控制阀分别与所述PLC控制器1.1的输入端、输出端相连接，所述PLC控制器1.1用于接收所述角度传感器10采集的斜盘倾角反馈信号并结合非对称油缸4的运动方向向所述比例控制阀发送排量指令信号进而控制所述四象限定量泵3的排量。所述永磁同步电机2依次通过永磁同步电机驱动器1.2、双向直流变换器1.3与储能电池1.4电连接，并通过所述永磁同步电机驱动器1.2使所述永磁同步电机2与储能电池1.4之间进行电能的输出或能量的回收。

进一步，在所述非对称油缸4的两个油口上分别连接有第一溢流阀13和第二溢流阀14，其两者通过油路与油箱16相连接，用于限制两油腔内的压力，防止过载时压力超过设定值后起到溢流保护的作用。

进一步，在所述补油泵9的出油口上连接有第三溢流阀15，其通过油路与油箱16相连接，用于保证设定补油泵出口压力。

上述实施例中，PLC控制器1.1通过永磁同步电机驱动器1.2控制永磁同步电机2的转速。PLC编辑控制器1.1检测位置指令信号与位置反馈信号的差值，实时永磁同步电机2的转速使得油缸位置跟随指令位置信号。PLC编辑控制器1.1根据当前的工况所述比例控制阀发送排量指令信号进而控制所述四象限定量泵3的排量；同时调节双向直流变换器1.3的输出电压。永磁同步电机2与四象限定量泵3、四象限变量泵5同轴连接，当忽略泄漏、压力变化等因素时，电机的转速与泵输出的流量成正比关系，泵的输出流量与油缸的运动速度成正比关系。其中四象限变量泵5为现有公开的技术，具体参照授权公告号为CN 206144728 U的实用新型专利公开的一种变量柱塞泵，该公开专利中公开目前常见的一种变量泵。

下面结合附图3分析非对称油缸的正负载和负负载工况下的工作过程。

一、正负载工况

当需要驱动负载重量块6上升时，假设永磁同步电机2驱四象限定量泵3和四象限 变量泵5正转，四象限定量泵3出口高压油推动非对称油缸4的活塞杆上升，同时非对称油缸 4有杆腔油液流入四象限变量泵5。此时，PLC控制器1.1通过控制比例控制阀使得四象限变 量泵5的排量

小于

，则会在油缸的有杆腔内产生压力，即油缸产生背压。

当需要驱驱动负载重量块6下降时，永磁同步电机2驱四象限定量泵3和四象限变 量泵5反转，四象限变量泵5出口高压油推动非对称油缸4活塞杆下降，同时非对称油缸4无 杆腔油液流入四象限定量泵3。此时，PLC控制器1.1通过控制比例控制阀使得四象限变量泵 5的排量

大于

，则会在油缸的无杆腔内产生压力，即油缸产生背压；

二、负负载工况

当非对称油缸4上的负载力向上，且非对称油缸4向上运动，非对称油缸4的负载力 与油缸的运动方向相同，此时为负负载工况。此时，PLC控制器1.1通过比例控制阀使得四象 限变量泵5的排量

小于

，则会在非对称油缸4的无杆腔内产生压力，即非对称油缸4 产生背压；此工况下，四象限变量泵5工作在马达模式下，非对称油缸4的出油口会推动四象 限变量泵5转动，从而带动永磁同步电机2转动，此时永磁同步电机2工作在发电机模式，此 时，PLC控制器1.1通过永磁同步电机驱动器1.2控制使得永磁同步电机2产生的电能由双向 直流变换器1.3输送进入储能电池1.4，因此将负负载的能量转化成电能储存在1.2中，完成 能量回收。

当非对称油缸4上的负载力向下，且非对称油缸4向下运动，非对称油缸4的的负载 力与非对称油缸4的运动方向相同，此时为负负载工况。此时，PLC控制器1.1通过控制比例 控制阀使得四象限变量泵5的排量

大于

，则会在非对称油缸4的有杆腔内产生压力， 即非对称油缸4产生背压；此工况下，四象限定量泵3工作在马达模式下，非对称油缸4的出 油口会推动四象限变量泵5转动，从而带动永磁同步电机2转动，此时永磁同步电机2工作在 发电机模式，此时，PLC控制器1.1使得永磁同步电机2产生的电能由双向直流变换器1.3输 送进入储能电池1.4，因此，将负负载的能量转化成电能储存在储能电池1.4中，完成能量回 收。

当油缸伸出时，有杆腔内压力

与所述非对称油缸（4）的活塞杆运动速度

的关 系为：

，其中

为有杆腔活 塞的有效作用面积，

为四象限变量泵的额定排量，

为四象限变量泵的变量系数，

为转 速，

为四象限变量泵的泄漏系数，

为油液的弹性模量，

为密闭容积，包括油缸有杆腔 容积和有杆腔出口管路容积，

为求解微分方程时引入的常量，可通过边界条件确定。当油 缸伸出时，将变量系数调小即可使油缸背压提高，以上足以证明微调变量泵排量增加运动 稳定性。

以上分析可知，不论油缸在伸出还是缩回，不论油缸的负载是正负载还是负负载，油缸均存在背压，因此油缸运行较稳定；当驱动负负载时，系统可以将负载的能量转化成电能储存起来，以实现能量回收。

