CN1982547A - 用于控制液压动力设备的减速的装置 - Google Patents

Abstract

一种由一液压致动器驱动的机件，当该液压致动器减速或停止时，该机件可能会振动或摆动。振动的程度是由机件遵循一减速指令的能力决定，该能力随着机件的位置和作用于其上的负荷力的变化而变化。为了减少这种振动，使用随机件的负荷而变化的一滤波函数，来对控制液压致动器运作的一指令进行滤波。施加在液压致动器上的负荷力则可通过由液压致动器引起的流体压力来表示。较佳地，滤波函数的频率随致动器负荷力而作相反地变化。

Description

用于控制液压动力设备的减速的装置

技术领域

本发明涉及诸如越野构造和农用车辆之类的液压动力设备，尤其涉及用于当设备上的一液压驱动件减速、停止或反向时减少振动或摆动的装置。

背景技术

参见图1，一反铲挖土机是一通常类型的移土设备，它具有一吊杆组件3，该吊杆组件3包括附连至一臂5的末端的一铲斗4，该臂5则又通过一吊杆6联接至一拖拉机7的车架。三个液压缸11形成独立运作的致动器来移动铲斗、臂和吊架。一枢转接头8允许吊架组件3相对于拖拉机7的后端左右摆动。一液压吊杆摆动缸9附连至拖拉机的一侧上的吊杆6，并提供摆动吊杆组件的驱动力。在较大的反铲挖土机上，一对液压缸附连至拖拉机7的相对的两侧上以摆动吊杆。液压流体通过由反铲挖土机操作者控制的阀门来供给至吊杆摆动缸9。

当吊杆沿一方向摆动时，加压的流体被引入吊杆摆动缸9的标示为“驱动室”的一个室中，且流体从被称为“排出室”的其它缸室排出。当吊杆沿相反的方向摆动时，颠倒了驱动室和排出室的标示。当操作者突然停止吊杆摆动时，惯性导致反铲挖土机的吊杆组件3沿先前指定的方向继续运动。惯性量由吊杆组件3的延伸部分的质量和在铲斗4中所运载的任何材料的质量决定。此由于惯性的连续运动压缩了在吊杆摆动缸9的先前的排出室中的液压流体，并可在先前的驱动缸室中产生气穴。通常在液压系统中提供抗气穴阀门来克服此问题。

因为液压缸的控制阀现在是闭合的，在先前的排出室中的压力最终增加至引起吊杆组件3的运动停止并沿相反的摆动方向反冲的一量级。该后来的运动产生了压力状态的一倒转，其中，吊杆摆动缸9的先前的驱动室变成加压的。当沿相反的摆动方向的吊杆运动在先前的驱动室中产生一足够高的压力时，发生了摆动运动的另一倒转。因此，吊杆组件的摆动振荡，直到通过其它的力所提供的固有阻尼最终使组件停止为止。这种现象通称为“回弹”或“摆动”，并增加了需要用来合适定位吊杆6的时间，从而不利地影响了设备生产率。这种摆动对于机器操作者来说也是令人不安的。当其它类型的液压驱动件停止时，会发生一类似的运动现象。

本质上，摆动表示了吊杆速度不能迅速地反应或跟随控制流动至摆动缸的流体的阀门的位置的变化。换句话说，当吊杆运动停止时，阀门关闭，然而作用在吊杆上的负荷力并不允许吊杆的速度减小得足够快。

已采用多种方法来使该摆动最小化。例如，美国专利第4757685号对于连接至摆动缸室的每个液压导管采用了一分离的减压阀，从而当在相关室中产生多余的压力时，排出流体至一液箱管线。从供给管线供给附加的流体通过组成阀，从而当摆动停止时消除液压缸中的气穴。

美国专利第5025626号描述了一缓冲摆动回路，该缓冲摆动回路也具有连接至用于吊杆摆动缸的液压缸管线的减压阀和补给阀。此回路还结合了一缓冲阀，该缓冲阀在一打开位置提供了诸液压缸液压管线之间的一流体通道。该通道包括一限流孔板。缓冲阀通过一弹簧弹性地偏置至关闭位置，当诸液压缸室的压力差超过一给定阈值时，一机构打开缓冲阀一段预定的时间。这些先前的解决方法都试图需要附加的阀和其它部件。

