一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統及控制方法與流程
2023-05-10 09:12:56 1
本發明涉及液壓傳動控制裝置，具體為一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統及控制方法，本發明採用一臺伺服電機驅動兩臺油泵，進而控制液壓缸的動力輸出，實現對直線往復運動的控制。
背景技術：
通過液壓缸控制直線運動和動力輸出是一種常用機械結構，傳統的液壓直線驅動系統是電機驅動液壓泵連續運轉，由各種閥組、傳感器和管路構成的油路控制液壓油的流向、流速、壓力，並繼而實現液壓缸的驅動。當需要控制液壓缸的移動速度時，需要比例方向閥或比例方向伺服閥調節進入液壓缸的液體速率；當需要控制液壓缸的推動力時，需要控制溢流閥的溢流壓強或者根據壓力傳感器的反饋並通過比例壓力閥或比例壓力伺服閥來控制進入液壓缸的液體壓強，由此控制液壓缸的推力。
此類傳統的液壓直線驅動系統存在以下幾點不足：1、驅動液壓泵電機必須連續不間斷運行，即使在液壓缸運動無需進行調節控制時，電機也不能停機，不斷從油箱泵出的液壓油又通過閥組返回油箱，浪費了電能。尤其是當液壓缸輸出推力、但活塞位移極小或位移速度很低時，高壓節流抬升了電機的功率消耗，浪費電能；2、浪費的電能變成熱能，導致油溫上升，使油路密封件加速老化，故障率上升；3、當液壓油在液壓缸的有杆腔和無杆腔之間往複流動時，需要控制各種閥門動作，不斷產生溢流、充液動作，加大了系統損耗，閥門的故障率也比較高；4、在快速、精密控制時，需要採用P/Q閥(壓力流量控制閥)或伺服閥參與控制，特別是伺服閥價格昂貴，維修困難，導致系統設備的購置和使用維護成本大幅增加；5、由於各種閥門的機械動作需要較長的時間來完成，導致油路的各種動作切換不可能進一步提速，直接影響設備的工作節拍。
專利201521053147.3《一種伺服泵控液壓直線驅動系統》描述了一種採用兩臺電機分別驅動兩臺液壓泵，並進而驅動液壓缸實現高精密、高頻響直線往復運動控制的方案。該方案雖然解決了傳統液壓直線運動機構的上述問題，但由於涉及到兩套伺服驅動系統的協調動作，因此其實現的技術難度較高，系統的經濟性也不理想。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統及控制方法。A、B兩臺液壓泵的理論排量正比於液壓缸的無杆腔和有杆腔截面積，A、B液壓泵的出液端分別接入液壓缸的無杆腔和有杆腔。A、B液壓泵均為正向泵，伺服電機前軸伸與A液壓泵連軸，後軸伸與B液壓泵聯軸。與運動控制單元連接的伺服驅動器驅動伺服電機運轉，安裝於液壓缸的無杆腔和有杆腔油路上的A、B兩隻壓力傳感器的信號分別接入運動控制單元，安裝於液壓缸推桿的位移傳感器的信號端連接運動控制單元。
本發明的另一目的是提出上述單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統的控制方法，伺服驅動器控制伺服電機驅動A和B液壓泵。當伺服電機正轉時，A液壓泵正向運轉泵油，B液壓泵反向運轉洩油；當伺服電機反轉時，A液壓泵反向運轉洩油，B液壓泵正向運轉泵油。運動控制單元根據推桿運動位置和速度控制要求和推桿的當前位移信號，運算得到伺服驅動器的控制指令，並發送到伺服驅動器，實現液壓缸推桿的高速、精密的往復運動，
