起重機微動控制系統的製作方法
2023-06-02 00:17:41
起重機微動控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種起重機微動控制系統，包括：壓力傳感器，設置在液壓馬達的測壓接口上以第一時間間隔周期性地向壓力比較器發送實時測量的液壓馬達壓力值；壓力比較器，計算液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值與當前接收到的液壓馬達壓力值之間的差值；PID控制器，根據接收到的差值計算電流增加坡度值；電流控制單元，利用電流增加坡度值和預先設定的控制電流值產生逐步增加的控制電流，並將產生的控制電流提供給液壓泵。本實用新型從補償整個液壓控制迴路洩漏的角度出發進行微動控制，避免液壓馬達出現衝擊、抖動或下滑等問題。
【專利說明】起重機微動控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及起重機控制領域，特別涉及一種起重機微動控制系統。
【背景技術】
[0002]目前越來越多的起重機在動作控制上採用電控方式，即使用電控手柄、電磁比例閥、控制器等來控制液壓泵、液壓馬達等液壓機構的動作執行，手柄的開度對應控制電流的上下限。在簡化系統的同時，也帶來一些控制上的問題，微動控制就是其中之一。本文中的微動控制，指控制手柄在微開口，即剛離開死區範圍時，對液壓系統的控制。此外，由於起重機中液壓馬達一般驅動卷揚，因此重點以卷揚為例。
[0003]微動控制最常出現的問題為卷揚衝擊、卷揚抖動、卷揚反轉、死區過大以及耗時過長(2-3s)等，造成以上現象的主要原因是液壓泵的控制電流和制動開關沒有合理匹配於液壓迴路的容積，即液壓迴路的洩漏DQ，它受工作壓力、液壓系統摩擦間隙、液壓油粘度以及泵的轉速影響。
[0004]根據液壓馬達的力矩公式:T = PXV，其中T為液壓馬達輸出扭矩，P為其壓力，V是其排量。當負載一定時，外部所需扭矩維持不變，且制動時V不變，因此手柄微開口時，影響微動控制效果的只有P。因此處理好P和DQ的關係是微動控制的關鍵。
[0005]針對微動控制，目前應用在起重機的一種技術方案是通過增加壓力補償裝置，進行液壓馬達的洩漏補償。該方案液壓系統除液壓泵、液壓馬達、制動器等提升系統外，需要將一個壓力傳感器布置在制動器和液壓馬達之間，並將壓力補償裝置與液壓馬達相聯。
[0006]具體的方法為:首先記錄上一次液壓馬達停止前的瞬間壓力值，然後計算出馬達實際驅動所需要的理論壓力值，兩者相減即得到壓力設定值。因此只要在下一次馬達動作時，將壓力補償裝置的輸出壓力調節至壓力設定值，並提供給液壓馬達，使其容積內產生上述的壓力設定值，就可以實現馬達的平穩運行，而手柄位置對應的電流上下限是固定的。
[0007]現有技術通過增加壓力補償裝置進行液壓馬達的洩漏補償的方法仍然具有諸多缺點:
[0008]1、現有技術方案的出發點在於補償因制動器制動液壓馬達的過程中所損失的壓力，使下一次啟動時液壓馬達的壓力從補償壓力設定值開始往上增加。整個液壓迴路中，液壓泵、液壓閥、液壓馬達以及油路等都存在少量洩漏，而且洩漏受工作壓力、轉速等影響，因此在工作壓力大或低轉速時，整個控制迴路都存在相對較大的洩漏。因此單從液壓馬達上進行補償，手柄微開口時控制電流還是在下限，不能在工作壓力大的時候實現精確的控制，從而會出現微動控制的耗時較長。
[0009]2、馬達理論壓力值通過計算進行確定。液壓系統本身存在各種機械損耗和功率損耗，且在不同工作壓力、轉速、溫度時，甚至起重機工作地面的坡度都有影響，因此即使計算公式考慮到這些影響因素，仍然難以完全反映實際情況，會造成給予的理論壓力值並不準確，進而產生偏差。而且補償壓力設定值的控制結構並沒有形成閉環，也就無法進行修正，存在進一步擴大補償壓力偏差的可能。