美国专利第6705079号描述了解决摆动问题的另一方法，其中，一传感器检测液压致动器中的压力。采用来自该传感器的此压力信号，来确定压力在液压致动器中变化的速率。在接收一停止指令之后，当压力的变化速率小于一限定的阈值时，诸如通过打开连接至液压致动器的一控制阀，来释放液压致动器中的压力。

然而，仍然希望提高吊杆速度对于阀门位置和至相关液压缸的流体的最终流动的变化所作出的响应度，尤其是提供一种用于减少摆动的简化机构。

发明内容

本方法控制一液压驱动机件的减速。连接至机件的一液压致动器的运动由一指令来标示，该指令可指定例如一所需速度。产生一参数值，该参数值表示机件运动对于施加至液压致动器的流体流动的变化作出响应的能力，该变化是由一控制流动的阀的位置变化所引起的。该能力由通过机件施加在液压致动器上的一负荷力的量级所代表，并尤其由来自液压致动器的流体压力来表示。该参数值用来构造施加至指令的一可变的滤波函数，从而产生一已滤波的指令，采用该已滤波的指令来控制流体流动至液压致动器。滤波函数控制了运动指令转到零以停止机件的速率，从而该指令并不比致动器和机件能运作的速率更快地关闭相关阀。

在控制方法的一个方面，采用作用在液压致动器上的负荷力的量级，来得到一滤波频率，该滤波频率限定了运动指令降到零的速率。滤波频率随负荷力的改变作相反的变化。然而，当负荷力的量级小于一第一阈值时，滤波频率较佳地设定为一预定的常数值。当负荷力的量级大于一第二阈值时，滤波频率还可设定为另一预定的常数值。

另一个方面是，利用一数字滤波器，在这种情况下，构造滤波器涉及确定一系列滤波系数。在较佳的实施例中，滤波系数对应于选定的滤波频率而得到。

附图说明

图1是结合本发明的一反铲挖土机的一侧视图；

图2是用于反铲挖土机的液压系统的一示意图；

图3是用于液压系统的一控制图；

图4图示地描绘了一滤波函数，该滤波函数施加至一反铲挖土机的吊杆摆动指令，以防止吊杆停止时摆动；以及

图5是实施滤波函数的一软件程序的一流程图。

具体实施方式

尽管本发明在文中描述成在如图1所示的一反铲挖土机上使用，但它还应用于其它类型的机器，其中，大惯性的机器功能元件附连至液压致动器，并呈现出可控性困难。

参见图2，反铲挖土机2的吊杆组件3的元件由一新颖的液压系统10来移动，该液压系统10包括诸如吊杆摆动缸9之类的液压致动器。该液压系统10具有一正排量泵12，该排量泵12由一电动机或发动机(未显示)驱动来从一液箱15抽吸流体，并供给加压流体至一供给导管14。一卸载阀17(诸如一相称的减压阀)连接于供给导管14和引向系统箱15的一液箱返回导管18之间。运作卸载阀17来调整供给导管14中的压力。在此描述的用于减少摆动的新颖技术还可实施于一液压系统上，该液压系统采用了一可变排量的泵或其它类型的液压致动器。

供给导管14和液箱返回导管18连接至反铲挖土机上的多个液压功能元件19和20。提供分离的液压功能元件用于摆动吊杆6、升起吊杆、移动臂5以及枢转铲斗4。详细显示了用于摆动吊杆的液压功能元件20，而其它的功能元件19具有类似的部件和运作方式。液压系统10是一分布型，其中，用于每个功能元件的阀门和用于运作那些阀门的控制电路设置成邻近相关的液压致动器。例如，那些用于控制吊杆摆动的部件设置成位于或靠近摆动缸9或枢转接头8。

