一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構及工作方法與流程

2023-05-30 21:53:06 1

本發明涉及液壓伺服機構，尤其涉及一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構及工作方法。

背景技術：

液壓伺服機構屬於位置伺服控制系統的一種，廣泛應用於機械工業、航空航天等領域中，需要大功率、大輸出力、大輸出力矩、調速範圍較寬的場合。具有功率大、無極變速、響應快等優點。

一般的液壓伺服機構包括液壓能源、作動(液壓缸或液壓馬達)、位置檢測等幾大部分，存在著結構複雜、體積大、效率低、易洩露等問題，在對體積重量、效率等要求嚴格的場合的應用受到極大限制。

目前的液壓伺服機構，除了個別只需簡單作動的機構使用泵控缸方案，一般使用閥控缸，以期獲得更好的可控性，其液壓能源一般使用恆壓變量泵或者定量泵，恆壓變量泵的缺點在於成本高、體積較大、壽命較短，定量泵的缺點在於壓力不能調節，只能使用溢流閥、調壓閥等附加閥件實現，導致效率低；同時，由於系統壓力較高，容易造成液壓油滲漏，導致對環境的汙染，這些缺點限制了常規的液壓伺服機構在對空間重量、效率要求嚴格的場合的應用。

因此迫切需要有效降低液壓伺服機構的系統能耗及整體體積、重量的方法。

技術實現要素：

鑑於上述的分析，本發明旨在提供一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構及工作方法，用以解決現有技術中存在的問題。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

基於本發明實施例的一個方面，本發明實施例提供了一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構，包括控制器、油濾、位置傳感器、無刷直流電動機、定量泵、增壓活塞、伺服閥和油缸；

其中，控制器分別與位置傳感器和伺服閥連接，位置傳感器與油缸活塞杆連接，控制器中電機驅動電路與無刷直流電動機相連，電機與定量泵機械連接，油濾安裝在定量泵輸出口，增壓活塞與低壓油路連接，伺服閥與油缸組成閥控缸系統。

在基於本發明的另一個實施例中，閥控缸系統中，壓力油經所述伺服閥的輸出口進入油缸，推動油缸活塞杆作直線位移。

在基於本發明的另一個實施例中，位置傳感器與所述油缸活塞杆相連，獲取油缸活塞杆的位置信號，傳輸給所述控制器。

在基於本發明的另一個實施例中，還包括溢流閥，所述溢流閥用於當系統壓力升高至超過設計值時使多餘流量回流至低壓油路，具體包括端蓋、O型圈、閥體、錐閥、彈簧、螺堵。

基於本發明實施例的另一個方面，本發明實施例提供了一種電機調速的變壓變量型液壓伺服機構的工作方法，包括以下步驟：

S1、對伺服機構進行系統初始化；

S2、控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞杆的當前位置信號的差值轉換為伺服閥控制電流，控制伺服閥工作；同時控制器根據誤差信號，控制電機轉速，進一步控制定量泵輸出流量變化，從而調整系統壓力；驅動油缸活塞杆；

S3、向控制器輸入新的目標位置信號，所述控制器根據新的目標位置信號和位置傳感器油缸活塞杆的位置信號的差值，再次控制伺服閥和電機驅動油缸活塞杆；

S4、循環執行上述步驟S2到S3，使油缸活塞杆往復運動。

在基於本發明的另一個實施例中，步驟S2進一步包括：

S21、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值控制伺服閥與電機驅動油缸活塞杆加快運動速度快速接近所述目標位置；

S22、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與電機驅動油缸活塞杆減速直至穩定在所述目標位置。

在基於本發明的另一個實施例中，步驟S3進一步包括：

S31、控制器根據油缸活塞杆的位置與新的目標位置的差值控制伺服閥與電機驅動油缸活塞杆加快運動速度快速接近所述新的目標位置；

S32、控制器根據油缸活塞杆的位置與新的目標位置的差值進一步控制伺服閥與電機驅動油缸活塞杆減速直至穩定在所述新的目標位置。

在基於本發明的另一個實施例中，步驟S21進一步包括：

S211、所述控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量加大，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸活塞杆運動；

S212、所述控制器根據內嵌的控制策略，驅動電機提高轉速，定量泵輸出流量加大，提高系統壓力，使所述油缸活塞杆位置快速接近目標位置。

在基於本發明的另一個實施例中，步驟S22進一步包括：

S221、所述控制器輸出的伺服閥控制伺服閥作動，輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩定在目標位置；

