CN104454715A - 一种基于电气控制的新型二次调节*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电气控制的新型二次调节***，其包括液压蓄能器、电量储存单元、驱动电机、第一电动/发电机、第二电动/发电机、第一电机控制器、第二电机控制器、逆变器、第一变量泵/马达、第二变量泵/马达、换向阀、梭阀、安全阀、控制器等，本发明采用变量泵/马达和电动/发电机代替传统的液压变压器或者比例换向阀作为二次调节***中恒压源和负载压力和流量的匹配，通过调节变量泵/马达的排量匹配液压蓄能器和负载压力，通过调节电动/发电机的转速来控制执行器的速度，此外通过电动/发电机和变量泵/马达的多象限工作实现驱动负载压力高于液压蓄能器压力的场合，解决了传统二次调节***难以适应做直线驱动的执行器和难以驱动负载压力高于液压蓄能器压力的不足之处。

Description

一种基于电气控制的新型二次调节***

技术领域

本发明涉及驱动***技术领域，尤其是指种一种基于电气控制的新型二次调节***。

背景技术

面对全球性的能源危机、环境污染等重大问题，各种机械装备亟需应对节能环保的压力，绿色环保型的机械装备理念已逐渐显露，努力在技术上寻求新的解决方案。目前常用的液压***节能主要有二次调节技术、开中心、负载敏感、负流量和正流量控制等几种典型的液压控制***。其中二次调节技术目前已经开始得到了应用。

早在1977年，德国汉堡国防工业大学的Nikolaus教授即提出了二次静液调节技术的概念。我们将液压***中能将机械能转化为液压能的原件称为一次原件，将机械能与液压能互相转换的原件称为二次元件。二次静液调节技术即是以二次元件为核心的一种能量调节技术。

二次静液调节的研究经历了液压直接转速控制、液压先导调速控制、机液调速控制、电液转速控制、电液转角控制、电液转矩控制等不同对象的控制以及与PID控制，神经网络控制等先进控制算法的结合，来获得较好的动态特性，有效地降低了***装机功率，获得了显著的节能效果。

但由于二次调节技术研究的对象为基于压力耦联的恒压网络，因此液压执行元件的某一个参数必须能够进行调节，从而和负载功率匹配。在恒压网络中的液压执行元件为可调节排量的液压马达/泵，因此该技术可应用于回转驱动，但由于液压泵/马达的转速控制必须闭环控制，由于液压***的强非线性的特点，液压泵/马达的转速难以精确控制，同时在启动和制动瞬间存在较大的冲击。而对于做直线运动的液压缸来说，由于液压缸的截面积不可改变，因此二次调节技术不能直接适用于直线运动的***。目前的研究者一般采用以下两种方案：一种采用接入液压变压器的方法来实现恒压油源和做直线运动的变压负载的匹配，但是引入液压变压器会使得***结构复杂，不利于实际的生产应用；另外一种是采用比例换向阀直接控制，但由于液压蓄能器压力和负载压力的不匹配，必然导致在比例换向阀的阀口上产生大量的节流损耗，同时该方案中比例换向阀不能增压，要求液压蓄能器压力高于负载压力。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的在于提供一种基于电气控制的新型二次调节***，该***结构相对简单、能够减小节流损耗、能适用于负载压力高于液压蓄能器压力的场合，同时能够实现转台驱动扭矩和转速的调节。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于电气控制的新型二次调节***，其包括驱动电机、液压泵、安全阀、逆变器、单向阀、电量储存单元、第一电机控制器、第一电动/发电机、第一变量泵/马达、换向阀、第一压力传感器、梭阀、油缸、第二电机控制器、第二电动/发电机、第二变量泵/马达、减速器、转台、液压蓄能器、第二压力传感器、其它执行器液压驱动***以及控制器；

驱动电机和液压泵同轴机械相连；第一变量泵/马达和第一电动/发电机同轴机械相连；第二变量泵/马达、减速器的输入轴以及第二电动/发电机同轴机械相连；减速器的输出轴和转台机械相连；

液压泵的出口分两路：第一路接安全阀；第二路接单向阀的进油口；单向阀的出口分五路：第一路接第一变量泵/马达的进油口，第一变量泵/马达的出油口和换向阀的P口相连；第二路接第二变量泵/马达的进油口,第二变量泵/马达的出油口接油箱；第三路接液压蓄能器；第四路接第二压力传感器；第五路接其它执行器液压驱动***；,换向阀的T口接油箱，换向阀的A口和梭阀的油口A1以及油缸的无杆腔相连，换向阀的B口和梭阀的油口A2以及油缸的有杆腔相连；

逆变器、第一电机控制器的电源输入端以及第二电机控制器的电源输入端和电量储存单元相连，第一电机控制器的动力输出端和第一电动/发电机电性相连，第二电机控制器的动力输出端和第二电动/发电机电性相连；

控制器的输入信号包括第一压力传感器的输出信号以及第二压力传感器的输出信号；控制器的输出信号包括第一电机控制器的输入信号、第二电机控制器的输入信号以及逆变器的输入信号。

