CN116240941A - 用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及能量调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，包括伺服电机、液压泵、电磁换向阀、安全溢流阀、单向阀、蓄能器和非对称缸。伺服电机的输出端和大排量液压泵的驱动端连接，大排量液压泵的第一出油口和小排量液压泵的进油口连接；大排量液压泵的第二出油口和第三出油口分别与三位四通电磁换向阀的A口和B口连接，小排量液压泵的出油口和第一回油口分别与三位四通电磁换向阀的P口和T口连接，小排量液压泵的第二回油口通过二位二通电磁换向阀和蓄能器的第一端连接。本发明还提供前述伺服泵控系统的调控方法，解决非对称缸所带来的流量非对称问题，提高伺服泵控系统的可靠性；采用超级电容并结合能量调控方法，使能量回收与能量释放效率得到提高。

Description

用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及能量调控方法

技术领域

本发明涉及液压挖掘机的技术领域，特别涉及一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及其调控方法，具体为能量调控方法。

背景技术

目前挖掘机动臂典型的液压控制装置的控制系统有两种：阀控液压装置和泵控液压装置。阀控挖掘机动臂液压装置中需要精密的液压伺服阀，对工作介质要求高，本身的抗污染能力差，造成后期维护不便；液压动力元件、执行元件、控制元件和液压辅件之间依靠管路连接，集成度低，装机占地面积大；阀控液压装置本身大量的溢流损失导致能源浪费严重，系统发热严重。泵控挖掘机动臂液压装置相较于阀控液压装置，具有设备体积小，管路布置简单，无溢流损失，高可靠、高安全和高精度等特点，能有效解决阀控液压装置存在的固有缺陷，如抗污染能力差、集成度低、能源浪费严重、设备装机成本高以及维护不便等问题。泵控挖掘机动臂液压装置相较于阀控液压装置成本、占用空间、能耗比均有所降低，功重比有所提高，设备节能、降噪，安装和维护方便。

泵控挖掘机动臂液压装置控制非对称缸，一般是采用伺服电机驱动单个双向泵对缸的两腔进行供油，同时和双液控单向阀配合使用。如果非对称缸自身存在流量非对称的特性，在双向泵进行伺服油缸两腔间的供油切换时，因两腔所需流量相差较大时，容易产生压力与流量的突变，从而影响装置的可靠性；同时，挖掘机在运行过程中，动臂频繁下降所产生的重力势能绝大多数会转化为热量散失，这会导致系统发热增加，降低设备的工作寿命。因此，本发明提出一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及能量调控方法以解决非对称缸的流量非对称及实现能量回收再利用问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及能量调控方法，利用蓄能器代替液压油箱，并且采用一体化的连接方式提高了整个伺服泵控系统的集成度；采用伺服电机直接驱动串联的大排量液压泵和小排量液压泵，解决了非对称缸所带来的流量非对称问题，进一步减少了伺服泵控系统中液压阀的数量，提高了伺服泵控系统的可靠性；采用超级电容并结合能量调控方法，将动臂下降时产生的势能最大程度上转化为电能储存起来，并在动臂对外做功时将超级电容中储存的能量最大程度地利用，使得伺服泵控系统对于能量回收效率与能量释放效率得到极大提高，从而解决现有挖掘机阀控系统所需的安装空间大、工作介质清洁度要求高、能量利用率低与后期维护困难的问题。

本发明提供了一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，包括伺服电机、大排量液压泵、小排量液压泵、三位四通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、安全溢流阀、单向阀、蓄能器、非对称缸、传感器和液压阀块。所述伺服电机的输出端和所述大排量液压泵的驱动端连接，所述大排量液压泵的第一出油口和所述小排量液压泵的进油口连接；所述大排量液压泵的第二出油口和回油口分别与所述三位四通电磁换向阀的A口和B口连接，所述小排量液压泵的出油口和第一回油口分别与三位四通电磁换向阀的P口和T口连接，所述小排量液压泵的第二回油口通过二位二通电磁换向阀和所述蓄能器的第一端连接，当伺服泵控系统对外做功时，三位四通电磁换向阀和二位二通电磁换向阀的相互配合，实现在大排量液压泵和小排量液压泵同时向非对称缸的无杆腔供油和大排量液压泵向非对称缸的有杆腔供油中的切换，从而解决非对称缸的有杆腔和无杆腔因面积不同而产生的流量非对称。所述溢流阀，其包括第一安全溢流阀和第二安全溢流阀，所述单向阀，其包括第一单向阀和第二单向阀，所述传感器，其包括第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、力传感器和速度传感器，所述蓄能器的第二端和第三端分别通过第一单向阀和第二单向阀与所述非对称缸的有杆腔和无杆腔的进油口连接；所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀分别并联在所述第一单向阀和所述第二单向阀的两端；所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别串联在所述非对称缸的无杆腔和有杆腔的进油口处，所述温度传感器位于所述大排量液压泵和所述小排量液压泵的卸油口处；所述力传感器和所述速度传感器分别与所述非对称缸的缸杆的安装端连接。