[0010]3、該方案沒有考慮到發動機轉速對液壓控制迴路的影響。由於發動機轉速與液壓泵轉速成正比，液壓泵排量相同時，較大的轉速會使液壓泵輸出更多的流量，此時即使液壓泵瞬間打開較小的排量，也可能會造成液壓馬達的衝擊。
[0011]4、該方案的實現需要添加壓力補償裝置。因此需要在液壓組件上重新設計，並且需要給予其所需的安裝空間，這就相應的提高了成本與安裝要求。同時，由於多了一重控制環節，也就多了一個故障點。並且在補償裝置工作時，它會一直進行輸出壓力，並且自身也存在洩漏與損耗，那麼也會造成能源浪費。
實用新型內容
[0012]本實用新型要解決的技術問題是提供一種起重機微動控制系統。本實用新型從補償整個液壓控制迴路洩漏的角度出發進行微動控制，避免液壓馬達出現衝擊、抖動或下滑等問題。
[0013]根據本實用新型的一個方面，提供一種起重機微動控制系統，包括:液壓馬達、壓力傳感器、檢測單元、壓力比較器、PID控制器、電流控制單元、液壓泵，其中:
[0014]所述壓力傳感器設置在所述液壓馬達的測壓接口上，所述壓力傳感器包括記憶模塊；所述壓力比較器分別與所述壓力傳感器和所述檢測單元連接；所述壓力比較器、所述PID控制器、所述電流控制單元、所述液壓泵和所述液壓馬達依次連接；
[0015]所述壓力傳感器以第一時間間隔周期性地向壓力比較器發送實時測量的液壓馬達壓力值，其中所述記憶模塊記憶液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值；所述檢測單元檢測手柄是否超過死區範圍；所述壓力比較器在所述檢測單元檢測到手柄超過死區範圍時，將液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值與當前接收到的液壓馬達壓力值之間的差值發送給所述PID控制器；所述PID控制器接收所述差值，並向所述電流控制單元發送控制電流下限值和電流增加坡度值；所述電流控制單元將控制電流提供給所述液壓泵；所述液壓泵調整液壓馬達的輸入流量。
[0016]優選的，所述系統還包括顯示器，其中，所述顯示器分別與所述電流控制單元和所述壓力比較器連接。
[0017]本實用新型通過在液壓馬達處設置一個壓力傳感器，以液壓馬達的壓力為基準來控制液壓泵的電流值，對整個液壓控制迴路的洩漏進行補償，自然就會屏蔽掉其他液壓件的洩漏影響，使得整個系統的響應速度更快；同時本實用新型使用閉環控制完成微動控制，平穩可靠，避免產生衝擊和振蕩現象。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本實用新型起重機微動控制系統一個實施例的示意圖。
[0020]圖2為本實用新型起重機微動控制系統另一實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本實用新型及其應用或使用的任何限制。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0022]除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本實用新型的範圍。
[0023]同時，應當明白，為了便於描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸並不是按照實際的比例關係繪製的。
[0024]對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。
[0025]在這裡示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。
[0026]應注意到:相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。