在吊杆摆动功能元件20中，供给导管14连接至一阀门组件25的节点“s”，该阀门组件25还具有连接至液箱返回导管18的一节点“t”。阀门组件25包括一工作端节点“a”，该工作端节点“a”通过一第一液压导管30连接至吊杆摆动缸9的头室26，阀门组件25具有另一工作端节点“b”，该工作端节点“b”通过一第二导管32联接至吊杆摆动缸9的杆室27。四个电动液压比例(EHP)阀21、22、23和24控制了阀门组件25的诸节点之间的液压流体的流动，从而控制了流体流进流出吊杆摆动缸9。第一EHP阀21连接于节点“s”和“a”之间，并控制流体在供给导管14和吊杆摆动缸9的头室26之间流动。第二EHP阀22连接于节点“s”和“b”之间，并控制流体在供给导管14和液压缸杆室27之间流动。第三EHP阀23连接于节点“a”和“t”之间，并控制流体在头室26和返回导管18之间流动。第四EHP阀24连接于节点“b”和“t”之间，并控制流体在杆室27和返回导管18之间流动。

用于吊杆摆动功能元件20的液压组件还包括两个压力传感器36和38，这两个压力传感器36和38分别检测在吊杆摆动缸9的头室26内的压力Pa和在杆室27内的压力Pb。另一压力传感器40测量在节点“s”处的泵供给压力，同时压力传感器42检测在节点“t”处的返回导管压力Pr。压力传感器40和42可以并不在所有的液压功能元件上出现。

用于吊杆摆动功能元件20的压力传感器36、38、40和42给一功能元件控制器44提供输入信号，该功能元件控制器44产生运作四个电动液压比例阀21-24的信号。功能元件控制器44是一基于电路的计算机，该计算机从一计算机化的系统控制器46接收其它的输入信号，如同将要描述的一样。由功能元件控制器44执行的一软件程序响应那些输入信号，而产生可选择地以所需的量打开四个电动液压比例阀21-24的输出信号，从而适当地运作吊杆摆动缸9。

系统控制器46通过从操纵杆47接收操作者的输入信号并与功能元件控制器44和一压力控制器48交换信号，来管理液压系统的整个运作。在一通讯网络55上使用一传统的信息协议来在那些控制器之间交换信号。这使得用于液压系统10的控制功能元件能在不同的控制器44、45和48之中分布。

参见图3和吊杆摆动功能元件20，机器操作者操纵一操纵杆47来给出对于吊杆组件3所需的摆动。来自操纵杆47的输出信号施加至系统控制器46中的一映射程序的输入，该系统控制器46将表示操纵杆位置的信号转换成表示用于正控制的液压致动器的一所需速度的一信号。映射函数可以是线性的或具有其它所需的形状。映射程序可由一算数表达式来实现，该算数表达式在系统控制器46内通过计算机来解答，或者映射可由储存在系统控制器的内存中的一查找表来实现。映射程序50是一指示方向和速率的速度指令，希望摆动缸9以该速度来移动吊杆组件。

用于摆动缸9和其它液压致动器11的速度指令传送至一设定值程序62，该设定值程序62确定了用于供给导管14和返回导管18的所需压力。尤其，设定值程序62确定了每个功能元件19和20所需的一供给压力，并将那些压力中的最大压力选定为供给导管压力设定值Ps。该设定值程序还以一类似方式确定了一返回导管压力设定值Pr。将这些压力设定值Ps和Pr施加作为压力控制器48的输入，该压力控制器48还从在泵的出口处的一供给导管压力传感器49、一返回导管压力传感器51、以及一液箱压力传感器53中接收信号。压力控制器48响应那些输入，从而通过运作卸载阀17来调整供给导管压力，以及通过运作液箱控制阀16来控制返回导管压力，从而实现所需的设定值压力。

用于摆动缸9的速度指令也从映射程序50传送至相关的功能元件控制器44，在该功能元件控制器44中速度指令施加至一阀门打开程序56，该阀门打开程序56包括确定怎样运作组件25中的EHP阀21-24从而实现活塞杆43的指令速度的程序。由速度指令指示的摆动方向表示了EHP阀21-24中的哪两个阀被致动、以及为从摆动缸9传输流体的那些阀打开的量。尤其打开阀21和24来从摆动缸延伸活塞杆43，以及打开阀22和23来缩回活塞杆。