可优选的是，所述伺服电机、所述大排量液压泵和所述小排量液压泵组成动力模块，所述三位四通电磁换向阀和所述二位二通电磁换向阀组成串联泵切换模块，所述非对称缸组成执行机构模块，所述蓄能器、所述第一单向阀和所述第二单向阀组成补油模块，所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀组成安全溢流模块，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器组成压力温度检测模块，所述力传感器和所述速度传感器组成力与速度检测模块，所述超级电容和所述DC/DC转换器组成能量转换模块。

可优选的是，所述三位四通电磁换向阀和所述二位二通电磁换向阀分别位于所述液压阀块的上表面的第一安装端和第二安装端，所述第一单向阀和所述第二单向阀分别位于所述液压阀块的上表面的第三安装端和第四安装端，所述温度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别位于所述液压阀块的上表面的第五安装端、第六安装端和第七安装端。

可优选的是，所述非对称缸位于所述液压阀块的前表面的安装端；所述蓄能器位于所述液压阀块的右表面的第一安装端，所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀分别位于所述液压阀块的右表面的第二安装端和第三安装端。

可优选的是，所述伺服电机的驱动器的第一端通过DC/DC转换器和逆变器的第一端连接，所述逆变器的第二端和所述超级电容连接，所述伺服电机的驱动器的第二端和所述动力电源连接。

本发明的另外一方面，提供一种用于前述挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，具体实施步骤如下：

S1、建立挖掘机动臂的泵马达四象限图：

S11、以非对称缸的载荷力为横轴，非对称缸的速度为纵轴建立泵马达四象限图的坐标轴。

S12、根据非对称缸的速度和功率分别建立泵马达四象限图的四个象限。

当所述大排量液压泵和所述小排量液压泵工作在马达工况时，所述非对称缸的速度表达式为：

v₁＝(nV+q_L)/A

式中，A为非对称缸的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量。

当所述大排量液压泵和所述小排量液压泵工作在泵工况时，所述非对称缸的速度表达式为：

v₂＝(nV-q_L)/A

式中，A为非对称缸的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量。

所述非对称缸的功率表达式为：

P＝F·v

式中，F为作用在非对称缸上的载荷力，v为非对称缸的速度。

若非对称缸的有杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第一象限。

若非对称缸的无杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第二象限。

若非对称缸的无杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第三象限。

若非对称缸的有杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第四象限。

S2、给定挖掘机动臂的运动控制器一指令，挖掘机动臂中非对称缸的缸杆的出力与速度分别通过压力传感器和速度传感器实时反馈到运动控制器中，根据运动控制器的处理结果，进行工况分析：

若运动控制器处理结果为正值，则非对称缸的运动方向和出力方向相同，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸处于第一象限和第三象限时，为发电机工况。

若运动控制器处理结果为负值，则非对称缸的运动方向和出力方向相反，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸处于第二象限和第四象限时，为电动机工况。

S3、根据不同的工况，启动不同的能量调控方法：

若为发电机工况，则启动能量回收，具体过程为：通过运动控制器使挖掘机动臂下降时的势能以载荷力作用在非对称缸上，非对称缸中有杆腔流出的油液依次进入到大排量液压泵和小排量液压泵中，并驱动大排量液压泵和小排量液压泵转动，使大排量液压泵和小排量液压泵工作在马达工况，进而带动伺服电机转动将产生的电能储存在超级电容中；当超级电容储存的电能达到超级电容容量的80％时，达到能量回收的标准，并停止能量调控。