[0027]圖1為本實用新型起重機微動控制系統的示意圖。圖1所示的起重機微動控制系統包括設置在液壓馬達101的測壓接口上的壓力傳感器102、檢測單元103、壓力比較器104、PID (Proport1n Integrat1n Differentiat1n,比例-積分-微分)控制器 105、電流控制單元106、液壓泵107，其中:
[0028]壓力傳感器102，用於當液壓馬達101啟動時，以第一時間間隔周期性地向壓力比較器104發送實時測量的液壓馬達壓力值。
[0029]檢測單元103，用於檢測手柄是否超過死區範圍。
[0030]壓力比較器104，用於當檢測單元103檢測到手柄超過死區範圍時，計算液壓馬達101在上次停止前的瞬間壓力值Pm與當前接收到的液壓馬達壓力值P之間的差值，並將差值發送給PID控制器105。
[0031]PID控制器105，用於根據接收到的差值判斷所述瞬時壓力值Pm是否大於當前接收到的液壓馬達壓力值P ;當所述瞬時壓力值Pm小於或等於當前接收到的液壓馬達壓力值P時，指示電流控制單元106將預先設定的控制電流值Itl作為控制電流下限值Imin提供給液壓泵107 ;當所述瞬時壓力值Pm大於當前接收到的液壓馬達壓力值P時，利用所述差值確定電流增加坡度值Ik，將電流增加坡度值Ik發送給電流控制單元106，其中電流增加坡度值Ik隨所述差值的減小而減小。
[0032]電流控制單元106，用於根據PID控制器的指示，將預先設定的控制電流值Ici作為控制電流下限值Imin提供給液壓泵107 ;還用於利用從PID控制器接收的電流增加坡度值Ik和預先設定的控制電流值Itl產生逐步增加的控制電流，並將產生的控制電流提供給液壓泵107。
[0033]液壓泵107，用於根據接收到的控制電流調整液壓馬達101的輸入流量。
[0034]基於本實用新型上述實施例提供的起重機微動控制系統，通過液壓馬達的壓力為基準來控制液壓泵的電流值，對整個液壓控制迴路的洩漏進行補償，自然就會屏蔽掉其他液壓件的洩漏影響，使得整個系統的響應速度更快；僅需在液壓馬達處設置一個壓力傳感器就能夠實現很好的微動控制，這在成本、故障排查、安裝、系統能源等方面都是非常有利的；以實時壓力和上次記憶壓力進行比較，不存在理論計算所引入的偏差；同時本實用新型使用閉環控制完成微動控制，平穩可靠，避免產生衝擊和振蕩現象。
[0035]優選的，壓力傳感器102可以包括一個記憶模塊，用於記憶液壓馬達101在上次停止前的瞬間壓力值Pm。
[0036]優選的，所述系統中，PID控制器105還可以用於在執行利用所述差值確定電流增加坡度值Ik，將電流增加坡度值Ik發送給電流控制單元106的操作之後，在根據接收到的差值判斷所述瞬時壓力值？111等於當前接收到的液壓馬達壓力值P時，指示電流控制單元106維持當前的控制電流值不變，並將當前的控制電流值作為控制電流下限Imin提供給液壓泵107。
[0037]優選的，所述系統中，PID控制器105還可以用於在手柄回到死區範圍時，指示電流控制單元106將預先設定的控制電流值Itl作為控制電流下限Imin提供給液壓泵107。
[0038]優選的，所述系統中，電流控制單元106可以利用公式I1 = IfIci得到當前的控制電流I1 ;將當前的控制電流I1提供給液壓泵107 ;經過第二時間間隔後，將當前的控制電流I1作為Itl,執行利用公式I1 = Ik+Ic)得到當前的控制電流Il的操作。
[0039]優選的，所述系統中，第二時間間隔小於第一時間間隔，第一時間間隔是壓力測量時間間隔，第二時間間隔是利用電流增加坡度值Ik計算控制電流的時間間隔。
[0040]優選的，所述系統中，第一時間間隔和第二時間間隔均可以在10-50ms之間。在一個優選實施例中，第一時間間隔為20ms，第二時間間隔為10ms。
[0041]優選的，所述系統中，PID控制器105可以利用所述差值確定電流增加坡度值Ik ；而後利用公式Ik』 = IkXNmin/N計算電流增加坡度值Ik的修正值Ik』，其中N為當前液壓馬達的轉速，Nfflin為液壓馬達的怠速；而後將所述修正值Ik』發送給電流控制單元106。