S222、所述控制器內嵌的控制策略控制電機降低轉速，定量泵輸出流量下降，系統壓力隨之下降，直至可以維持油缸活塞杆靜止；

S223、所述控制器內嵌的控制策略控制電機轉速維持在一定數值，使定量泵輸出流量等於伺服閥內漏流量。

在基於本發明的另一個實施例中，還包括：

當所述控制器驅動所述電機以最高轉速旋轉時，所述定量泵輸出流量達到最大值，油缸作動需要之外的多餘流量，使系統壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多餘流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統壓力回落、維持在設計值。

本發明有益效果如下：

1.減少滲漏:根據油缸所受外力，動態調節系統壓力，使伺服機構工作時，長時間處於低壓工作狀態，有利於減少滲漏。

2.降低功耗:較低的系統壓力可以直接降低伺服機構的功耗。

3.降低成本:常規伺服機構中需要昂貴的液壓器件實現的功能，使用比較廉價的電子元器件組成、內嵌軟體的控制器實現，可以降低成本。

本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。圖1為一種電機調速的變壓變量型液壓伺服機構伺服機構的結構示意圖；

圖2為溢流閥組成示意圖；

圖3為一種電機調速的變壓變量型液壓伺服機構伺服機構的工作方法流程圖。

附圖標記：

101-控制器、102-油濾、103-位置傳感器、104-無刷直流電動機、105-定量泵、106-溢流閥、107-增壓活塞、108-伺服閥、109-油缸；

201-端蓋、202-O型圈、203-閥芯、204-O型圈、205-閥體、206-錐閥、207-彈簧、208-螺堵。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理。

根據本發明的一個具體實施例，公開了一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構，包括控制器、油濾、位置傳感器、無刷直流電動機、定量泵、溢流閥、增壓活塞、伺服閥和油缸；

其中，控制器分別與位置傳感器和伺服閥連接，位置傳感器與油缸活塞杆連接，控制器中電機驅動電路與無刷直流電動機相連，電機與定量泵機械連接，油濾安裝在定量泵輸出口，溢流閥安裝在油道靠近定量泵輸出口位置，增壓活塞與低壓油路連接，伺服閥與油缸組成了一個閥控缸系統，在閥控缸系統中，壓力油經伺服閥閥套開口處進入所述油缸,油壓推動所述油缸活塞作直線位移。

具體地，其中伺服閥為三位四通型伺服閥，油缸為雙向對稱油缸，伺服閥的A、B輸出口分別與油缸兩端相連。

溢流閥，如圖2所示，包括端蓋、O型圈、閥體、錐閥、彈簧、螺堵，通過旋轉螺堵，調節彈簧的壓縮量，設置預置的洩流壓力。溢流閥的設計最大洩流量略低於定量泵最大輸出流量。當系統壓力過高，溢流閥開啟，高壓油洩露到低壓油路；反之關斷。具體地，當A腔壓力大於額定系統壓力Ps時，溢流閥打開，液壓油洩露至B腔，系統壓力下降至低於Ps後，溢流閥關斷。

定量泵可承受壓力為設計額定系統壓力1.5倍以上，確保在系統壓力突然升高而溢流閥尚未開啟時，定量泵的結構不會因為衝擊而出現破損。

其中，油濾安裝在定量泵輸出口，用於避免多餘物進入高壓油路；

其中，增壓活塞與低壓油路連接，通過彈簧預壓緊力，使低壓油路產生一定的壓力，滿足定量泵吸油要求；

伺服閥的額定工作壓力PsN等於額定系統壓力。同時，本方案必須獲取伺服閥可靠工作壓力Ps1的參數，作為系統最低壓力設計值。

伺服閥與油缸組成了一個閥控缸系統，具體地，其中伺服閥為三位四通型伺服閥，油缸為雙向對稱油缸，伺服閥的A、B輸出口分別與油缸兩端相連，伺服機構為位置閉環反饋系統，工作步驟如下：

S1、對伺服機構進行系統初始化。

S2、控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞杆的當前位置信號的差值轉換為伺服閥控制電流，控制伺服閥工作；同時控制器根據誤差信號，控制電機轉速，進一步控制定量泵輸出流量變化，從而調整系統壓力；驅動油缸活塞杆。

進一步，控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞杆的當前位置信號的差值在轉換之前先放大。

具體地，採用經典PID算法，計算出電機控制用PWM信號佔空比，電機驅動電路根據PWM信號佔空比驅動電機轉動按一定的轉速旋轉；電機轉速改變控制定量泵輸出流量變化，從而調整系統壓力；具體地，電機轉速的改變，使定量泵輸出流量變化，從而使系統壓力升高或者降低，為閥控缸提供液壓能源。