本發明設計的一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統，包括一個液壓缸、兩臺液壓泵、伺服電機、伺服驅動器以及運動控制單元，活塞連接推桿，並將液壓缸內腔分為有杆腔和無杆腔，液壓缸的無杆腔與A液壓泵的出液端連接，液壓缸的有杆腔與B液壓泵的出液端連接。本發明A液壓泵和B液壓泵的進液端互相連接，且在該段油路還連接有儲液/蓄能器。A、B兩臺液壓泵的理論排量正比於液壓缸的無杆腔和有杆腔截面積。A、B液壓泵均為正向泵，一臺伺服電機前軸伸與A液壓泵連軸，後軸伸與B液壓泵聯軸；或者A液壓泵為正向泵，B液壓泵為反向泵，A、B液壓泵與一臺伺服電機同一端的軸伸聯軸。一臺伺服驅動器連接控制所述伺服電機。運動控制單元的控制端連接所述伺服驅動器。連接液壓缸無杆腔和A液壓泵出液端管路上安裝A壓力傳感器，連接液壓缸有杆腔和B液壓泵出液端管路上安裝B壓力傳感器，A、B壓力傳感器的信號輸出端接入運動控制單元。位移傳感器安裝於液壓缸推桿，其信號輸出端接入運動控制單元的輸入端。
A溢流閥正向跨接於連接液壓缸有杆腔和無杆腔的油路之間，B溢流閥反向跨接於連接液壓缸有杆腔和無杆腔的油路之間，當液壓缸有杆腔和無杆腔所連接的油路內液體壓力差超過溢流閥所設上限時，溢流閥導通進行限壓保護。
所述運動控制單元為中心處理器，配有通信接口和人機界面。
本發明的方案之一為伺服電機的軸上安裝一個失電制動器，當系統故障保護停機或停電時，失電制動器鎖定伺服電機的軸，使液壓泵停止轉動，避免液壓缸的推桿及安裝在其上的工件因重力迅速下墜，以保系統設備安全。
本發明的另一個方案，伺服電機為三相永磁同步伺服電機，其三相繞組安裝失電常閉接觸器或失電常閉繼電器，當系統故障保護停機或停電時，伺服電機的繞組被短路。當液壓缸的推桿及安裝在其上的工件被重力牽引下墜時，液壓油推動兩個液壓泵轉動，從而帶動伺服電機轉子反向轉動，由於伺服電機三相繞組短路而產生阻尼扭力，兩個液壓泵僅能緩慢轉動，使液壓缸的推桿及活塞緩慢下滑到機械極限位置，保護系統設備安全。
本發明的另一個方案，液壓缸的有杆腔或無杆腔與液壓泵連接的管路上，安裝一個斷電時自動關閉的保護閥，當系統故障保護停機或停電時，該保護閥自動關閉，液壓油的流動被阻止，即可防止液壓缸的推桿受安裝在其上的工件的重力牽引而下墜，起到安全保護作用。
本發明提出的一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統的控制方法如下：伺服驅動器驅動伺服電機，當伺服電機正向運轉時，其所連接的A液壓泵正向運轉，B液壓泵反向轉動。A液壓泵向液壓缸的無杆腔內提供壓力液體，液壓缸的活塞向有杆腔方向運動，推桿輸出動力；與此同時，液壓缸的有杆腔內的液壓油經B液壓泵洩出至與A液壓泵進油端連接的管路及儲液/蓄能器；反之，當伺服電機反向運轉時，B液壓泵正向運轉，A液壓泵反向運轉，B液壓泵向液壓缸的有杆腔內提供壓力液體，液壓缸的活塞向無杆腔方向運動，無杆腔內的液壓油經A液壓泵洩出至於B液壓泵進油端連接的管路及儲液/蓄能器。由於有杆腔和無杆腔截面積不同造成的兩側泵油、回油體積不均衡的部分由儲液/蓄能器平衡。由於A、B液壓泵的理論排量正比於液壓缸無杆腔與有杆腔的截面積，當液壓缸內的活塞移動一定的距離時，其有杆腔的進油量與無杆腔的洩油量分別正比於A、B液壓泵的理論排量，兩泵以同樣的轉速轉動滿足液壓缸進油量與洩油量的需求。當液壓缸活塞向無杆腔方向移動時，無杆腔洩出的油量大於有杆腔進入的油量，從液壓缸無杆腔和A液壓泵洩出的液壓油部分經B液壓泵泵入液壓缸的有杆腔，剩餘部分進入儲液/蓄能器；當液壓缸活塞向有杆腔方向移動時，有杆腔洩出的油量小於無杆腔進入的油量，從液壓缸有杆腔和B液壓泵洩出的液壓油全部經A液壓泵泵入液壓缸的有杆腔，不足部分油量由儲液/蓄能器提供。