若为电动机工况，则启动能量释放，具体过程为：通过运动控制器使动力电源释放电能从而带动伺服电机转动，并驱动大排量液压泵和小排量液压泵转动，使大排量液压泵和小排量液压泵工作在泵工况，使大排量液压泵和小排量液压泵流出的油液进入到非对称缸的无杆腔，进而带动挖掘机动臂上升。

可优选的是，在步骤S2中，在给定挖掘机动臂的运动控制器一指令后，需首先通过压力温度检测模块监测压力与温度是否正常，当压力温度检测模块监测压力与温度不正常时，则使伺服电机处于开环控制待机状态；当压力温度检测模块监测压力与温度正常时，则使伺服电机处于闭环控制待机状态。

可优选的是，所述压力与温度不正常，其包括非对称缸的高压腔压力过高、非对称缸的低压腔压力过低和伺服泵控系统中油温过高或过低。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由伺服电机同轴驱动两个串联的大排量液压泵和小排量液压泵，串联的液压泵高低压油口通过三位四通电磁换向阀连接非对称缸的两负载油口；在挖掘机动臂上升时大排量液压泵和小排量液压泵同时负责向非对称缸的无杆腔供油，在挖掘机动臂下降时，大排量液压泵负责向非对称缸的有杆腔供油，在伺服泵控系统中，减少了液控单向阀的使用，从而降低了故障率，提高了系统的可靠性。

2、本发明避免抗污染能力差、集成度低、能源浪费严重、设备装机成本高以及维护不便等缺点。

3、本发明的能量调控方法将挖掘机动臂下降时产生的势能通过液压系统转化为液压能，在通过伺服电机和逆变器转化为电能储存在超级电容中，并在挖掘机动臂对外做功时将超级电容中储存的能量最大程度地利用，极大地提高了伺服泵控系统的能量利用率。

附图说明

图1为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的液压控制原理图；

图2为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法的泵马达四象限图；

图3为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的整个功能块图；

图4为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法的逻辑控制流程图；

图5为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法的整体控制流程图；

图6为本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的整体结构图。

主要附图标记：

伺服电机1，大排量液压泵21，小排量液压泵22，三位四通电磁换向阀3，二位二通电磁换向阀4，第一安全溢流阀51，第二安全溢流阀52，第一单向阀61，第二单向阀62，第一压力传感器71，第二压力传感器72，温度传感器8，蓄能器9，非对称缸10，力传感器11，速度传感器12，液压阀块13，能量转换模块A，动力模块B，串联泵切换模块C，安全溢流模块D，补油模块E，压力温度检测模块F，执行机构模块G，力与速度检测模块H。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，如图1和图6所示，包括伺服电机1、大排量液压泵21、小排量液压泵22、三位四通电磁换向阀3、二位二通电磁换向阀4、第一安全溢流阀51，第二安全溢流阀52、第一单向阀61，第二单向阀62、第一压力传感器71，第二压力传感器72、温度传感器8、蓄能器9、非对称缸10、力传感器11，速度传感器12和液压阀块13。解决现有挖掘机阀控系统所需的安装空间大、工作介质清洁度要求高、能量利用率低与后期维护困难的问题。本发明采用蓄能器9代替液压油箱，并且采用一体化的连接方式提高了伺服泵控系统的集成度；采用伺服电机1直接驱动串联连接的大排量液压泵21和小排量液压泵22，从而解决了伺服泵控系统中由于非对称缸10所带来的流量非对称问题，进一步减少了伺服泵控系统中液压阀的数量，提高了伺服泵控系统的可靠性；采用超级电容并结合能量调控方法，将挖掘机动臂下降时产生的势能最大程度上转化为电能储存起来，并在挖掘机动臂对外做功时将超级电容中储存的能量最大程度地利用，使得伺服泵控系统对于能量回收效率与能量释放效率得到极大提高。

伺服电机1的输出端通过联轴器和大排量液压泵21的驱动端连接，大排量液压泵21的第一出油口和小排量液压泵22的进油口连接；大排量液压泵21的第二出油口和回油口分别与三位四通电磁换向阀3的A口和B口连接，小排量液压泵22的出油口和第一回油口分别与三位四通电磁换向阀3的P口和T口连接，小排量液压泵22的第二回油口通过二位二通电磁换向阀4和蓄能器9的第一端连接。

