CN209818444U - 一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，包括液压缸、两套对称设置的伺服驱动装置、位移传感器和用于分配输出的运动控制单元，两套所述伺服驱动装置分别连接到所述液压缸的入口和出口，所述位移传感器连接所述液压缸的活塞以获得位移信息，所述位移传感器连接所述运动控制单元，所述运动控制单元连接两套所述伺服驱动装置构成闭环控制回路，本实用新型的响应性很高，速度控制范围大，活塞的控制性好，任何速度和负载下都可以对位置进行双向调整，保证消除位置偏差，并且可以通过直流并联进行再生能量回收，也进一步节省能源。

Description

一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统

技术领域

本实用新型涉及液压控制技术领域，特别是一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统。

背景技术

液压是工业上应用非常广泛的传动技术，尤其在直线运动领域，以其重载、平顺、耐冲击、耐用可靠等优越性能，在金属成型、橡塑机械、重型机床等领域普遍应用。

在直线运动的位置控制性能方面，传统的液压传动技术存在很大的缺陷和局限性：

首先在定点定位技术方面，传统的方法是到达目标位置前减速，然后低速顶住机械挡块，或到达目标位置后切断流量停止，存在如下缺陷：1.用机械挡块停止液压缸运动，则只能停留在一个位置且撞击噪声需要进行控制，2.到达目标位置后切断液压泵的流量，由于无法提供制动力矩，液压泵的负载实际上是活动停止的，会因多种工作因素影响而导致停止位置不可控，3.采用高-低速位置控制，系统必须保留一个较长的低速运动距离，定位时间较长；

另外在位置闭环控制方面，采用下面的几种方式均有一定的缺点：1.采用方向阀切换油泵正反转方向，由于方向阀的切换时间很慢，因此控制的精度和响应性极差，2.采用伺服阀，通过动态调整油缸进出流量的比例，实现油缸的双向流量控制和位置控制，但是设备成本高昂且大型机械无法应用，3.油路全封闭液压缸，由定量泵的正反转推动油泵的正反向移动，但是液压回路必须封闭，油泵、电机等部件不能用于其他液压回路，并且液压回路很难做到完全对称和封闭，由于定量泵存在一定的内泄漏，在低转速时位置控制的响应性和精度都比较低。

因此，高精度、高响应性的直线位置控制基本都无法应用液压技术，而采用丝杆、同步皮带、齿轮-齿条等机械传动方式，但大型、重载、恶劣环境的运动控制也是以上机械传动难以实现或成本昂贵的，这方面存在着技术和应用需求的空白。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，在保持液压重载、可靠耐用的优点的前提下，实现双向全闭环的位置控制技术，满足高精度和高响应的要求，而且和伺服阀技术相比还大大降低能耗。

本实用新型解决其问题所采用的技术方案是：

一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，包括液压缸、第一伺服驱动装置、第二伺服驱动装置、位移传感器和用于分配输出的运动控制单元，所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置分别连接到所述液压缸的入口和出口，所述位移传感器连接所述液压缸的活塞以获得位移信息，所述位移传感器连接所述运动控制单元，所述运动控制单元连接所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置。

进一步，所述第一伺服驱动装置包括第一伺服驱动器、第一伺服电机和第一定量泵，所述第一伺服驱动器、第一伺服电机和第一定量泵依次连接，所述第二伺服驱动装置包括第二伺服驱动器、第二伺服电机和第二定量泵，所述第二伺服驱动器、第二伺服电机和第二定量泵依次连接，所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器均连接到所述运动控制单元，所述第一定量泵和第二定量泵分别连接到所述液压缸的入口和出口。

进一步，所述第一伺服驱动装置还包括第一压力传感器，所述第二伺服驱动装置还包括第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述第一定量泵的输出口，所述第二压力传感器设置在所述第二定量泵的输出口，所述第一压力传感器和第二压力传感器均连接到所述运动控制单元。

