WO2009067938A1 - Système et procédé de commande et de régulation de la vitesse d'une électrovanne hydraulique à débit proportionnel - Google Patents

Description

电液比例流量阀调速控制系统和方法

本申请要求于 2007 年 11 月 28 日提交中国专利局、 申请号为 200710168189.5、 发明名称为"电液比例流量阀调速控制系统和方法"的中国专 利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及液压系统流量控制技术领域，特别涉及一种电液比例流量阀调 速控制系统和方法。

背景技术

电液比例流量阀是一种输出量与输入信号成比例的液压阀。它可以按给定 的输入电信号连续地、 按比例地控制液流的压力、 流量和方向。 目前， 在利用 电液比例流量阀输出流量来控制液压执行元件（包括液压缸、 液压马达）动作 的过程中， 特别是控制液压执行元件的速度方面， 大多釆用了两种控制系统， 一种控制系统是对速度精度要求较低的场合， 控制系统釆用由 PWM调节技术 和人为粗略观测等组成的开环调速控制系统。图 1为上述开环控制系统示意图。 如图 1所示， 该开环控制系统包括 PWM产生装置 11、 电液比例流量阀 12、 液压 执行元件 13 , 该系统中利用人为视觉观测速度。 在控制速度的过程中， 因为对 控制品质的要求较低，人为视觉观测液压执行元件的速度， 由操作者手工调整 PWM占空比粗略调整执行机构速度以满足要求。 上述开环调速控制系统中， 系统控制通道品质较低， 液压执行元件的速度需要依赖人工的判断来进行调 整， 误差较大。

另一种是对速度精度要求较高的场合， 控制系统釆用由脉宽调制（ PWM ) 调节技术和传感器测量技术等组成的闭环调速控制系统。 图 2为上述闭环控制 系统示意图， 如图 2所示， 该闭环控制系统包括 PWM调节装置 21、 电液比例流 量阀 22、液压执行元件 23和速度测量装置 24。根据电液比例流量阃的工作原理， 流量与阀芯开口度之间具有特定的关系。而流过电液比例流量阀的阀芯线圈的 电流（以下简称阀芯电流）与阀芯开口度之间又具有特定关系， 通过所述电流 与阀芯开口度的关系， 就可以得到流量与电流的关系， 而电流与 PWM占空比 又存在一定的关系， 这样就可以导出 PWM占空比与流量的关系， 因此， 在控 制液压执行元件速度的过程中， 只需由 PWM调节装置 21调整 PWM占空比就可 以得到所需的流量，从而使液压执行元件 23产生相应的位移及速度，再由速度 检测装置 24将检测到的速度与给定速度相比较， 形成一个调速闭环控制系统。

由于受电源电压波动和阀芯线圈电阻值分布（单个阀芯线圈电阻值随温度 改变而发生变化， 不同阀芯线圈电阻值即使在同样温度下也不一致）等因素的 影响， 在 PWM占空比一定时， 电液比例流量阀阀芯电流的一致性不佳， 最终 使电液比例流量阀的流量及液压执行元件的速度控制受到干扰。由于上述因素 的影响， 闭环调速控制系统的前向通道控制品质不高， 需要依靠速度反馈通道 制基本理论可知， 对反馈通道高度依赖并且不釆用其他类型的补偿控制方式， 必然会影响到控制系统的动态响应品质和静态控制精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电液比例流量阀调速控制系统和 方法， 能够提高调速控制系统前向控制通道品质。

为解决上述问题， 本发明提供了一种电液比例流量阀调速控制系统， 包括 PWM调节装置、 电液比例流量阀和液压执行元件， 所述 PWM调节装置的 PWM信号驱动电液比例流量阀并驱动液压执行元件动作， 所述系统还包括位 移速度测量模块、 电液比例流量阀特性测量模块和前馈控制模块， 所述位移速 度测量模块对所述液压执行元件的位移或速度进行测量并将结果送至所述电 液比例流量阃特性测量模块，所述电液比例流量阃特性测量模块对电液比例流 量阀的最小动作电流、最大动作电流和液压执行元件的最大速度进行测量， 并 将测量结果传输至前馈控制模块， 所述前馈控制模块利用所述测量结果， 生成 所述液压执行元件的运动速度与阀芯电流的对应关系，按照所述对应关系， 所 述前馈控制模块将与给定速度值对应的阀芯电流值输入到所述 PWM调节装 置驱动电液比例流量阀工作。