運動控制單元存儲本系統的工藝數據以及不同控制模式下推桿位移信號與伺服驅動器控制指令的關係數據，運動控制單元接受人機界面輸入的控制要求，所述控制要求即根據工作要求設定液壓缸推桿運動至某時刻所對應的速度或者推桿運動達到某位置時對應的速度，運動控制單元根據控制要求和所接收的A、B壓力傳感器反饋信號進行壓力閉環運算，得到伺服驅動器運行指令；運動控制單元根據控制要求和所接收的位移傳感器的推桿當前位移信號進行速度、位置閉環運算，得到伺服驅動器運行指令。伺服電機及A、B液壓泵在伺服驅動器的驅動下轉動，並繼而調節液壓缸推桿的推力、速度及位置，實現推桿的精確推力控制、速度控制和位置控制。
按上述控制方法可實現液壓缸推桿的高速、精密的往復運動，通常的推桿運動方式分為以下三種方式，即前進方式、回程方式及高速往複方式，但推桿運動不限於這三種運動方式。
Ⅰ、前進方式
前進方式是指液壓缸推桿向有杆腔方向運動，分快進方式(空程)和工進方式兩種。
Ⅰ-1、快進方式
此時液壓缸推桿底端未承受工件的阻力，通常運動速度較高以提升工作效率。運動控制單元向伺服驅動器發出高速正向轉動的速度指令，在伺服驅動器驅動下伺服電機高速正向轉動，A液壓泵正向運轉，向無杆腔內供入液壓油，按預定速度推動液壓缸的推桿前進，同時，B液壓泵反向運轉，將有杆腔內液壓油洩出，送至連接A液壓泵進油口的管路。
當快進方式結束、轉工進方式時，運動控制單元向伺服驅動器發出指令降低速度設定值，使得伺服電機和兩個液壓泵的速度下降，液壓缸推桿的速度降低。
Ⅰ-2、工進方式
此時液壓缸推桿底端承受工件的阻力，其運動克服阻力作功。
運動控制單元向伺服驅動器發出工進速度正向轉動的速度指令，在伺服驅動器驅動下伺服電機按工進速度正向轉動，A液壓泵向無杆腔內供入液壓油，按預定工進速度推動液壓缸的推桿前進，同時，B液壓泵反向運轉，將有杆腔內液壓油洩出，送至連接A液壓泵進口的油路。
Ⅱ、回程方式
回程方式是指液壓缸推桿向無杆腔方向運動。運動控制單元向伺服驅動器發出反向運轉的速度指令，在伺服驅動器驅動下伺服電機反向轉動，此時B液壓泵正轉，向有杆腔內供入液壓油，推動活塞推桿向無杆腔方向回程；A液壓泵反轉，將無杆腔內液壓油泵出，送至連接B液壓泵進油口的管路以及儲液/蓄能器；液壓缸無杆腔洩出的液壓油部分經B液壓泵泵入液壓缸的有杆腔，多餘部分暫存於儲液/蓄能器中。
回程方式和前進方式下運動控制單元均根據控制要求和位移傳感器的位移反饋值實時調節伺服驅動器的速度指令，控制伺服電機的速度，從而實現液壓缸推桿的位置及速度精確控制。
在上述運動控制中，為了獲取推桿的推力，運動控制單元根據所連接的A、B壓力傳感器反饋信號和預存的液壓缸有杆腔、無杆腔截面積數據計算推桿的推力，對推桿的推力實施控制，並對速度、位置控制中的推力進行前饋控制。
Ⅲ、高速往複方式
高速往複方式為上述工進方式和回程方式的高速重複，此時沒有快進方式，液壓缸處於「工進—回程—工進……」的往復運動狀態。運動控制單元預定推桿的到達位置和/或到達時間作為工進結束或回程結束的判斷依據，根據位移傳感器的位移信號和/或時間判斷工進結束或回程結束，實現回程方式或工進方式的循環轉換。由於伺服驅動器驅動伺服電機的響應頻率很高，可以實現快速正反轉切換，本系統的伺服驅動裝置可以實現十幾至幾十赫茲的高精度、高重複性的往復運動。
