CN102588358A - 一种高性能节能型的电液伺服控制油路 - Google Patents

一种高性能节能型的电液伺服控制油路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高性能节能型的电液伺服控制油路，不仅具备容积式控制高效节能的特点，也具备节流式控制高精度和快响应的特点。该油路中，两个伺服电机分别与机械伺服变量泵的机械变量机构和转动轴连接；两个单向阀的A口、两个安全阀的B口均与密闭压力油箱相连；两个单向阀的B口分别与机械伺服变量泵的A、B口连接；两个安全阀的A口分别与机械伺服变量泵的A、B口连接；电液伺服阀的A、B口连接液压执行元件油口，电液伺服阀的P、T口分别与开关阀1和2的B口连接；开关阀1、3以及机械伺服变量泵的A口互连，开关阀3的B口与电液伺服阀A口连接；开关阀2、4以及机械伺服变量泵的B口互连，开关阀4的B口与电液伺服阀的B口连接。

Description

一种高性能节能型的电液伺服控制油路
技术领域
本发明涉及一种高性能节能型的电液伺服控制油路，特别涉及一种采用伺服变量泵和电液伺服阀协同工作的电液伺服控制油路，属于液压控制技术领域。
背景技术
电液伺服***按控制原理可分为阀控式和泵控式两种方式。阀控式***以电液伺服阀为控制核心，采用节流式工作方式，通过控制节流口大小与方向来调节液压能源的压力与流量，它具有控制精度高、响应快、刚度大等优点，但是能源利用率低(理论上最高于67％)、发热量大，且对油液污染非常敏感，故障率高。泵控式***采用容积式工作方式，通过控制变量泵输出流量的大小与方向，直接控制执行机构的运动。虽然受变量泵变量机构制约，泵控式的控制精度较低(尤其在零位附近)、响应较慢，但是，由于不存在节流损失，泵控式能源利用率很高(理论可达95％以上)，且发热量小、故障率低。
近年来，随着液压技术和电气、电子技术相融合，直驱式电液伺服***成为液压控制技术研究的主流方向，它采用可调速电动机驱动双旋向的定量泵，定量泵直接驱动执行元件。通过改变电动机的正反转、电动机的速度、运转时间和限制电机转矩来控制执行元件的正反向、速度、位置和作用力(或转矩)。
直驱式电液伺服技术本质上是基于容积式控制方式，虽然它在节能应用上已经取得较大成果，但是依然在控制精度、动态响应、工作效率、低速与换向平稳性等方面存在一定的问题。难以达到阀控***的控制精度与动态特性。
直驱式电液伺服***存在的问题依然是传统阀控式电液伺服技术的优势，因此，为了推动直驱式电液伺服技术的继续发展与推广，必须考虑融入传统的阀控式电液伺服技术，寻求节能效果与控制效果的最佳平衡点。
发明内容
本发明提出一种采用伺服变量泵和伺服阀协同控制的电液伺服控制油路，不仅具备容积式控制高效节能的特点，同时也具备节流式控制高精度和快响应的特点。
一种泵控与阀控相结合的电液伺服控制油路，用于控制液压执行元件；包括用于变排量的第一伺服电机、用于变转速的第二伺服电机、机械伺服变量泵、第一单向阀、第二单向阀、第一安全阀、第二安全阀、密闭压力油箱、第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、第四开关阀和电液伺服阀。该***以典型的直驱式电液伺服***为基础，从功能上可分为泵控回路、补油回路和阀控回路三大部分，实现了泵控与阀控相结合的复合式***结构。
本发明中各组成元件功能和相互关系如下：
泵控回路包括第一伺服电机、第二伺服电机、机械伺服变量泵，它是一个排量转速双变量的泵控***。第一伺服电机与机械伺服变量泵的机械变量机构连接，用于改变机械伺服变量泵的排量，第二伺服电机与机械伺服变量泵的转动轴连接，用于控制其转动速度。