进一步，所述运动控制单元包括转矩分配单元，所述转矩分配单元输出两路，分别连接到所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器。

进一步，所述运动控制单元包括位置环PID和速度环PID、用于接收目标位置值的输入接口和用于输出转矩指令的输出接口，所述输入接口、位置环PID、速度环PID和输出接口依次连接，所述位移传感器的输出分别连接到所述位置环PID和速度环PID。

本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：在液压缸的活塞两侧均输出压力，并结合位移传感器实时反馈的位置和速度信息，构成闭环的控制回路，通过所述运动控制单元可以实现电气精确控制，首先，本实用新型实施例的动力来源是两个伺服驱动装置，响应性很高，速度控制范围大，所述运动控制单元直接控制液压缸活塞两端的压力，活塞的控制性好，任何速度和负载下都可以对位置进行双向调整，保证消除位置偏差；相对于伺服阀而言，本实用新型的实施例由于没有溢流损耗，因此能耗大大降低，同时拖动和制动两套伺服驱动器可以通过直流并联进行再生能量回收，也进一步节省能源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型实施例的结构连接示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。

第一方面，参照图1，本实用新型的一个实施例提供了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，包括液压缸100、第一伺服驱动装置、第二伺服驱动装置、位移传感器200和用于分配输出的运动控制单元300，所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置分别连接到所述液压缸100的入口和出口，所述位移传感器200连接所述液压缸100的活塞以获得位移信息，所述位移传感器200连接所述运动控制单元300，所述运动控制单元300连接所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置。

本实施例中在液压缸100的活塞两侧分别连接所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置，相当于两套伺服驱动装置同时对活塞输出压力，而在控制方面，由所述位移传感器200获取活塞的速度信息和位置信息，将其反馈到所述运动控制单元300，所述运动控制单元300根据外部输入的目标位置与所述位移传感器200反馈的信息作比较，得到偏差信息从而控制所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置的输出压力，进而影响所述液压缸100的活塞的运动状态，因此从整体上看本实施例构成了一个闭环控制的液压回路，实现了液压缸100的直线位置闭环控制。其中所述运动控制单元300是电器控制部分，对输入的目标位置数值和所述位移传感器200反馈的数值具有PID功能，并且由于存在两套伺服驱动装置，所述运动控制单元300的输出端实际上有两个，由于两套伺服驱动装置的转矩控制量很可能不一样，因此所述运动控制单元300内部具有转矩分配功能，从而实现不同的压力输出，因此通过调整转矩分配的两组输出量的大小可实现对液压缸100的活塞的输出力的方向和大小的控制，从而实现对液压缸100的动态位置控制。

基于上一实施例，本实用新型的另一实施例提供了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，所述第一伺服驱动装置包括第一伺服驱动器410、第一伺服电机420和第一定量泵430，所述第一伺服驱动器410、第一伺服电机420和第一定量泵430依次连接，所述第二伺服驱动装置包括第二伺服驱动器510、第二伺服电机520和第二定量泵530，所述第二伺服驱动器510、第二伺服电机520和第二定量泵530依次连接，所述第一伺服驱动器410和第二伺服驱动器510均连接到所述运动控制单元300，所述第一定量泵430和第二定量泵530分别连接到所述液压缸100的入口和出口。

本实施例中两套伺服驱动机构均包含了伺服驱动器、伺服电机和定量泵，采用伺服电机可以使系统的响应性更高，同时相比于伺服阀，伺服电机-定量泵组合的转速和转矩的调节范围更大，克服了在传统技术中采用伺服阀无法应用于大型机械领域的问题。本实施例中，所述第一定量泵430和第二定量泵530作为压力输出端接入到所述液压缸100的活塞两侧，根据伺服电机的控制提供压力输出，这里所述第一定量泵430和第二定量泵530选用内泄漏很小的齿轮泵、螺杆泵、柱塞泵等，由于这些类型泵的内泄漏小，因此可以用伺服电机本身的速度反馈装置作为系统的速度反馈装置。本实施例的必要的管路、油箱、压力保护装置等由于和位置控制关系不大，在附图中略去以简化表示。