具体而言，在非对称缸10的缸杆伸出时，三位四通电磁换向阀3处于左位，两者同时向非对称缸10的无杆腔供油；在非对称缸10的缸杆缩回时，三位四通电磁换向阀3处于中位，大排量液压泵21向非对称缸10的有杆腔供油，小排量液压泵22通过三位四通电磁换向阀3卸荷。整个工作过程中，小排量液压泵22通过二位二通电磁换向阀4与蓄能器9连通，以保证油液在液压系统中的正常循环。大排量液压泵21和小排量液压泵22通过上述过程的相互配合，可实现大排量液压泵21和小排量液压泵22同时向非对称缸10的无杆腔供油和大排量液压泵21向非对称缸10的有杆腔供油的切换，从而解决非对称缸10中有杆腔和无杆腔因面积不同而产生的流量非对称问题。

当伺服电机1处于电动机工况时，大排量液压泵21在伺服电机1的驱动下开始向非对称缸10的无杆腔供油，驱动非对称缸10的缸杆伸出，控制非对称缸10的缸杆出力和速度，同时非对称缸10的有杆腔内的低压油以及蓄能器9内的部分液压油分别进入大排量液压泵21和小排量液压泵22的回油口。

当伺服电机1处于发电机工况时，非对称缸10可视作动力源，非对称缸10的无杆腔中油液进入大排量液压泵21的出油口，同时大排量液压泵21的回油口与非对称缸10的有杆腔连通接，进而带动伺服电机1发电，并将电能储存在超级电容中。

进一步的，为了实现大排量液压泵21和小排量液压泵22在不同工况下的切换，大排量液压泵21和小排量液压泵22串联布置。

溢流阀，包括第一安全溢流阀51和第二安全溢流阀52，单向阀，包括第一单向阀61和第二单向阀62，传感器，包括第一压力传感器71、第二压力传感器72、温度传感器8、力传感器11和速度传感器12，蓄能器9的第二端和第三端分别通过第一单向阀61和第二单向阀62与非对称缸10的有杆腔和无杆腔的进油口连接；第一安全溢流阀51和第二安全溢流阀52分别并联在第一单向阀61和第二单向阀62的两端；第一压力传感器71和第二压力传感器72分别串联在非对称缸10的无杆腔和有杆腔的进油口处，温度传感器8分别位于大排量液压泵21和小排量液压泵22的卸油口处，通过实时检测伺服泵控系统的压力与温度，保证伺服泵控系统的安全运行；力传感器11和速度传感器12分别与非对称缸10的缸杆的安装端连接，用于实时监测非对称缸10的缸杆的出力与速度并反馈给运动控制器。

如图3所示，伺服电机1、大排量液压泵21和小排量液压泵22组成动力模块B，作为伺服泵控系统的动力源，为伺服泵控系统提供所需要的压力与流量；三位四通电磁换向阀3和二位二通电磁换向阀4组成串联泵切换模块C，控制三位四通电磁换向阀3，使小排量液压泵22工作或者卸荷，从而解决非对称缸10两腔因面积不同而产生的流量非对称问题；非对称缸10组成执行机构模块G，液压油进入非对称缸10使缸杆伸出或者缩回，控制非对称缸10的缸杆出力和速度；蓄能器9、第一单向阀61和第二单向阀62组成补油模块E，实现在伺服泵控系统需要时进行补油或储油，补偿伺服泵控系统中流量非对称与外泄漏；第一安全溢流阀51和第二安全溢流阀52组成安全溢流模块D，可在伺服泵控系统运行出现异常高压或者压力过载时，将伺服泵控系统的压力稳定在安全范围内；第一压力传感器71、第二压力传感器72和温度传感器8组成压力温度检测模块F，通过实时检测伺服泵控系统的压力与温度，保证伺服泵控系统的安全运行；力传感器11和速度传感器12组成力与速度检测模块H，实时反馈非对称缸10的缸杆出力及速度信息；超级电容和DC/DC转换器组成能量转换模块A，将伺服泵控系统回收的势能转换为电能储存在超级电容中，并在伺服泵控系统对外做功时将超级电容中储存的能量最大程度地利用，转换为液压能释放。各个模块之间相互配合，达到高性能控制与高效能量传递的目的。