S21、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值控制伺服閥與控制電機驅動油缸活塞杆加快運動速度快速接近目標位置。

以伺服閥為主控制油缸的作動，當目標位置信號與當前位置信號之間誤差較大，一般在超過系統允許位置誤差兩倍以上時，意味著油缸所受阻力較大或輸出位置距目標位置較遠，控制器內嵌的控制策略運算輸出大的控制參數，控制器驅動電機提高轉速，定量泵輸出流量加大，提高系統壓力以提高油缸輸出力同時加快油缸運動速度。

當控制器驅動電機以最高轉速旋轉時，定量泵輸出流量達到最大值，為閥控缸提供高壓液壓能源，油缸作動需要之外的多餘流量，會使系統壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多餘流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統壓力回落、維持在設計值，控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量最大，在伺服閥控制電流控制下，伺服閥工作，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸中活塞杆運動；使油缸的輸出位置快速接近目標位置；隨著活塞杆的運動，位置傳感器的輸出信號變化，作為當前位置信號傳輸至控制器；同時，活塞杆也是伺服機構的作動零件，向外輸出力。

S22、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與控制電機驅動油缸活塞杆減速直至穩定在目標位置。

當前位置信號接近目標位置時，兩種信號之間誤差變小，控制器輸出的伺服閥控制電流變小，直至為零，伺服閥輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩定在目標位置，在此過程中，電機的轉速也隨之受控降低，定量泵輸出流量下降，系統壓力隨之下降，直至可以維持油缸靜止；此後，電機轉速維持在一定數值，使定量泵輸出流量等於伺服閥內漏流量，此時系統壓力維持，油缸輸出力等於外負載，機構可以維持穩定狀態。

例如，目標位置在油缸頂部，油缸活塞杆當前位置在油缸底部，則油缸活塞杆需要移動到油缸頂部。

S3、向控制器輸入新的目標位置信號，控制器根據目標位置指令信號和位置傳感器油缸活塞杆的位置信號的差值，再次控制伺服閥、控制電機驅動油缸活塞杆；

S31、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值控制伺服閥與控制電機驅動油缸活塞杆加快運動速度快速接近新的目標位置。

以伺服閥為主控制油缸的作動，當目標位置信號與當前位置信號之間誤差較大，一般在超過系統允許位置誤差兩倍以上時，意味著油缸所受阻力較大或輸出位置距目標位置較遠，控制器內嵌的控制策略運算輸出大的控制參數，控制器驅動電機提高轉速，定量泵輸出流量加大，提高系統壓力以提高油缸輸出力同時加快油缸運動速度。

當控制器驅動電機以最高轉速旋轉時，定量泵輸出流量達到最大值，為閥控缸提供高壓液壓能源，油缸作動需要之外的多餘流量，會使系統壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多餘流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統壓力回落、維持在設計值，控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量最大，在伺服閥控制電流控制下，伺服閥工作，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸中活塞杆運動；使油缸的輸出位置快速接近新的目標位置；隨著活塞杆的運動，位置傳感器的輸出信號變化，作為當前位置信號傳輸至控制器；同時，活塞杆也是伺服機構的作動零件，向外輸出力。

S32、控制器根據油缸活塞杆的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與控制電機驅動油缸活塞杆減速直至穩定在新的目標位置。

當前位置信號接近新的目標位置時，兩種信號之間誤差變小，控制器輸出的伺服閥控制電流變小，直至為零，伺服閥輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩定在新的目標位置，在此過程中，電機的轉速也隨之受控降低，定量泵輸出流量下降，系統壓力隨之下降，直至可以維持油缸靜止；此後，電機轉速維持在一定數值，使定量泵輸出流量等於伺服閥內漏流量，此時系統壓力維持，油缸輸出力等於外負載，機構可以維持穩定狀態。

例如，油缸活塞杆當前位置在油缸頂部，新的目標位置在油缸底部，則油缸活塞杆需要移動到油缸底部。

S4、循環執行上述步驟S2到S3，使油缸液壓杆往復運動。

有益效果：

1)減少滲漏:根據油缸所受外力，動態調節系統壓力，使伺服機構工作時，長時間處於低壓工作狀態，有利於減少滲漏。

2)降低功耗:較低的系統壓力可以直接降低伺服機構的功耗。

3)降低成本:常規伺服機構中需要昂貴的液壓器件實現的功能，使用比較廉價的電子元器件組成、內嵌軟體的控制器實現，可以降低成本

綜上所述，本發明實施例提供了一種基於電機調速的變壓變量型液壓伺服機構。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。