基于上一实施例，本实用新型的另一实施例提供了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，所述第一伺服驱动装置还包括第一压力传感器，所述第二伺服驱动装置还包括第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述第一定量泵430的输出口，所述第二压力传感器设置在所述第二定量泵530的输出口，所述第一压力传感器和第二压力传感器均连接到所述运动控制单元300。

本实施例中，为了实现高精度的压力控制，增加压力传感器在定量泵出口处，相当于两套伺服驱动装置均具有压力反馈功能，构成液压控制回路，由于所述运动控制单元300是电气控制部分，所述第一压力传感器和第二压力传感器将压力值信息反馈到所述运动控制单元300，从而由所述运动控制单元300自动控制输出压力的参数。

优选地，本实用新型的另一实施例提供了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，所述运动控制单元300包括转矩分配单元，所述转矩分配单元输出两路，分别连接到所述第一伺服驱动器410和第二伺服驱动器510。

本实施例中所述转矩分配单元实际上是根据所述位移传感器200反馈的信息而将不同转矩指令送至两套伺服驱动装置的芯片或电路，所述转矩分配单元在技术实现上，只要给出目标位置和当前所述液压缸100的活塞的位置和速度等闭环控制参数，加上预先设置好的伺服驱动装置或伺服驱动器的放大倍数、压力响应等数值进行计算，即可计算出两组转矩指令，相当于自动调节和分配转矩，在实际控制方式上，由于活塞两侧都是正向压力，因此输入转矩指令的对象可以只给其中一套伺服驱动装置，即可控制活塞的合成输出力，当然也可以同时输入到两套伺服驱动装置。

基于上一实施例，本实用新型实施例提供了另一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，所述运动控制单元300包括位置环PID和速度环PID、用于接收目标位置值的输入接口和用于输出转矩指令的输出接口，所述输入接口、位置环PID、速度环PID和输出接口依次连接，所述位移传感器200的输出分别连接到所述位置环PID和速度环PID。

本实施例指明电气控制部分的闭环情况，基于位置环PID和速度环PID计算需要调整的转矩输出，其中所述输入接口可以是来自于控制台或工程终端，所述输出接口对应转矩输出的转矩分配单元，并且连接到所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置。实际上，由于存在所述位置环PID和速度环PID，因此所述位移传感器200输出的位置信息和速度信息需要分别送到所述位置环PID和速度环PID，根据微积分运动原理，位移是速度积分的结果，因此对位移的控制是通过对位置偏差进行PID调整，然后通过控制速度实现对位置的控制，同样，速度是转矩积分的结果，对速度的控制是通过对速度偏差进行PID调整，然后通过控制转矩输出实现对速度的控制；在连接关系上，位置信息和目标位置参数经过位置环PID，得到速度指令，然后速度指令和速度信息经过速度环PID，得到转矩指令，最后发送到所述输出接口，因此本实施例是一个双重闭环的自动控制系统。

参照图1，本实用新型的一个实施例提供了一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，包括液压缸100、第一伺服驱动装置、第二伺服驱动装置、位移传感器200和用于分配输出的运动控制单元300，下面对每个模块进行说明并带出模块之间的连接关系：

所述运动控制单元300包括位置环PID和速度环PID、用于接收目标位置值的输入接口、用于输出转矩指令的输出接口和转矩分配单元，所述输入接口、位置环PID、速度环PID、输出接口和转矩分配单元依次连接，所述转矩分配单元分出两路分别连接到所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置。