所述速度测量模块将测得的所述液压执行元件的运动速度与系统给定速 度进行比较获得速度误差信号。

所述系统还包括电流调节模块， 用于对所述速度误差信号进行调整， 并输 入到所述 PWM调节装置。

所述系统还包括阀芯电流检测模块，所述阀芯电流检测装置与所述电液比 例流量阀的阀芯线圈相连，与所述 PWM调节装置一起形成阀芯电流反馈控制 回路。

相应地， 本发明还提供了一种电液比例流量阀调速控制方法， 包括： 测量液压执行元件的最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流 和最小动作电流；

利用所述最大动作速度、电液比例流量阀的最大动作电流和最小动作电流 获得液压执行元件的运动速度与阀芯电流之间的对应关系；

通过所述对应关系获取系统给定速度所对应的阀芯电流；

利用与系统给定速度所对应的阀芯电流驱动阀芯电流控制回路。

所述测量为在线或离线测量。

与现有技术相比， 本发明具有以下优点：

本发明的电液比例流量阀调速控制系统通过运用阀芯电流反馈和基于电 液比例流量阀特性离线测量的前馈控制方法，对调速控制系统进行内环电流补 偿和速度前馈控制，大幅度提高了调速控制系统前向通道的响应品质和控制精 度， 减小了速度反馈通道的调节量， 从而达到了提高闭环控制品质的目的。

另一方面， 由于开环控制系统中引入离线测量的前馈控制模块，使得液压 执行元件的运动速度与阀芯电流的对应关系可以确定，进而在进行执行机构速 度控制时， 将系统的给定速度值作为前馈控制信号直接换算为阀芯电流给定 值， 输入到阀芯电流反馈控制回路， 驱动电液比例流量阀工作。 因此， 在速度 精度要求较低的场合， 开环调速控制系统的控制品质得到提高。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明 ,本发明的上述及其 它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部 分。

图 1为现有技术中开环控制系统示意图；

图 2为现有技术中闭环控制系统示意图；

图 3为根据本发明第一实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图； 图 4为电液比例流量阀的阀芯电流与流量间的关系曲线图；

图 5 为液压执行元件的速度与电液比例流量阀的阀芯电流之间的关系曲 线图；

图 6为液压执行元件的最小动作电流测量过程示意图；

图 7为液压执行元件的最大动作电流测量过程示意图；

图 8为根据本发明第二实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图； 图 9为根据本发明第三实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。 具体实施方式

为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图对 本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明 能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背 本发明内涵的情况下做类似推广。 因此本发明不受下面公开的具体实施的限 制。

图 3为根据本发明第一实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如 图 3所示，根据本发明实施例的电液比例流量阀调速控制系统包括 PWM调节 装置 34、 电液比例流量阀 35 以及阀芯电流检测装置 36, 电液比例流量阀 35 的阀芯线圈与阀芯电流检测装置 36相连，与 PWM调节装置 34—起形成阀芯 电流反馈控制回路。 PWM调节装置 34的基本形式是电液比例流量阀等效电 感加等效电阻， 并联续流二极管， 经大功率三极管或场效应管连接到电源， PWM信号控制三极管或场效应管的导通与截至， 使得电液比例流量阀线圈的 电压波形为周期一定、脉冲宽度可调的矩形波， 由于脉冲周期远小于液压系统 的响应周期，以及结合电液比例流量阀的工作原理，电液比例流量阀的流量（对 应于液压执行元件的运动速度）只响应阀芯电流的平均值。 阀芯电流检测装置 36将检测到的阀芯电流与阀芯给定电流相比较， 比较的差值通过 PWM调节 装置 34转换为具有相应占空比的 PWM输出信号， 形成驱动电液比例流量阀 35 的阀芯电流， 对给定电流值进行跟随， 从而能够抑制电源电压波动和阀芯 电阻值分布不均匀等因素对阀芯电流的影响。