补油回路并联在机械伺服变量泵的吸油口和输出口之间，为整个***补充液压油，同时完成安全压力调节的功能，它包括第一单向阀和第二单向阀、第一安全阀和第二安全阀、密闭压力油箱。第一单向阀和第二单向阀控制机械伺服变量泵的双向补油，它们的A口连接在一起，并与密闭压力油箱相连。第一单向阀的B口与机械伺服变量泵的A口连接，第二单向阀的B口与机械伺服变量泵的B口连接，保证机械伺服变量泵的吸油口始终与密闭压力油箱连接。第一安全阀和第二安全阀用于调节机械伺服变量泵输出的双向安全压力，它们的B口连接在一起，并与密闭压力油箱连接，使得安全阀的溢流油液充入密闭压力油箱。第一安全阀的A口与机械伺服变量泵的A口连接，第二安全阀的A口与机械伺服变量泵的B口连接。
阀控回路则串联在泵控回路与液压执行元件之间，它包括电液伺服阀和开关阀组，包括第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和第四开关阀。电液伺服阀的控制A口和B口分别与执行机构的油口连接，其高压P口和回油T口分别与第一开关阀和第二开关阀的B口连接；开关阀组用于切换泵控和阀控的工作状态：第一开关阀和第三开关阀的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵的A口连接，第三开关阀的B口与电液伺服阀的A口连接；第二开关阀和第四开关阀的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵的B口连接，第四开关阀的B口与电液伺服阀的B口连接。
液压执行元件可以是直线式伺服油缸或旋转式伺服马达，通过内置方式或外置方式安装位移传感器，并将位移传感器的信号引入控制器可以构成闭环控制***。
本发明的工作原理如下：机械伺服变量泵通过第一单向阀和第二单向阀的组合，从密闭压力油箱中吸入液压油，输出具有一定压力和流量的液压油，它的转速和排量分别由第二伺服电机和第一伺服电机进行控制，从而实现输出流量大小和方向的伺服控制，第一安全阀和第二安全阀限制了机械伺服变量泵的最高输出压力，起安全保护作用；开关阀组能够控制***工作在不同的状态下：当第一开关阀和第二开关阀接通，第三开关阀和第四开关阀关闭时，机械伺服变量泵输出的高压油进入电液伺服阀，此时***具有很高的控制精度和响应速度；当第一开关阀和第二开关阀关闭，第三开关阀和第四开关阀接通时，机械伺服变量泵输出的高压油直接进入液压执行元件，***具有很高的工作效率和节能性。
有益效果：本发明将无阀直驱式***与阀控式***的有机融合在一起，形成了一种复合式电液伺服***，它不仅具备了容积式控制高效节能的特点，同时也具备了节流式控制高精度和快响应的特点，有望解决液压技术领域控制效果与节能效果之间存在的固有矛盾，因此，这种复合式电液伺服控制***具有重要的研究价值和应用前景。
附图说明
图1为一种高性能节能型的电液伺服控制油路原理图；
其中：1-第一伺服电机，2-第二伺服电机，3-机械伺服变量泵，4-第一单向阀、5-第二单向阀、6-第一安全阀、7-第二安全阀、8-密闭压力油箱，9-第一开关阀、10-第二开关阀、11-第三开关阀、12-第四开关阀、13-电液伺服阀、14-位移传感器、15-液压执行元件；
图2为采用图1所示油路的一种高性能节能型的电液伺服控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种泵控与阀控相结合的电液伺服控制油路，包括第一伺服电机1、第二伺服电机2、机械伺服变量泵3、第一单向阀4、第二单向阀5、第一安全阀6、第二安全阀7、密闭压力油箱8、第一开关阀9、第二开关阀10、第三开关阀11、第四开关阀12和电液伺服阀13。液压执行元件15是该电液伺服控制油路的控制对象。该***以典型的直驱式电液伺服***为基础，从功能上可分为泵控回路、补油回路和阀控回路三大部分，实现了泵控与阀控相结合的复合式***结构。
本发明中各组成元件功能和相互关系如下：