與現有技術相比，本發明一種單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統及控制方法的有益效果為：1、一臺伺服電機同時驅動兩臺液壓泵動作，控制液壓缸的動力輸出，實現對直線往復運動的精確控制；2、伺服電機及伺服驅動器響應頻率和速度控制精度高，故系統可以實現高達十幾至幾十赫茲的響應頻率和十幾微米乃至微米級精度的位置控制；3、系統管路中的液壓閥僅為兩個用於液壓保護的溢流閥，不需要其它電磁閥、P/Q閥或伺服閥，系統結構簡單，成本低廉，可靠性高。
附圖說明
圖1為本單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統實施例結構示意圖。
圖中標識：1、液壓缸；2、A溢流閥(AF)；3、B溢流閥(BF)；4、A壓力傳感器(AP)；5、A液壓泵(AU)；6、伺服電機(M)；7、儲液/蓄能器(CY)；8、伺服驅動器(S)；9、運動控制單元(YK)；10、B液壓泵(BU)；11、B壓力傳感器(BP)；12、位移傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步說明。
單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統實施例
本單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統實施例如圖1所示，圖中連接各部件之間的實線表示連接各部件的油路管道，虛線表示傳感器的信號線、運動控制單元的控制信號線及伺服驅動器與伺服電機之間的信號線與電氣動力連接線，連接伺服電機和液壓泵的雙實線表示二者同軸。
液壓缸1的內腔分為有杆腔和無杆腔，液壓缸1的無杆腔與A液壓泵5(圖中所示為AU)的出液端連接，液壓缸1的有杆腔與B液壓泵10(圖中所示為BU)的出液端連接。A液壓泵5和B液壓泵10的進液端由管路連接，且同時連接至儲液/蓄能器7(圖中所示為CY)。A液壓泵5和B液壓泵10的理論排量正比於液壓缸1的無杆腔與有杆腔的面積。本例A液壓泵5和B液壓泵10均為正向泵。伺服電機6(圖中所示為M)的前軸伸與A液壓泵5連軸，後軸伸與B液壓泵10連軸。伺服驅動器8(圖中所示為S)連接控制伺服電機6。運動控制單元9(圖中所示為YK)的控制端連接伺服驅動器8。安裝於連接液壓缸1無杆腔和A液壓泵5出液端管路上A壓力傳感器4(圖中所示為AP)的信號輸出端以及連接液壓缸1有杆腔和B液壓泵10出液端的管路上安裝的B壓力傳感器11(圖中所示為BP)的信號輸出端均接入運動控制單元9。位移傳感器12安裝於液壓缸1的推桿，其信號輸出端接入運動控制單元9的輸入端。
液壓缸1的有杆腔側管路與無杆腔側的管路之間跨接有兩個溢流閥：A溢流閥2(圖中所示為AF)正向跨接，B溢流閥3(圖中所示為BF)反向跨接。當液壓缸1有杆腔和無杆腔所連接的油路之間的壓力差超過允許值時，溢流閥導通以保護油路安全。
本例運動控制單元為中心處理器，配有通信接口和人機界面。
為保證異常情況下液壓缸1的推桿不會被負載牽引導致失控，出於安全考慮，本例伺服電機安裝失電制動器(圖中未表達)，當系統故障保護停機或停電時，失電制動器鎖定伺服電機的軸。
也可以採用其它保護方案，如：在液壓缸1的連接的管路上，安裝一個斷電時自動關閉的保護閥，當系統故障保護停機或停電時，保護閥能夠關斷液壓缸的有杆腔側或無杆腔側的油路，從而起到保護作用。
或者，當伺服電機6為三相永磁同步伺服電機，其三相繞組安裝失電常閉接觸器或失電常閉繼電器，當系統故障保護停機或停電時，伺服電機的繞組被失電常閉接觸器或失電常閉繼電器短路，依靠永磁同步電機繞組短路時的制動力來保證系統安全。
單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統的控制方法實施例