本发明的电液比例流量阃调速控制系统还包括电液比例流量阃特性测量 模块 32,位移速度测量模块 38以及前馈控制模块 31。位移和速度参数的性质 相同， 以下仅以速度为例进行说明。 位移速度测量模块 38对液压执行元件 37 的速度或位移等参数进行测量， 将结果送至电液比例流量阀特性测量模块 32。 电液比例流量阀特性测量模块 32对电液比例流量阀的最小动作电流 Imin、 最 大动作电流 Imax以及液压执行元件的最大速度 MaxSpeed进行离线测量， 并 将测量结果传输至前馈控制模块 31。 前馈控制模块 31利用电液比例流量阀特 性测量模块 32的测试结果， 生成液压执行元件的运动速度与阀芯电流的对应 关系数据库列表。在进行执行机构速度控制时，将系统的给定速度值作为前馈 控制信号直接换算为阀芯电流给定值， 输入到阀芯电流反馈控制回路， 驱动电 液比例流量阀工作。

从控制理论的角度来看， 由于该控制作用来自速度闭环以外，且绕过速度 闭环的速度给定点， 直接加到速度控制回路以内， 属于前馈控制方式。 由于该 控制作用的存在， 在进行调速控制时， 在不存在速度反馈的情况下， 液压执行 元件的速度也能实现对给定速度的较好跟踪，其控制品质远高于图 2所示的系 统。 在存在速度反馈的情况下， 较之未釆用本前馈控制方法的系统， 图 3中所 示的"速度控制误差"将大为缩小， 从而显著减轻速度闭环的反馈调节负担， 大 幅度提高速度控制的控制精度和动态品质。

在本发明的电液比例流量阀调速控制系统中还包括电流调节模块 33 , 系 统给定速度信号与位移速度测量模块 38 输出的速度信号在比较器中进行比 较， 得到的速度控制误差信号输入电流调节模块 33。 电流调节模块 33对速度 控制误差信号进行控制运算后，与前馈控制信号混合输入到阀芯电流反馈控制 回路。 电流调节模块 33作为前馈控制作用的补充， 能够进一步提高系统控制 精度。

本发明的电液比例流量阀调速控制系统的关键点在于利用前馈控制方式， 该前馈控制能够降低对闭环速度控制回路的依赖，从而提高速度控制的控制精 度。釆用前馈控制方式的基础在于获得阀芯电流与液压执行元件的速度之间的 对应关系曲线。 居流量型电液比例流量阀的工作原理， 电液比例流量阀的流 量对应于执行机构动作速度， 一定的阀芯电流对应的流量由以下三个参数决 定： 一、 阀芯最小动作电流 Imin, 阀芯电流达到该值时电液比例流量阀中开 始有微小流量， 执行元件开始微动， 小于此值则无流量； 二、 阀芯最大动作电 流 Imax , 阀芯电流达到该值时阀芯刚好开启到最大， 继续增加阀芯电流也不 能增大流量， 而从该值开始减小阀芯电流时则可以相应减小流量； 三、 执行元 件的最大速度 Maxspeed, 该值对应于电液比例流量阀最大流量 Maxflow。

根据液压执行元件的工作原理 ,液压执行元件的动作速度与电液比例流量 阀的流量成比例关系， 而才艮据电液比例流量阀的特性， 电液比例流量阀流量与 阀芯电流从 Imin到 Imax之间的关系如图 4中的曲线所示，那么通过测量最大 流量 Maxflow下所对应的液压执行元件最大速度 Maxspeed ,以及 Imin和 Imax , 便可以推导出如图 5 所示的液压执行元件的速度与电液比例流量阀的阀芯电 流之间的对应关系。

图 5所示的阀芯电流在 Imin至 Imax的范围内与执行元件速度对应关系曲 线有很强的实用意义。 如图 5所示， 在从 Imin到 Imax的范围内， 电液比例流 量阀阀芯电流与液压执行元件的运动速度之间成线性关系，获得此线性关系曲 线， 就可得知液压执行元件速度与电液比例流量阀阀芯电流的对应关系曲线， 进而得出液压执行元件速度与电液比例流量阀阀芯电流的对应关系曲线方程 公式。 将该公式内置于前馈控制模块 31 , 则可通过给定速度值在前馈控制模 块 31的内置公式中直接计算出对应的电液比例流量阀阀芯电流， 利用该阀芯 电流直接驱动 PWM调节装置 34和电液比例流量阀 35 , 从而无须依赖速度反 馈就能够较为精确的控制液压执行元件的速度。