泵控回路包括第一伺服电机1、第二伺服电机2、机械伺服变量泵3，构成了一个排量转速双变量的泵控***。第一伺服电机1与机械伺服变量泵3的机械变量机构S连接，用于改变机械伺服变量泵3的排量，第二伺服电机2与机械伺服变量泵3的转动轴连接，用于控制其转动速度。
补油回路并联在机械伺服变量泵3的吸油口和输出口之间，为整个***补充液压油，同时完成安全压力调节的功能，它包括第一单向阀4和第二单向阀5、第一安全阀6和第二安全阀7、密闭压力油箱8。第一单向阀4和第二单向阀5控制机械伺服变量泵3的双向补油，它们的A口连接在一起，并与密闭压力油箱8相连，保证机械伺服变量泵3的吸油口始终与密闭压力油箱8连接。第一单向阀4的B口与机械伺服变量泵3的A口连接，第二单向阀5的B口与机械伺服变量泵3的B口连接。第一安全阀6和第二安全阀7用于调节机械伺服变量泵3输出的双向安全压力，它们的B口连接在一起，并与密闭压力油箱8连接，使得这两个安全阀的溢流油液充入密闭压力油箱。第一安全阀6的A口与机械伺服变量泵3的A口连接，第二安全阀7的A口与机械伺服变量泵3的B口连接。
阀控回路则串联在泵控回路与液压执行元件之间，它包括电液伺服阀13和开关阀组，包括第一开关阀9、第二开关阀10、第三开关阀11和第四开关阀12。电液伺服阀13的控制A口和B口分别与执行机构15的油口连接，其高压P口和回油T口分别与第一开关阀9和第二开关阀10的B口连接；开关阀组用于切换泵控和阀控的工作状态：第一开关阀9和第三开关阀11的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵3的A口连接，第三开关阀11的B口与电液伺服阀13的A口连接；第二开关阀10和第四开关阀12的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵3的B口连接，第四开关阀12的B口与电液伺服阀13的B口连接。
液压执行元件15可以是直线式伺服油缸或旋转式伺服马达，通过内置方式或外置方式安装传感器14，采集直线式伺服油缸的位移或者旋转式伺服马达的旋转角度，并将传感器14的信号引入控制器可以构成闭环控制***。
本发明的工作原理如下：机械伺服变量泵3通过第一单向阀4和第二液控单向阀5的组合控制，从密闭压力油箱8中吸入液压油，具体过程为：当机械伺服变量泵3的B口为吸油口时，第一单向阀4关闭，第二单向阀5打开，密闭压力油箱8的油源通过第二单向阀5流入伺服变量泵3的B口；当机械伺服变量泵3的A口为吸油口时，第一单向阀4打开，第二单向阀5关闭，密闭压力油箱8的油源通过第一单向阀4流入伺服变量泵3的A口。
机械伺服变量泵3输出具有一定压力和流量的液压油，它的转速和排量分别由第二伺服电机2和第一伺服电机1进行控制，从而实现输出流量大小和方向的伺服控制。第一安全阀6和第二安全阀7限制了机械伺服变量泵3的A口和B口的最高输出压力，起安全保护作用；
开关阀组能够控制***工作在不同的状态下：当第一开关阀9和第二开关阀10接通，第三开关阀11和第四开关阀12关闭时，机械伺服变量泵3输出的高压油通过电液伺服阀13控制液压执行元件15，具有很高的控制精度和响应速度，而且通过液压执行元件15的开口控制(使其全开)还可以使得***工作在泵控方式，而且阀控和泵空方式的切换速度快；当第一开关阀9和第二开关阀10关闭，第三开关阀11和第四开关阀12接通时，机械伺服变量泵3输出的高压油直接进入液压执行元件15，具有很高的工作效率和节能性。
基于上述控制油路，本发明还提供了一种泵控与阀控相结合的电液伺服控制方法，其具体实施步骤如下：
第1步：开始初始化：直接通过电液伺服阀13控制液压执行元件15往复运动，根据电液伺服阀控制信号与执行元件的运动关系检查电液伺服阀13是否工作正常，例如如果液压执行元件不受控于电液伺服阀的控制信号，则认为运动异常；若电液伺服阀发生故障，则控制第一开关阀9和第二开关阀10断电，控制第三开关阀11和第四开关阀12通电，切断阀控方式，***直接进行伺服变量泵控制，并一直采用该控制方式；