如图6所示，三位四通电磁换向阀3和二位二通电磁换向阀4分别位于液压阀块13的上表面的第一安装端和第二安装端，第一单向阀61和第二单向阀62分别位于液压阀块13的上表面的第三安装端和第四安装端，温度传感器8、第一压力传感器71和第二压力传感器72分别位于液压阀块13的上表面的第五安装端、第六安装端和第七安装端。

非对称缸10位于液压阀块13的前表面的安装端；蓄能器9位于液压阀块13的右表面的第一安装端，第一安全溢流阀51和第二安全溢流阀52分别位于液压阀块13的右表面的第二安装端和第三安装端。伺服泵控系统中元件通过液压阀块13进行连接，提高了伺服泵控系统的集成度，减少了伺服泵控系统中油液的泄漏，提高了伺服泵控系统的抗污染能力。

伺服电机1的驱动器的第一端通过DC/DC转换器和逆变器的第一端连接，逆变器的第二端和超级电容连接，伺服电机1的驱动器的第二端和动力电源连接。在挖掘机动臂下降时可将势能先转化为液压能再转化为电能储存在超级电容中，并在伺服泵控系统对外做功时最大程度地利用，提高能量利用率。

本发明的第二方面，用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，如图4和图5所示，具体实施步骤如下：

S1、如图2所示，建立挖掘机动臂的泵马达四象限图：

S11、以非对称缸10的载荷力为横轴，非对称缸10的速度为纵轴建立泵马达四象限图的坐标轴；同时假设伺服电机1在泵工况和马达工况下的泄漏相同，忽略非对称缸10的泄漏，载荷力方向和速度方向与非对称缸10的缸杆的伸出方向相同时为正。

S12、根据非对称缸10的速度和载荷力分别建立泵马达四象限图的四个象限。

当大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在马达工况时，非对称缸的速度表达式为：

v₁＝(nV+q_L)/A

式中，A为非对称缸10的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量。

当大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在泵工况时，非对称缸10的速度表达式为：

v₂＝(nV-q_L)/A

式中，A为非对称缸10的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量。

非对称缸10的功率表达式为：

P＝F·v

式中，F为作用在非对称缸10上的载荷力，v为非对称缸10的速度。

若非对称缸10的有杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第一象限。

若非对称缸10的无杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第二象限。

若非对称缸10的无杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第三象限。

若非对称缸10的有杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第四象限。

具体而言，在第一象限中，非对称缸10的速度方向和载荷力方向相同，且都为正值，大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在马达工况，伺服电机1工作在发电机工况。伺服泵控系统产生的能量储存到超级电容中，实现能量回收。

在第二象限中，非对称缸10的速度方向和载荷力方向相反，大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在泵工况，伺服电机1工作在电动机工况。伺服泵控系统消耗能量。

在第三象限中，非对称缸10的速度方向和载荷力方向相同，且都为负值，大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在马达工况，伺服电机1工作在发电机工况。伺服泵控系统产生的能量储存到超级电容中，实现能量回收。

在第四象限中，非对称缸10的速度方向和载荷力方向相反，大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在泵工况，伺服电机1工作在电动机工况。伺服泵控系统消耗能量。

S2、挖掘机动臂的运动控制器接收到主控制器指令后，挖掘机动臂中非对称缸10的缸杆的出力与速度分别通过第一压力传感器71、第二压力传感器72和速度传感器12实时反馈到运动控制器中，根据运动控制器设置好的运算程序结合反馈的力与速度大小和方向信号，进行工况分析：

若运动控制器处理结果为正值，则非对称缸10的运动方向和出力方向相同，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸10处于第一象限和第三象限时，为发电机工况。

若运动控制器处理结果为负值，则非对称缸10的运动方向和出力方向相反，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸10处于第二象限和第四象限时，为电动机工况。

具体而言，在给定挖掘机动臂的运动控制器一指令后，需首先通过压力温度检测模块监测压力与温度是否正常，当压力温度检测模块监测压力与温度不正常时，则使伺服电机处于开环控制待机状态；当压力温度检测模块监测压力与温度正常时，则使伺服电机处于闭环控制待机状态以及大排量液压泵21和小排量液压泵22处于切换子程序，非对称缸10按照规划曲线，快速到达指定位置后，非对称缸10的缸杆的位置保持。