本发明的电液比例流量阀调速控制系统中的电液比例流量阀特性测量模 块 32是离线工作模块，也就是说， 电液比例流量阀特性测量模块 32对电液比 例流量阀的 Imin、 Imax和 Maxspeed特性测试和正常的调速控制在时间上是分 开进行的。

图 6为液压执行元件的最小动作电流测量过程示意图。如图 6所示， 首先 执行步骤 601 , 预设最小动作电流 Imin 为一最小动作电流的经验值， 例如 290mA, 这样做的目的是可以在经验值附近较快速地捕捉到最小动作电流,并 预设电液比例流量阀阀芯电流的取值区域 〔 LowLimit, HighLimit〕 为 〔lmA,999mA〕 ， 实际的电液比例流量阀阀芯电流均不会超出此范围。 输出 Imin值的电液比例流量阀阀芯电流驱动液压系统工作一段时间 ,如： 30秒（步 骤 602 ) ; 期间连续测量液压执行元件的位移或速度， 判断其有无动作（步骤 603 ) 。 如果有动作， 则可断定电液比例流量阀阀芯最小动作电流不会大于当 前 Imin值， 将取值区域中的 HighLimit值调整为当前 Imin值（步骤 604 )； 反 之将 LowLimit调整为当前 Imin值（步骤 605 )。接着判断 HighLimit与 LowLimit 是否足够接近， 例如： 其差值小于或等于 1mA (步骤 607 )； 如果足够小， 则 将 Imin的当前值设置为最小动作电流值， 最小动作电流离线测量结束（步骤 608 ) ； 否则调整 Imin的值（步骤 606 ) , 从预设的最小电流经验值开始， 以 固定的电流差值（该差值可称之为步长， 例如 16mA )做递增或递减搜索， 当 确定最小动作电流应该在某一段步长内时，再在此段步长内取中间值循环进行 搜索， 缩小阀芯电流取值区域， 直至取值区域足够小为止。

图 7为液压执行元件的最大动作电流测量过程示意图。如图 7所示， 首先 将电液比例流量阀阀芯线圈所能承受的最大额定电流值设置为阀芯的最大动 作电流值（步骤 701 ) , 该电流值必然大于实际的阀芯最大动作电流值。 然后 利用该最大电流值驱动液压系统工作（步骤 702 ) 。 接着判断是否进行最大速 度 MaxSpeed测试（步骤 704 ),若是则进行液压执行元件的最大速度 MaxSpeed 测试， 接着减小电液比例流量阀阀芯电流（步骤 703 ) 。 阀芯电流的减小量取 值方法可以是在最大速度测试刚完成后可取一较大值，使阀芯电流突降到最大 动作电流附近， 在其它实施例中， 阀芯电流的减小量可以取一较小值， 例如 20mA。 速度测试完成后可以得到与该阀芯电流值相对应的速度 Speed值（步 骤 705 ) 。 接着判断该 Speed是否明显小于最大速度 MaxSpeed, 例如小于 MaxSpeed值的 0.8倍（步骤 707 ) , 如果是， 则记录此刻的速度 Speed值和阀 芯电流值 Imax'。 根据线性方程式：

Imax = Imin+ ( Imax'- Imin ) * MaxSpeed/Speed

求解出最大动作电流 Imax (步骤 708 ) , 测试完成。 否则继续减小电液比例流 量阀阀芯电流（步骤 706 ) , 进行新一轮速度测试， 直至条件成立。