通过阀门打开程序利用了速度指令和测量压力(Pa、Pb、Pr、Ps)的量级来确定每个选定阀门打开的量，从而传输实现活塞28的所需速度所必要的流体流动量。美国专利第6775974号描述了阀门打开程序56的一个实施例。指示诸EHP阀21-24打开的量的最终信号供给至一系列阀门驱动器58，这些阀门驱动器58施加合适量级的电流来运作两个选定阀中的每一个。

阀门打开程序56包括减少吊杆组件3摆动的一软件程序，否则当摆动缸需要停止时可能发生该摆动。参见图2和3，假如反铲挖土机操作者已经沿一方向摆动吊杆组件3。在这种情况下，用于此机器运作的来自操纵杆47的信号指示了用于摆动动作的一所需速度。速度指令从系统控制器46传输至功能元件控制器44，该功能元件控制器44控制摆动液压缸9的运作。因此，功能元件控制器44产生打开第一和第四EHP阀21和24或者打开第二和第三EHP阀22和23的信号，这取决于摆动的方向。

当反铲挖土机操作者希望停止吊杆摆动时，松开操纵杆47并允许操纵杆47回到其中心、空档位置。在此位置，映射程序50产生一零速度指令，该零速度指令传输至功能元件控制器44用于摆动运作。假如功能元件控制器44简单地通过立即关闭阀来响应零速度指令，则一摆动可能发生，尤其是假如吊杆组件3具有一较大的惯性。然而，功能元件控制器44被编程来通过低通滤波速度指令减少摆动，从而控制EHP阀响应速度指令而关闭的速度。利用了一动态变化的滤波函数，从而摆动在较小和很大的负荷下都可以一可控方式减速。较佳地使用了一数字式二阶滤波函数。

为了使滤波在一广泛范围的负荷力下满意地实施，假如在液压缸室中增加的趋向于制动摆动的压力超出了一预定阈值，则禁止滤波。当这种情况发生时，低通滤波的频率减小至几乎一冻结态，该冻结态具有使EHP阀21-24保持在现有打开位置的作用。滤波和因此的EHP阀保持在“冻结态”，直到破坏液压缸室的压力下降至预定阈值以下为止，此时滤波再次启动并继续衰减至零。通过禁止滤波，当液压功能元件超过用于液压缸的一减压设置时，EHP阀的位置与活塞28的速度紧紧地联系在一起。换句话说，阀门只以机器系统会支持的一速度关闭。一个主要的优点是，这种解决摆动问题的方法并不需要任何用于液压系统10的附加部件，并且仅仅涉及对具有适当软件程序的功能元件控制器进行编程。

图4图示地描绘了在滤波频率和一负荷压力差(ΔPLOAD)之间的一关系方面的滤波函数，该负荷压力差是摆动缸9的两个室26和27之间的负荷压力差。那些液压缸室的压力由图2中的传感器36和38来测量。此压力差对应于吊杆组件3施加在摆动缸9上的负荷力，该负荷力则对应于吊杆运动对于流体流动中的变化的响应度，该流体流动由于相应控制阀的位置改变而施加至一液压致动器。如同将要描述的，滤波频率根据负荷压力差的变化而变化，如同图4中描绘的滤波函数所限定的一样。然而，应该理解，所述的滤波函数仅仅是示例的，可采用其它函数或断点而不脱离本发明的原理。在这点上，滤波频率的上限和下限分别被选定为1.1Hz和0.05Hz。将这些频率界限施加至该滤波函数，从而限定了两个压力差阈值。第一个是一下压力阈值ΔPLOAD1，在该下压力阈值之下，滤波频率保持恒定于最大滤波频率(FREQ MAX)。标示为ΔPLOAD2的第二压力阈值是一上阈限，在该上阈限之上滤波频率保持恒定最小频率(FREQ MIN)。对于第一和第二阈值之间的负荷压力差值，滤波频率如同由图中的曲线所标示的而变化。