仿真模拟其工作原理：

仿真模拟实验：参见图2至5，电通过连接器分别与定量泵和变量泵刚性连接，变量 泵的排量为其最大排量与变量系数k的乘积（

）。定量泵和变量泵分别连接油缸的两 个油口，负载力作用在活塞杆上，负载力为阶跃负载力，第3秒时从0阶跃到设定值。当k=0.5 时，此时变量泵的排量等于

（

、

为油缸的无杆腔和有杆腔的有效面积，

为定量 泵排量），当k=0.4时，此时变量泵的排量稍小于

，仿真比较k分别等于0.5和0.4时，系统 的运行情况。

仿真时其他参数设置如下：

电机转速：1500rpm；定量泵排量：10mL；变量泵最大排量：10mL；油缸活塞直径：63mm；油缸活塞杆直径：44.55mm；油缸有效面积比：2:1；质量块质量：80t；负载力：20kN；补油压力：5bar。

仿真模拟结果：

当变量泵变量系数k=0.5时，即为目前专利已经公开的一种情况。当负载力在第3秒快速变化时，油缸速度会剧烈波动，6秒后速度稳定下来；

当变量泵变量系数k=0.4时，即为本发明专利中的一种情况。当负载力在第3秒快速变化时，油缸速度经过3秒即可稳定下来，这是由于变量泵排量变化后油缸产生背压，此背压有利于油缸稳定。

通过上述仿真足以证明了：与现有泵控系统相比较，本发明实施例中调节泵的排量给油缸出口提供背压，使运动更加平稳，由此解决在负载变化工况下运动不稳定的问题。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的创造思想和设计思路，应当等同属于本发明技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种泵控非对称液压缸控制系统，包括有非对称油缸（4），所述非对称油缸（4）包括有缸体、活塞和活塞杆三部分，其中活塞杆固定在活塞上以及在其端部上固定连接有负载重量块（6），其中活塞活动设置在缸体内并将缸体分为有杆腔和无杆腔，并在缸体上设置有分别与有杆腔和无杆腔相连通的两个油口，位于所述无杆腔的油口上通过无杆腔油路连接有四象限定量泵（3）并与油箱（16）相连接，并依靠所述四象限定量泵（3）向无杆腔提供油压力，其特征在于：还包括有与所述四象限定量泵（3）同轴连接的四象限变量泵（5）和永磁同步电机（2）、以及相配套的控制系统（1），所述四象限变量泵（5）通过有杆腔油路连接所述有杆腔的油口与油箱（16）相连接，并依靠所述四象限变量泵（5）向有杆腔提供油压力，通过微调所述四象限变量泵（5）的排量，使得所述非对称油缸（4）的背压提高，以此维持驱动负负载时油缸运动的稳定性，所述控制系统（1）包括有PLC控制器（1.1）、以及与其相连接的永磁同步电机驱动器（1.2），所述永磁同步电机（2）依次通过永磁同步电机驱动器（1.2）、双向直流变换器（1.3）与储能电池（1.4）电连接，并通过所述永磁同步电机驱动器（1.2）使所述永磁同步电机（2）与储能电池（1.4）之间进行电能的输出或能量的回收。

2.根据权利要求1所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：还包括有与所述PLC控制器（1.1）输入端相连接的负载力传感器（17），所述负载力传感器（17）安装在非对称油缸（4）活塞杆末端与负载重量块（6）之间，其用于采集非对称油缸（4）上的负载力信号，并上传至PLC控制器（1.1）中。

3.根据权利要求2所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：还包括有与所述PLC控制器（1.1）输入端相连接的位置传感器（7），所述位置传感器（7）采集所述重量块（6）移动的信息并作为活塞的位置反馈信号上传至PLC控制器（1.1）中结合输入的位置指令信号以及负载力信号来判断非对称油缸（4）的运动方向以及负载力方向，继而判断当前的工作模式，所述PLC编辑控制器（1.1）根据当前工作模式向双向直流变换器（1.3）发送指令使双向直流变换器（1.3）进行电能的输出或能量的回收切换。

4.根据权利要求3所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：在所述四象限变量泵（5）上对应其斜盘安装有角度传感器（10），所述角度传感器（10）的信号输出端和四象限变量泵（5）的比例控制阀分别与所述PLC控制器（1.1）的输入端、输出端相连接，所述PLC编辑控制器（1.1）用于接收所述角度传感器（10）采集的斜盘倾角反馈信号并结合非对称油缸（4）的运动方向向所述比例控制阀发送排量指令信号进而控制所述四象限变量泵（5）的排量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：在所述无杆腔油路与有杆腔油路之间分别连接有第一补油阀（11）和第二补油阀（12），其两者通过补油油路连接有补油泵（9）并与油箱（16）相连接，所述补油泵（9）通过补油泵电机（8）经所述第一补油阀（11）及第二补油阀（12）分别给非对称油缸的两腔补油，防止系统出现吸空现象。

6.根据权利要求5所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：在所述非对称油缸（4）的两个油口上分别连接有第一溢流阀（13）和第二溢流阀（14），其两者通过油路与油箱（16）相连接，用于限制两油腔内的压力，防止过载时压力超过设定值后起到溢流保护的作用。

7.根据权利要求6所述的一种泵控非对称液压缸控制系统，其特征在于：在所述补油泵（9）的出油口上连接有第三溢流阀（15），其通过油路与油箱（16）相连接，用于保证设定补油泵出口压力和四象限变量泵的比例控制阀提供压力。

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