图 8为根据本发明第二实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如 图 8所示，本实施例的电液比例流量阀调速控制系统与上述图 3所示的电液比 例流量阀调速控制系统的区别在于去掉了电流调节模块 33 , 液压执行元件的 速度和给定速度之间的速度控制误差直接输入前馈控制信号混合。虽然省去了 电流调节模块 33 , 但在精度要求不是非常高的应用场合， 主要依靠本发明的 前馈控制功能依然能够满足控制精度要求。 图 9为根据本发明第三实施例的电液比例流量阀调速控制系统示意图。如 图 9所示，在本实施例的电液比例流量阀调速控制系统中， 与图 3所示的电液 比例流量阀调速控制系统的区别在于去掉了阀芯电流检测模块 36 , 使之成为 具有前馈控制作用的单闭环电液比例流量阀调速控制系统，区别于图 3所示的 具备电流和位移（速度）两个闭环系统的双闭环系统。 通过前馈控制方式的控 制效果增强， 即使是单闭环控制系统也能够达到比较高的控制精度。

本发明的电液比例流量阀调速控制系统的电液比例流量阀特性测量模块 32、 前馈控制模块 31、 电流调节模块均可使用软件实现。

本发明的电液比例流量阀调速控制系统通过运用阀芯电流反馈和基于电 液比例流量阀特性离线测量的前馈控制方法，对调速控制系统进行内环电流补 偿和速度前馈控制，大幅度提高了调速控制系统前向通道的响应品质和控制精 度， 减小了速度反馈通道的调节量， 从而达到了提高闭环控制品质的目的。 特 别地，在需要多个执行机构协调动作的场合，提供了一种提高协调控制品质的 途径。例如在臂架类工程机械的臂架末端运动控制系统中， 需要多节臂架一起 协调动作， 是多个调速控制系统的叠加， 这就要求每节臂架的速度都能得到精 确控制， 同时响应速度要尽量快， 通过上述控制系统能够较好地实现此功能。

一般而言， 通过一段时间的工作， 电液比例流量阀各特性参数值均会有所 变化，此时可以通过执行一次电液比例流量阀特性测量模块快速测定新的参数 值， 以恢复和提高系统控制品质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的 限制。 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明。 任何 熟悉本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述 揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰 ,或修改 为等同变化的等效实施例。 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本 发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰， 均仍属 于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

权 利 要 求

1、 一种电液比例流量阀调速控制系统， 包括 PWM调节装置、 电液比例 流量阀和液压执行元件 , 所述 PWM调节装置的 PWM信号驱动电液比例流量 阀并驱动液压执行元件动作， 所述系统还包括位移速度测量模块、 电液比例流 量阀特性测量模块和前馈控制模块，所述位移速度测量模块对所述液压执行元 件的位移或速度进行测量并将结果送至所述电液比例流量阃特性测量模块，所 述电液比例流量阀特性测量模块对电液比例流量阀的最小动作电流、最大动作 电流和液压执行元件的最大速度进行测量， 并将测量结果传输至前馈控制模 块， 所述前馈控制模块利用所述测量结果， 生成所述液压执行元件的运动速度 与阀芯电流的对应关系，按照所述对应关系， 所述前馈控制模块将与给定速度 值对应的阀芯电流值输入到所述 PWM调节装置驱动电液比例流量阀工作。

2、 如权利要求 1所述的控制系统， 其特征在于： 所述速度测量模块将测 得的所述液压执行元件的运动速度与系统给定速度进行比较获得速度误差信 号。

3、 如权利要求 2所述的控制系统， 其特征在于： 所述系统还包括电流调 节模块， 用于对所述速度误差信号进行调整， 并输入到所述 PWM调节装置。

4、 如权利要求 1所述的控制系统， 其特征在于： 所述系统还包括阀芯电 流检测模块， 所述阀芯电流检测装置与所述电液比例流量阀的阀芯线圈相连， 与所述 PWM调节装置一起形成阀芯电流反馈控制回路。

5、 一种电液比例流量阀调速控制方法， 包括：

测量液压执行元件的最大动作速度、电液比例流量阀的阀芯最大动作电流 和最小动作电流；

利用所述最大动作速度、电液比例流量阀的最大动作电流和最小动作电流 获得液压执行元件的运动速度与阀芯电流之间的对应关系；

通过所述对应关系获取系统给定速度所对应的阀芯电流；

利用与系统给定速度所对应的阀芯电流驱动阀芯电流控制回路。

6、 如权利要求 5所述的控制方法， 其特征在于： 所述测量为在线或离线 测量。