参见图5，一旦接收了一速度指令，功能元件控制器44施加一抗摆动滤波程序70至那个指令。应该理解，将吊杆组件3沿一方向的摆动任意地限定为具有一正速度，而将沿相反方向的摆动标示为一负速度。必须知道摆动的方向，从而确定具有适当算数符号的一液压缸压力差值，用于由滤波函数在后续的计算中使用。滤波程序70在步骤71开始，在该步骤71，通过确定速度指令是否小于先前由滤波程序70产生的已滤波的速度指令，来确定现有摆动的方向。假如此关系为真，则程序执行分支至步骤72，在该步骤72，用摆动缸的头室26内的测量压力Pa的值减去杆室27内的测量压力Pb的值，从而产生一压力差值ΔPLOAD。否则，假如在步骤71内的表述为假，则程序执行分支至步骤74，在该步骤74，用于测量的杆室压力Pb减去测量的头室压力Pa，从而产生压力差值ΔPLOAD。

然后在步骤76，对刚计算的ΔPLOAD值是否小于第一或下部阈值ΔPLOAD1(见图4)作出判断。假如是那种情况，则程序执行分支至步骤78，在该步骤78，将用于抗摆动滤波频率(AWFREQ)的一值设定为最大滤波值(FREQ MAX)，例如为1.1Hz。然后程序执行跳至步骤86。然而，假如ΔPLOAD值不小于第一阈值，则程序执行前进至步骤80，在该步骤80，对该值是否大于第二或上部阈值ΔPLOAD2作出判断。在这个后面的情况下，程序执行分支至步骤82，在该步骤82，将抗摆动滤波频率(AWFREQ)设定为最小滤波值(FREQ MIN0)，例如为0.05Hz。此后，程序执行跳至步骤86。

然而，假如在步骤76或80的表述都不为真，即意味着ΔPLOAD值包含在两个压力差阈值之间，则程序执行前进至步骤84，来计算一滤波频率值。该频率由解出一系列的等式来产生，第一个等式产生了一标示为TEMP1的值，该值等于ΔPLOAD值减去第一阈值ΔPLOAD1。另一标示为TEMP2的值等于两个压力差阈值之间的差，并通过第二阈值ΔPLOAD2减去第一阈值ΔPLOAD1而得到。接着，通过用TEMP1除以TEMP2并将结果平方而计算出一比率(RATIO)。通过首先最小频率值(FREQ MIN)减去最大频率值(FREQ MAX)而产生一负值，然后该负值乘以先前计算的比率，从而产生一个临时频率值(FREQ TEMP)。在最后的计算步骤中，通过将最大频率(FREQ MAX)加上变量FREQ TEMP的负值，而产生抗摆动频率(AWFREQ)。然后，程序执行前进至步骤86。当液压致动器(例如摆动缸9)慢下来时，压力差ΔPLOAD变化，且步骤84以一相应的方式动态地改变了抗摆动频率(AWFREQ)，直到吊杆组件3停止为止。

一旦进入滤波函数68的步骤86，刚得到的抗摆动频率(AWFREQ)的值用来确定滤波函数的系数。较佳地，采用一个双二次数字滤波器来对速度指令进行滤波。双二次滤波器的滤波函数由以下表述给出：

$y\left(n\right)=\frac{B0*x\left(n\right)+B1*x(n-1)+B2*x(n-2)}{A1*y(n-1)+A2*y(n-2)}---\left(1\right)$

其中，y(n)是被称为一滤波速度指令的滤波函数输出，项目A1、A2、B0、B1和B2是滤波系数，x(n)是速度指令的当前值，x(n-1)和x(n-2)是速度指令的前两个值，以及y(n-1)和y(n-2)是滤波输出的前两个值。

滤波系数根据在图5中的步骤86提供的等式来限定。具体地，系数值A0由抗摆动频率(AWFREG)乘以一增益系数(GAIN)再加上一补偿值(OFFSET)来产生。然而，本领域普通技术人员应该会理解，不仅用于一双二次滤波器的滤波系数可以一其它的方式来确定，而且还可采用其它类型的滤波器和滤波函数来减少摆动作用。接着，在步骤88，确定的滤波系数通过传统的数字双二次滤波器从而构成该滤波。