在本发明的一个优选实施例中，压力与温度不正常，包括非对称缸的高压腔压力过高、非对称缸的低压腔压力过低和伺服泵控系统中油温过高或过低。

S3、根据系统程序进行处理后不同的工况，启动不同的能量调控方法，运动控制器控制伺服电机1的驱动器输出转速信号，控制伺服电机1的转动和超级电容的充放电，进而实现能量回收和释放的目的，具体实施过程如下：

当挖掘机动臂下降，挖掘机动臂中非对称缸10的缸杆的出力与速度经运动控制器处理结果为正值时，为发电机工况，则启动能量回收，通过运动控制器输出控制指令，大排量液压泵21和小排量液压泵22处于马达工况。由挖掘机动臂下降时的势能以载荷力的形式作用在非对称缸10上。从非对称缸10中流出的油液经过液压系统依次进入到大排量液压泵21和小排量液压泵22中，驱动大排量液压泵21和小排量液压泵22转动，进而带动伺服电机1转动产生电能并储存在超级电容中。具体而言，当超级电容中储存的电能达到超级电容容量的80％时，达到能量回收的标准，并停止能量调控。

当挖掘机动臂上升，挖掘机动臂中非对称缸10的缸杆的出力与速度经运动控制器处理结果为负值，为电动机工况，则启动能量释放，通过运动控制器输出控制指令，大排量液压泵21和小排量液压泵22处于泵工况。动力电源释放电能带动伺服电机1转动，进而带动大排量液压泵21和小排量液压泵22转动。从大排量液压泵21和小排量液压泵22中流出的油液经过液压系统进入到非对称缸10中，推动非对称缸10运动，进而带动挖掘机动臂上升。超级电容中储存的能量经过DC/DC转换器也可以为伺服泵控系统提供电能，延长伺服泵控系统的工作时间。

具体而言，在能量回收时，通过调节伺服电机1的转速，控制伺服电机1的发电功率，最终控制伺服电机1的母线电压，使得超级电容在一定时间内，获得最大能量，减小电机与电容的充电损耗，运动控制器输出控制指令控制伺服电机1的驱动器输出指令转速，伺服电机实际转速信号反馈到运动控制器进行调节，实现伺服电机1转速闭环，使得伺服电机1的铜损与铁损最小，液压泵容积效率最高，进而将势能转化为电能储存在超级电容中。

以下结合实施例对本发明一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统及能量调控方法做进一步描述：

建立挖掘机动臂的伺服泵控液压系统，结构液压原理图如图1所示，具体建立过程如下：

首先将伺服电机1的输入端和动力电源及超级电容连接，伺服电机1的输出端和大排量液压泵21的驱动端连接。

接着将大排量液压泵21的第一出油口和小排量液压泵22的进油口连接；将大排量液压泵21的第二出油口和回油口分别与三位四通电磁换向阀3的A口和B口连接，将小排量液压泵22的出油口和第一回油口分别与三位四通电磁换向阀3的P口和T口连接，将小排量液压泵22的第二回油口通过二位二通电磁换向阀4和蓄能器9的第一端连接。

然后将蓄能器9的第二端和第三端分别通过第一单向阀61和第二单向阀62与非对称缸10的有杆腔和无杆腔的进油口连接；将第一安全溢流阀51和第二安全溢流阀52分别并联在第一单向阀61和第二单向阀62的两端。

最后将第一压力传感器71和第二压力传感器72分别串联在非对称缸10的无杆腔和有杆腔的进油口处，将温度传感器8串联在大排量液压泵21和小排量液压泵22的卸油口处，将力传感器11和速度传感器12分别与非对称缸10的缸杆的安装端连接。

在建立完本实施例中挖掘机动臂的伺服泵控液压系统上，应用于本发明用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，具体实施过程是这样实现的：

S1、建立挖掘机动臂的泵马达四象限图：

S11、以非对称缸10的载荷力为横轴，非对称缸10的速度为纵轴建立泵马达四象限图的坐标轴。

S12、根据非对称缸10的速度和载荷力分别建立泵马达四象限图的四个象限。

S2、给定本实施例挖掘机动臂的运动控制器一指令，挖掘机动臂中非对称缸10的缸杆的出力与速度分别通过第一压力传感器71、第二压力传感器72和速度传感器12实时反馈到运动控制器中，根据运动控制器的处理结果，进行工况分析。