[0042]其中，Ik的修正值Ik』的計算公式Ik』 = IkXNmin/N的推倒過程為:
[0043]根據液壓泵的流量計算公式q = vXn，其中q為液壓泵的輸出流量，V為液壓泵的排量，η為液壓泵的轉速；
[0044]考慮到發動機轉速和液壓泵轉速關係滿足公式n = NXk，其中N為發動機的轉速，k為發動機轉速和液壓泵轉速的轉速比，可以得到q = vXNXk,即當液壓泵的排量不變時，若發動機轉速發生變化，那麼液壓泵的流量也會發生變化；
[0045]考慮到液壓控制迴路中的壓力和液壓泵流量有直接關係，為了消除發動機轉速的影響，因此以發動機怠速Nmin作為基準，對液壓泵的排量進行如下的改變:q = (vXNfflin/N) XNXk，即在原來的電流坡度值Ik基礎上，按照公式Ik』 = IkXNmin/N進行修正。
[0046]基於本實用新型上述實施例提供的起重機微動控制系統，去除了發動機轉速對電流坡度控制的影響，根據發動機不同的轉速，產生不同的電流坡度值，促使液壓控制迴路的壓力合理提高；而不會在液壓泵排量打開的瞬間，因為流量過多造成壓力過高而導致液壓馬達的衝擊現象。
[0047]優選的，所述系統通過如下方式實現對起重機的微動控制:
[0048]當液壓馬達啟動時，壓力傳感器以第一時間間隔周期性地向壓力比較器發送實時測量的液壓馬達壓力值，其中壓力傳感器設置在液壓馬達的測壓接口上。
[0049]當手柄超過死區範圍時，壓力比較器計算液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值Pm與當前接收到的液壓馬達壓力值P之間的差值，並將差值發送給PID控制器。
[0050]PID控制器根據接收到的差值判斷所述瞬時壓力值Pm是否大於當前接收到的液壓馬達壓力值P。
[0051]若所述瞬時壓力值Pm小於或等於當前接收到的液壓馬達壓力值P，PID控制器指示電流控制單元將預先設定的控制電流值Itl作為控制電流下限值Imin提供給液壓泵。
[0052]若所述瞬時壓力值Pm大於當前接收到的液壓馬達壓力值P，PID控制器利用所述差值確定電流增加坡度值Ik，其中電流增加坡度值Ik隨所述差值的減小而減小；利用公式I/ = IkXNmin/N計算電流增加坡度值Ik的修正值Ik』，其中N為當前液壓馬達的轉速，Nmin為液壓馬達的怠速；將電流增加坡度值Ik』發送給電流控制單元。
[0053]電流控制單元利用公式I1 = Ik』 +10得到當前的控制電流I1 ;將當前的控制電流I1提供給液壓泵；經過第二時間間隔後，將當前的控制電流I1作為Itl，執行利用公式I1 =Ik+Ic)得到當前的控制電流I1的操作；然後在每個第二時間間隔後，都將當前的控制電流I1作為Ιο，執行利用公式I1 = Ik+1得到當前的控制電流I1的步驟，即，每個第二時間間隔後當前的控制電流I1都增加Ik，形成循環。
[0054]當PID控制器根據接收到的差值判斷所述瞬時壓力值Pm等於當前接收到的液壓馬達壓力值P時，指示電流控制單元維持當前的控制電流值不變，並將當前的控制電流值作為控制電流下限Imin提供給液壓泵。
[0055]當手柄回到死區範圍時，PID控制器指示電流控制單元將預先設定的控制電流值10作為控制電流下限Imin提供給液壓泵。
[0056]最後，液壓泵根據接收到的控制電流調整液壓馬達的輸入流量。
[0057]圖2為本實用新型起重機微動控制系統另一實施例的示意圖。與圖1所示實施例相比，在圖2所示實施例中，起重機微動控制系統還可以包括顯示單元201，其中:
[0058]顯示單元201，用於顯示液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值Pm與當前接收到的液壓馬達壓力值P，以及當前的控制電流值。