所述第一伺服驱动装置包括第一伺服驱动器410、第一伺服电机420、第一压力传感器和第一定量泵430，所述第一伺服驱动器410、第一伺服电机420和第一定量泵430依次连接，所述第二伺服驱动装置包括第二伺服驱动器510、第二伺服电机520、第二压力传感器和第二定量泵530，所述第二伺服驱动器510、第二伺服电机520和第二定量泵530依次连接，所述第一定量泵430和第二定量泵530分别连接到所述液压缸100的入口和出口，所述第一压力传感器设置在所述第一定量泵430的输出口，所述第二压力传感器设置在所述第二定量泵530的输出口，所述第一伺服驱动器410、第二伺服驱动器510、所述第一压力传感器和第二压力传感器均连接到所述运动控制单元300。

特别地，本实施例中的所述第一定量泵430和第二定量泵530，选用内泄漏很小的齿轮泵、螺杆泵、柱塞泵等，由于泵的内泄漏小，因此可以用伺服电机本身的速度反馈装置作为系统的速度反馈装置。

所述位移传感器200连接所述液压缸100的活塞以获得位移信息，所述位移传感器200的输出分别连接到所述位置环PID和速度环PID，因此本系统整体构成一个闭环回路，其中电气部分的所述运动控制单元300，在连接关系上，位置信息和目标位置参数经过位置环PID，得到速度指令，然后速度指令和速度信息经过速度环PID，得到转矩指令并发送到所述输出接口，最后由所述转矩分配单元将转矩指令分配到所述第一伺服驱动器410和/或第二伺服驱动器510。

液压系统必要的管路、油箱、压力保护装置等由于和位置控制关系不大，在附图中省略不作表示，仅给出连接关系。

本实施例给出了基于两套伺服驱动装置的活塞直线运动系统，根据所述位移传感器200反馈的位置信息和速度信息构成闭环控制，能够实时控制和调整所述液压缸100的活塞的运动状态，本实施例最大的特点在于所述第一伺服驱动器410和第二伺服驱动器510均同时向活塞的两侧输出正向压力，并且采用伺服电机而非技术上比较成熟伺服阀来适应大型机械运动，其中活塞两侧线性压力合成，能够避免传统液压缸100在零速阶段和即将到达目标位置的低速阶段出现的由微小流量带来的活塞的运动状态不可控的情况，这些情况造成控制精度下降和响应性变差，本实用新型实施例采用双向压力输出可以有效抵消微小的不可控运动，也由于这种两侧压力方向可调的构造，本实施例同时实现了方向阀切换的功能，即能够通过控制所述运动控制单元300使液压缸100的活塞向正反两侧运动，完全避免了传统的方向阀切换慢的问题，另一方面，由于采用伺服电机-定量泵的结构，和伺服阀相比，本实用新型实施例响应性比较高，并且转速和转矩的调节范围更大，适应大流量需求，因此可以应用于大型机械运动并且成本低廉，同时由于没有溢流损耗，因此能耗大大降低，同时拖动和制动两套伺服驱动器可以通过直流并联进行再生能量回收，也进一步节省能源。

参照图1，一种基于双向进压调节的液压缸位置控制方法，基于上述一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其应用的各个部件或配件，均在上述实施例中示出，在本实施例中将按照上述实施例的构成直接应用，因此，本实施例的方法包括以下步骤：

所述输入接口作为输入端，接收位移传感器200的反馈信息和液压缸100的活塞的目标位置参数；其中所述位移传感器200的反馈信息包括所述液压缸100的位置信息和速度信息；

所述输入接口经过所述位置环PID和速度环PID将反馈信息与目标位置参数进行对照和处理，生成转矩指令；

所述转矩分配单元接收上述的转矩指令，将转矩指令分配到分别连接着液压缸100的入口和出口的所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置，使所述液压缸100的活塞作直线运动；

所述位移传感器200测出所述液压缸100的活塞运动状态并反馈回所述输入端构成闭环回路，直到液压缸100的活塞达到目标位置。

其中，在上述方法步骤中，转矩指令的输出量为两组大于零的模拟量，所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置均由转矩指令控制输出正向压力，正向压力转矩具有最小值P₀，两者的压力之差构成液压缸100的活塞的合成输出力。