本單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統的控制方法實施例，採用上述單電機雙泵的伺服泵控液壓直線驅動系統的實施例。當伺服驅動器8驅動伺服電機6正向運轉，其所連接的A液壓泵5正向運轉，向液壓缸1的無杆腔內提供壓力液體，液壓缸1的活塞向有杆腔方向運動，推桿輸出動力；同時，B液壓泵10反向運轉，液壓缸1的有杆腔內的液壓油經B液壓泵10洩出至連接A液壓泵進油口的管路，此時有杆腔內的液壓油洩出後全部經A液壓泵泵至液壓缸1的無杆腔，不足部分的液壓油由儲液/蓄能器7提供。反之，當伺服電機6反向轉動，其所連軸的B液壓泵10正向轉動，向液壓缸1的有杆腔提供壓力液體，液壓缸1的活塞向有杆腔方向運動，同時，A液壓泵5反向運轉，液壓缸1的無杆腔內的液壓油經A液壓泵5洩出至連接B液壓泵進油口的管路及儲液/蓄能器，此時無杆腔洩出的液壓油部分經B液壓泵10泵至液壓缸1的有杆腔，剩餘部分液壓油進入儲液/蓄能器7。
運動控制單元9存儲本系統的工藝數據以及不同控制模式下推桿位移信號與伺服驅動器控制指令的關係數據，運動控制單元9接受人機界面輸入的控制要求，所述控制要求即根據工作要求設定液壓缸1的推桿推力、移動速度或定位位置，以及這些控制量隨時間的運動規劃。運動控制單元9根據控制要求和所接收的A、B壓力傳感器反饋信號進行液壓缸1的推力閉環運算，得到伺服驅動器運行速度和扭矩指令，從而控制液壓缸1的推桿推力；運動控制單元9根據控制要求和所接收的位移傳感器12的推桿位置信號反饋進行速度、位置閉環運算，得到伺服驅動器速度和扭矩指令，從而控制液壓缸1的推桿運動速度和位置。實現推桿的精確推力控制、速度控制和位置控制。
按上述控制方法實現液壓缸1推桿的高頻響、精密的往復運動，推桿運動方式主要分為以下三種方式，即前進方式、回程方式及高速往複方式。
Ⅰ、前進方式
前進方式是指液壓缸1推桿向有杆腔方向運動。運動控制單元9向伺服驅動器8發出正向轉動的速度指令，伺服驅動器8驅動伺服電機6正向轉動，A液壓泵5正向運轉，向液壓缸1無杆腔內供入液壓油，按預定速度推動液壓缸1的推桿前進，同時液壓缸1的有杆腔內的液壓油經B液壓泵10洩出至連接A液壓泵5的進油口的管路，有杆腔洩出的液壓油全部經A液壓泵5泵入液壓缸1的無杆腔，油量不足的部分由儲液/蓄能器7補足。
Ⅱ、回程方式
回程方式是指液壓缸1推桿向無杆腔方向運動。運動控制單元9向伺服驅動器8發出反向運轉的速度指令，伺服驅動器8驅動伺服電機6反向轉動，B液壓泵10正向轉動，向液壓缸1的有杆腔泵入液壓油，推動活塞推桿向無杆腔方向回程。液壓缸1無杆腔洩出的液壓油經A液壓泵5進入連接B液壓泵10的進油口的管路以及儲液/蓄能器，無杆腔洩出的液壓油部分經B液壓泵10泵入液壓缸1的有杆腔，多餘部分暫存於儲液/蓄能器7中。
在上述運動控制中，為了獲取推桿的推力，運動控制單元9根據所連接的A、B壓力傳感器反饋信號和預存的液壓缸1的有杆腔、無杆腔截面積數據計算推桿的推力，對推桿的推力實施控制，並對速度、位置控制中的推力進行前饋控制。
Ⅲ、高速往複方式
高速往複方式為上述前進方式和回程方式的高速重複。由於伺服驅動器8驅動伺服電機6的響應頻率很高，可以實現快速正反轉切換，本系統的伺服驅動裝置可以實現十幾至幾十赫茲的高精度、高重複性的往復運動。
上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明並非限定於此。凡在本發明的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。