[0059]優選的，顯示單元201還可以用於在當前接收到的液壓馬達壓力值P接近或大於在上次停止前的瞬間壓力值Pm時，進行提示或報警，從而使起重機操縱者清楚當前的狀態。
[0060]通過實施本實用新型，可以得到如下有益效果:
[0061]1、本實用新型對整個液壓控制迴路的洩漏進行補償。因為液壓馬達處於控制迴路的最後階段，並且全部的流量都是通過液壓泵進行供給，因此以液壓馬達的壓力為基準來控制液壓泵的電流值，電流下限跟隨工作壓力進行變化，是對整個控制迴路的洩漏進行補償，自然就會屏蔽掉其他液壓件的洩漏影響，使得整個系統的響應速度更快。
[0062]2、本實用新型以實時壓力和上次記憶壓力進行比較，不存在理論計算所引入的偏差。記憶壓力和實際壓力的測量環境幾乎是相同的，因此可以屏蔽掉工作壓力、溫度、轉速的影響。
[0063]3、本實用新型的系統控制結構以液壓馬達實時壓力構成閉環反饋，使用PID控制進行電流坡度的調整:電流坡度與兩個壓力差成正比；兩個壓力值相同時，維持當前控制電流，從而避免了電流過大造成衝擊、電流過小出現反轉、電流不穩導致抖動等現象，實現系統的穩定控制。
[0064]4、本實用新型去除了發動機轉速對電流坡度控制的影響，根據發動機不同的轉速，產生不同的電流坡度值，促使液壓控制迴路的壓力合理提高；而不會在液壓泵排量打開的瞬間，因為流量過多造成壓力過高而導致液壓馬達的衝擊現象。
[0065]5、本實用新型的實施僅需在液壓馬達處設置一個壓力傳感器。對於電控起重機來講，壓力傳感器對於用作提升的液壓馬達一般是必須安裝的，因此無需額外的裝置就能夠實現很好的微動控制，這在成本、故障排查、安裝、系統能源等方面都是非常有利的。
[0066]本實用新型的描述是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本實用新型限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本實用新型的原理和實際應用，並且使本領域的普通技術人員能夠理解本實用新型從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1.一種起重機微動控制系統，其特徵在於，包括: 液壓馬達、壓力傳感器、檢測單元、壓力比較器、PID控制器、電流控制單元、液壓泵，其中: 所述壓力傳感器設置在所述液壓馬達的測壓接口上，所述壓力傳感器包括記憶模塊，所述壓力比較器分別與所述壓力傳感器和所述檢測單元連接，所述壓力比較器、所述PID控制器、所述電流控制單元、所述液壓泵和所述液壓馬達依次連接，以液壓馬達的壓力為基準來控制液壓泵的電流值，使用閉環控制完成微動控制，其中: 所述壓力傳感器以第一時間間隔周期性地向壓力比較器發送實時測量的液壓馬達壓力值，其中所述記憶模塊記憶液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值；所述檢測單元檢測手柄是否超過死區範圍；所述壓力比較器在所述檢測單元檢測到手柄超過死區範圍時，將液壓馬達在上次停止前的瞬間壓力值與當前接收到的液壓馬達壓力值之間的差值發送給所述PID控制器；所述PID控制器接收所述差值，並向所述電流控制單元發送控制電流下限值和電流增加坡度值；所述電流控制單元將控制電流提供給所述液壓泵；所述液壓泵根據接收到的控制電流調整液壓馬達的輸入流量。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括顯示器，其中:所述顯示器分別與所述電流控制單元和所述壓力比較器連接。
【文檔編號】F15B9/00GK203926173SQ201320588762
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】孫麗, 張東, 餘欽偉 申請人:徐工集團工程機械股份有限公司