S21、若运动控制器处理结果为正值，则非对称缸10的运动方向和出力方向相同，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸10处于第一象限和第三象限时，为发电机工况。

S22、若运动控制器处理结果为负值，则非对称缸10的运动方向和出力方向相反，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸10处于第二象限和第四象限时，为电动机工况。

S3、根据本实施例中挖掘机动臂不同的工况，启动不同的能量调控方法。

S31、若为发电机工况，则启动能量回收，具体过程为：通过运动控制器使挖掘机动臂下降时的势能以载荷力作用在非对称缸10上，非对称缸10中有杆腔流出的油液依次进入到大排量液压泵21和小排量液压泵22中，并驱动大排量液压泵21和小排量液压泵22的转动，使大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在马达工况，进而带动伺服电机1转动将产生的电能储存在超级电容中；当超级电容储存的电能达到超级电容容量的80％时，达到能量回收的标准，并停止能量调控。

S32、若为电动机工况，则启动能量释放，具体过程为：通过运动控制器使动力电源释放电能从而带动伺服电机1转动，并驱动大排量液压泵21和小排量液压泵22转动，使大排量液压泵21和小排量液压泵22工作在泵工况，使大排量液压泵21和小排量液压泵22流出的油液进入到非对称缸10的无杆腔，进而带动挖掘机动臂上升。

本发明相比较于传统的挖掘机动臂阀控液压系统，解决了非对称缸10所带来的流量非对称问题，提高了伺服泵控系统的可靠性。同时，采用超级电容并结合能量调控方法，将挖掘机动臂下降时产生的势能经过液压系统先转化为液压能，最后转化为电能储存在超级电容中，并在挖掘机动臂对外做功时可以和动力电源一起为伺服泵控系统提供动力，在提高了能量回收与能量释放效率的同时延长了挖掘机动臂的工作时间。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，其包括伺服电机、大排量液压泵、小排量液压泵、三位四通电磁换向阀、二位二通电磁换向阀、安全溢流阀、单向阀、蓄能器、非对称缸、传感器和液压阀块，其特征在于，

所述伺服电机的输出端和所述大排量液压泵的驱动端连接，所述大排量液压泵的第一出油口和所述小排量液压泵的进油口连接；所述大排量液压泵的第二出油口和回油口分别与所述三位四通电磁换向阀的A口和B口连接，所述小排量液压泵的出油口和第一回油口分别与三位四通电磁换向阀的P口和T口连接，所述小排量液压泵的第二回油口通过二位二通电磁换向阀和所述蓄能器的第一端连接，当伺服泵控系统对外做功时，三位四通电磁换向阀和二位二通电磁换向阀的相互配合，实现在大排量液压泵和小排量液压泵同时向非对称缸的无杆腔供油和大排量液压泵向非对称缸的有杆腔供油中的切换，从而解决非对称缸的有杆腔和无杆腔因面积不同而产生的流量非对称；

所述溢流阀，其包括第一安全溢流阀和第二安全溢流阀，所述单向阀，其包括第一单向阀和第二单向阀，所述传感器，其包括第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、力传感器和速度传感器，所述蓄能器的第二端和第三端分别通过第一单向阀和第二单向阀与所述非对称缸的有杆腔和无杆腔的进油口连接；所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀分别并联在所述第一单向阀和所述第二单向阀的两端；所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别串联在所述非对称缸的无杆腔和有杆腔的进油口处，所述温度传感器位于所述大排量液压泵和所述小排量液压泵的卸油口处；所述力传感器和所述速度传感器分别与所述非对称缸的缸杆的安装端连接。

2.根据权利要求1所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，其特征在于，所述伺服电机、所述大排量液压泵和所述小排量液压泵组成动力模块，所述三位四通电磁换向阀和所述二位二通电磁换向阀组成串联泵切换模块，所述非对称缸组成执行机构模块，所述蓄能器、所述第一单向阀和所述第二单向阀组成补油模块，所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀组成安全溢流模块，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器组成压力温度检测模块，所述力传感器和所述速度传感器组成力与速度检测模块，所述超级电容和所述DC/DC转换器组成能量转换模块。