本实施例中，在不施加额外转矩指令的情况下，所述液压缸100的活塞两侧是大小相等，方向相反的两个压力，因此能够保持活塞静止，此时，通过调整所述转矩分配单元的两组输出量的大小可实现对液压缸100活塞输出力的方向和大小的控制，相当于打破活塞两侧力的平衡，从而实现对液压缸100的动态位置控制。

本实施例中因避免抽真空而设定最小的正向压力值，因此在活塞的合成力的计算上，按照如下方式进行计算：

当P_t>0，P_t1＝(P_t+P₀)/K1，P_t2＝P₀/K2，

当P_t<0，P_t2＝(-P_t+P₀)/K2，P_t1＝P₀/K1，

其中P_t是转矩分配单元输入到任一伺服驱动装置的转矩指令，P_t1是第一伺服驱动装置的等效转矩指令，K1是第一伺服驱动装置的放大倍数，P_t2是第二伺服驱动装置的等效转矩指令，K2是第二伺服驱动装置的放大倍数，因此最终在液压缸100的活塞上合成力F表示为：

F＝P_t1*K1-P_t2*K2；

由上式可知，本实施例中采用了转矩分配单元进行单侧输入转矩指令的工作方式，因为两套伺服驱动装置的其中一个是没有P_t参与的，因此该侧就仅仅是输出最小值P₀，因此总的合成力就是由另一侧决定了，无论P_t的方向和大小如何，最终系统都能在液压缸100上产生线性的控制输出。

本实施例是上述一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统的工作方法，在整体系统的优点的基础上，还具有如下优点：

采用伺服电机进行液压缸100双向控制，因此液压缸100和回路元件的内泄漏，以及油温高低甚至液压油的清洁度对系统性能的影响不大，这点相对伺服阀系统是很大的优势。另一方面，本实用新型实施例采用了两套定量泵-伺服电机-伺服驱动器组合，虽然在结构上相对复杂，但是根据使用方法，如通过液压回路的切换，在液压缸100输出无需位置控制的情形下，其中一套组合可以用于其他用途，因此更加灵活。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其特征在于：包括液压缸、第一伺服驱动装置、第二伺服驱动装置、位移传感器和用于分配输出的运动控制单元，所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置分别连接到所述液压缸的入口和出口，所述位移传感器连接所述液压缸的活塞以获得位移信息，所述位移传感器连接所述运动控制单元，所述运动控制单元连接所述第一伺服驱动装置和第二伺服驱动装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其特征在于：所述第一伺服驱动装置包括第一伺服驱动器、第一伺服电机和第一定量泵，所述第一伺服驱动器、第一伺服电机和第一定量泵依次连接，所述第二伺服驱动装置包括第二伺服驱动器、第二伺服电机和第二定量泵，所述第二伺服驱动器、第二伺服电机和第二定量泵依次连接，所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器均连接到所述运动控制单元，所述第一定量泵和第二定量泵分别连接到所述液压缸的入口和出口。

3.根据权利要求2所述的一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其特征在于：所述第一伺服驱动装置还包括第一压力传感器，所述第二伺服驱动装置还包括第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述第一定量泵的输出口，所述第二压力传感器设置在所述第二定量泵的输出口，所述第一压力传感器和第二压力传感器均连接到所述运动控制单元。

4.根据权利要求2所述的一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其特征在于：所述运动控制单元包括转矩分配单元，所述转矩分配单元输出两路，分别连接到所述第一伺服驱动器和第二伺服驱动器。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于双向进压调节的液压缸位置控制系统，其特征在于：所述运动控制单元包括位置环PID和速度环PID、用于接收目标位置值的输入接口和用于输出转矩指令的输出接口，所述输入接口、位置环PID、速度环PID和输出接口依次连接，所述位移传感器的输出分别连接到所述位置环PID和速度环PID。