若伺服阀工作正常，则控制第一开关阀9和第二开关阀10通电，控制第三开关阀11和第四开关阀12断电，此时泵控回路与执行机构的连接断开，泵控回路与电液伺服阀的连接接通，阀控回路与泵控回路形成串联关系，控制液压执行机构；然后执行步骤2；
第2步：设置误差阈值为E，作为控制方式切换依据：当控制误差e小于误差阈值E时，***工作在阀控方式下，当控制误差e大于误差阈值E时，***工作在泵控方式下；
第3步：通过位移或速度传感器检测液压执行元件的运动参数，并与指令信号比较，得到控制误差e，并与误差阈值E进行比较；
第4步：当控制误差e大于误差阈值E时，说明此时控制精度不能满足设定要求，需要***工作在阀控方式下，保证执行机构的高精度和快响应控制，此时控制机械伺服变量泵工作在定量泵方式下，并通过控制伺服阀开口的大小和方向来控制执行元件的运动状态，并返回第3步；
第5步：当控制误差e小于或等于误差阈值E时，说明此时控制精度已经满足设定要求，可以使其工作在泵控方式下，从而在保证精度的前提下，提高***在大流量下的能源利用效率，此时通过用于变排量的第一伺服电机和用于变转速的第二伺服电机控制机械伺服变量泵的输出流量，并控制电液伺服阀控制信号为最大，保证其节流口完全打开，阀控***进入休眠状态，泵控回路直接控制液压执行机构；返回第3步。
至此，本流程结束。
上述实施例采用电液伺服阀给定信号的变化使得油路在泵控和阀控方式中切换，而不需要开关阀组动作，这样切换速度快，控制便捷。在实际使用中，当然也可以通过开关阀组的切换实现控制方式切换。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高性能节能型的电液伺服控制油路，用于控制液压执行元件(15)，其特征在于，包括泵控回路、补油回路和阀控回路；
所述泵控回路包括第一伺服电机(1)、第二伺服电机(2)、机械伺服变量泵(3)；第一伺服电机(1)与机械伺服变量泵(3)的机械变量机构连接，第二伺服电机(2)与机械伺服变量泵(3)的转动轴连接；
所述补油回路并联在机械伺服变量泵(3)的吸油口和输出口之间，补油回路包括第一单向阀(4)、第二单向阀(5)、第一安全阀(6)、第二安全阀(7)和密闭压力油箱(8)；第一单向阀(4)和第二单向阀(5)的A口连接在一起，并与密闭压力油箱(8)相连；第一单向阀(4)的B口与机械伺服变量泵(3)的A口连接，第二单向阀(5)与机械伺服变量泵(3)的B口连接；第一安全阀(6)和第二安全阀(7)的B连接在一起，并与密闭压力油箱(8)相连；第一安全阀(6)的A口与机械伺服变量泵(3)的A口连接，第二安全阀(7)的A口与机械伺服变量泵(3)的B口连接；
阀控回路串联在泵控回路与液压执行元件(15)之间，阀控回路包括第一开关阀(9)、第二开关阀(10)、第三开关阀(11)、第四开关阀(12)、电液伺服阀(13)、液压执行元件(15)和位移传感器(14)；电液伺服阀(13)的控制A口和B口分别与液压执行元件(15)的油口连接，电液伺服阀(13)的高压P口和回油T口分别与第一开关阀(9)和第二开关阀(10)的B口连接；第一开关阀(9)和第三开关阀(11)的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵(3)的A口连接，第三开关阀(11)的B口与电液伺服阀(13)的A口连接；第二开关阀(10)和第四开关阀(12)的A口连接在一起，并与机械伺服变量泵(3)的B口连接，第四开关阀(12)的B口与电液伺服阀(13)的B口连接。
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