3.根据权利要求1或者2所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，其特征在于，所述三位四通电磁换向阀和所述二位二通电磁换向阀分别位于所述液压阀块的上表面的第一安装端和第二安装端，所述第一单向阀和所述第二单向阀分别位于所述液压阀块的上表面的第三安装端和第四安装端，所述温度传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别位于所述液压阀块的上表面的第五安装端、第六安装端和第七安装端。

4.根据权利要求1或者2所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，其特征在于，所述非对称缸位于所述液压阀块的前表面的安装端；所述蓄能器位于所述液压阀块的右表面的第一安装端，所述第一安全溢流阀和所述第二安全溢流阀分别位于所述液压阀块的右表面的第二安装端和第三安装端。

5.根据权利要求1所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统，其特征在于，所述伺服电机的驱动器的第一端通过DC/DC转换器和逆变器的第一端连接，所述逆变器的第二端和所述超级电容连接，所述伺服电机的驱动器的第二端和所述动力电源连接。

6.一种根据权利要求1-5之一所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

S1、建立挖掘机动臂的泵马达四象限图：

S11、以非对称缸的载荷力为横轴，非对称缸的速度为纵轴建立泵马达四象限图的坐标轴；

S12、根据非对称缸的速度和功率分别建立泵马达四象限图的四个象限；

当所述大排量液压泵和所述小排量液压泵工作在马达工况时，所述非对称缸的速度表达式为：

v₁＝(nV+q_L)/A

式中，A为非对称缸的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量；

当所述大排量液压泵和所述小排量液压泵工作在泵工况时，所述非对称缸的速度表达式为：

v₂＝(nV-q_L)/A

式中，A为非对称缸的作用面积，V为泵马达的额定排量，n为泵马达的转速，q_L为泵马达的泄漏流量；

所述非对称缸的功率表达式为：

P＝F·v

式中，F为作用在非对称缸上的载荷力，v为非对称缸的速度；

若非对称缸的有杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第一象限；

若非对称缸的无杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第二象限；

若非对称缸的无杆腔为高压腔，且输出功率，则确定为第三象限；

若非对称缸的有杆腔为高压腔，且输入功率，则确定为第四象限；

S2、给定挖掘机动臂的运动控制器一指令，挖掘机动臂中非对称缸的缸杆的出力与速度分别通过压力传感器和速度传感器实时反馈到运动控制器中，根据运动控制器的处理结果，进行工况分析：

若运动控制器处理结果为正值，则非对称缸的运动方向和出力方向相同，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸处于第一象限和第三象限时，为发电机工况；

若运动控制器处理结果为负值，则非对称缸的运动方向和出力方向相反，根据建立的泵马达四象限图，非对称缸处于第二象限和第四象限时，为电动机工况；

S3、根据不同的工况，启动不同的能量调控方法：

若为发电机工况，则启动能量回收，具体过程为：通过运动控制器使挖掘机动臂下降时的势能以载荷力作用在非对称缸上，非对称缸中有杆腔流出的油液依次进入到大排量液压泵和小排量液压泵中，并驱动大排量液压泵和小排量液压泵转动，使大排量液压泵和小排量液压泵工作在马达工况，进而带动伺服电机转动将产生的电能储存在超级电容中；当超级电容储存的电能达到超级电容容量的80％时，达到能量回收的标准，并停止能量调控；

若为电动机工况，则启动能量释放，具体过程为：通过运动控制器使动力电源释放电能从而带动伺服电机转动，并驱动大排量液压泵和小排量液压泵转动，使大排量液压泵和小排量液压泵工作在泵工况，使大排量液压泵和小排量液压泵流出的油液进入到非对称缸的无杆腔，进而带动挖掘机动臂上升。

7.根据权利要求6所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，其特征在于，在步骤S2中，在给定挖掘机动臂的运动控制器的指令后，需首先通过压力温度检测模块监测压力与温度是否正常，当压力温度检测模块监测压力与温度不正常时，则使伺服电机处于开环控制待机状态；当压力温度检测模块监测压力与温度正常时，则使伺服电机处于闭环控制待机状态。

8.根据权利要求6所述的用于挖掘机动臂的伺服泵控系统的能量调控方法，其特征在于，所述压力与温度不正常，其包括非对称缸的高压腔压力过高、非对称缸的低压腔压力过低和伺服泵控系统中油温过高或过低。

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