然后在步骤90，将滤波函数施加至当前的速度指令，来产生已滤波的速度指令，通过图2中的阀门打开程序56来利用该已滤波的速度指令，从而产生用于运作四个电动液压阀21-24的信号。

因此，滤波程序根据反铲挖土机吊杆组件3施加在液压致动器即摆动缸9和活塞28上的负荷力来变化滤波频率。此频率变化与图4中图示描绘的滤波函数相一致，从而负荷力越大，滤波频率越低，因此阀门组件25对速度指令的变化作出的反应越慢。通过调节对于作用在摆动缸9上的负荷力的量级的滤波函数，优化了指令滤波。在较小的负荷力情况下，该情况产生一相当小量的惯性，则采用一较高的滤波频率。当负荷力和最终惯性增加时，滤波频率降低从而足以控制阀门组件25来使吊杆足够快地减速，从而避免摆动。

前面的描述主要指向本发明的一较佳实施例。尽管对于本发明范围内的多种选择给予了一些注意，但应该预期到，本领域普通技术人员将很可能意识到附加的选择，从本发明的实施例的公开中，这些附加的选择现在变得显而易见。因此，本发明的范围应该由下面的权利要求书来确定，而不被上面的内容所限制。

Claims (21)

1.一种用于控制一机件的运动的方法，该机件由施加至一连接至所述机件的液压致动器的流体驱动，所述方法包括：

产生一指令，该指令表示所述机件的所需运动；

产生一参数值，该参数值表示所述机件的所述运动对于施加至一液压致动器的所述流体的流动变化所作出的响应度；

构造一滤波函数，该滤波函数响应于所述参数值而变化；

施加所述滤波函数至所述指令，来产生一已滤波的指令；以及

响应所述已滤波的指令，来控制流动至所述液压致动器的流体流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数值对应于作用在所述液压致动器上的一负荷力的量级。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生一参数值包括：传感由作用在所述液压致动器上的所述机件引起的流体压力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液压致动器包括具有两个室的一液压缸；以及所述参数值是所述两个室中的压力之差的函数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构造一滤波函数包括：当所述参数值小于一阈值时，采用一常数滤波函数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构造一滤波函数包括：当所述参数值大于一阈值时，采用一常数滤波函数。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构造一滤波函数包括：得到响应于所述参数值而变化的一滤波频率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述滤波频率随所述参数值的一量级的改变作相反的变化。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加所述滤波函数采用了一双二次滤波函数。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加所述滤波函数控制了一速率，至所述液压致动器的所述流体流动响应于所述指令而以该速率变化。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制流动至所述液压致动器的流体流包括：运作一液压阀门组件。

12.一种用于控制由一液压致动器驱动的一机件的减速的方法，所述方法包括：

产生一速度指令，该速度指令表示用于所述液压致动器的一所需速度；

确定作用在所述液压致动器上的一负荷力的量级；

构造响应于所述负荷力的所述量级的一滤波器；

对所述速度指令进行滤波，来产生一已滤波的指令；以及

响应所述已滤波的指令，来控制流动至所述液压致动器的流体流。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，确定所述负荷力的所述量级包括：传感由作用在所述液压致动器上的所述负荷力引起的流体压力。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述液压致动器包括具有两个室的一液压缸；以及确定所述负荷力的所述量级包括确定所述两个室中的压力之差。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，构造一滤波器包括：得到响应于所述负荷力的所述量级而变化的一滤波频率。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，得到一滤波频率包括：当所述负荷力的所述量级小于一阈值时，将所述滤波频率设定为一预定的常数值。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，得到一滤波频率包括：当所述负荷力的所述量级大于一阈值时，将所述滤波频率设定为一预定的常数值。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，构造所述滤波器还包括：响应于所述负荷力的所述量级来限定一系列的滤波系数。

19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述滤波器包括一数字滤波器；以及构造所述滤波器包括响应于所述负荷力的所述量级来限定一系列的滤波系数。

20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对所述速度指令进行滤波采用一双二次滤波器。

21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对所述速度指令进行滤波控制了一速率，至所述液压致动器的所述流体流动响应于所述速度指令而以该速率变化。

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