较佳地，所述第一电动/发电机和所述第二电动/发电机均安装有测量转速的传感器，所述传感器为旋转变压器或光电编码器。

在上述方案中，所述换向阀为手动控制换向阀、电磁控制换向阀、电液控制换向阀以及液动控制换向阀中的一种。

在上述方案中，所述其它执行器液压驱动***包括用以驱动其它油缸直线运动的油缸驱动***和用以驱动其它转台做旋转运动的转台驱动***。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，由上述技术方案可知：

该***为基于液压马达发电机压差控制的单泵多执行器的负载敏感***，既能保证执行器获得和先导操作信号成比例的流量，又可回收传统负载敏感***消耗在定差减压阀阀口的能量；具体而言：

1)采用了变量泵/马达和电动/发电机作为二次调节***中恒压源压力和负载压力和流量的调节单元，由于变量泵/马达和电动/发电机的控制为排量或转速控制，实现了液压***无节流损耗；

2)当执行器做直线运动时，通过调节第一变量泵/马达的排量来匹配液压蓄能器压力和负载压力的差值，调节第一电动/发电机的转速来控制油缸的速度；当负载压力小于液压蓄能器压力时，第一电动/发电机工作在发电模式，第一变量泵/马达工作在马达模式，此时把液压蓄能器压力和负载压力的压差液压能通过第一变量泵/马达驱动第一电动/发电机转换成电能储存在电量储存单元中；同理，当负载压力大于液压蓄能器压力时，第一电动/发电机工作在电动模式，第一变量泵/马达工作在泵模式，此时电量储存单元释放电能，通过第一电动/发电机驱动第一变量泵/马达将液压蓄能器储存的液压油输送至直线驱动油缸，实现增压功能；解决了传统二次调节***应用于直线驱动油缸时采用比例换向阀时存在大量压差节流损耗和不能适用于负载压力高于液压蓄能器压力的场合；

3)当执行器做旋转运动时，通过调节第二变量泵/马达的排量来调节转台的驱动扭矩，调节第二电动/发电机的转速来控制转台的转速；解决了传统二次调节***中采用变量泵/马达驱动转台时具有启动和制动冲击较大和转速难以控制的不足；

4)动力***采用了液压蓄能器作为稳压源，驱动电机和负载无机械连接，负载的波动不会影响驱动电机的工作状态，驱动电机可以根据液压蓄能器的压力工作在高效区域，同时驱动电机只需要输出负载的平均功率，降低了对驱动电机的功率等级。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

附图是本发明之较佳实施例的整体结构框图。

附图标识说明：

1、驱动电机             2、液压泵

3、安全阀               4、逆变器

5、单向阀               6、电量储存单元

7、第一电机控制器       8、第一电动/发电机

9、第一变量泵/马达      10、换向阀

11、第一压力传感器      12、梭阀

13、油缸                14、第二电机控制器

15、第二电动/发电机     16、第二变量泵/马达

17、减速器              18、转台

19、液压蓄能器          20、第二压力传感器

21、其它执行器液压***  22、控制器

具体实施方式

请参照附图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，

一种基于电气控制的新型二次调节***，其包括驱动电机(1)、液压泵(2)、安全阀(3)、逆变器(4)、单向阀(5)、电量储存单元(6)、第一电机控制器(7)、第一电动/发电机(8)、第一变量泵/马达(9)、换向阀(10)、第一压力传感器(11)、梭阀(12)、油缸(13)、第二电机控制器(14)、第二电动/发电机(15)、第二变量泵/马达(16)、减速器(17)、转台(18)、液压蓄能器(19)、第二压力传感器(20)、其它执行器液压驱动***(21)以及控制器(22)；

驱动电机(1)和液压泵(2)同轴机械相连；第一变量泵/马达(9)和第一电动/发电机(8)同轴机械相连；第二变量泵/马达(16)、减速器(17)的输入轴和第二电动/发电机(15)同轴机械相连；减速器(17)的输出轴和转台(18)机械相连；

液压泵(2)的出口分两路：第一路接安全阀(3)；第二路接单向阀(5)的进油口；单向阀(5)的出口分五路：第一路接第一变量泵/马达(9)的进油口，第一变量泵/马达(9)的出油口和换向阀(10)的P口相连；第二路接第二变量泵/马达(16)的进油口,第二变量泵/马达(16)的出油口接油箱；第三路接液压蓄能器(19)；第四路接第二压力传感器(20)；第五路接其它执行器液压驱动***(21)；换向阀(10)的T口接油箱，换向阀(10)的A口和梭阀(12)的油口A1以及油缸(13)的无杆腔相连，换向阀(10)的B口和梭阀(12)的油口A2以及油缸(13)的有杆腔相连；

逆变器(4)、第一电机控制器(7)、第二电机控制器(14)的电源输入端和电量储存单元(6)相连，第一电机控制器(7)的动力输出端和第一电动/发电机(8)电性相连，第二电机控制器(14)的动力输出端和第二电动/发电机(15)电性相连；

控制器(22)的输入信号包括第一压力传感器(11)的输出信号以及第二压力传感器(20)的输出信号；控制器(22)的输出信号包括第一电机控制器(8)的输入信号、第二电机控制器(14)的输入信号以及逆变器(4)的输入信号。

作为一种优选方式，所述第一电动/发电机(8)和所述第二电动/发电机(15)均安装有测量转速的传感器，所述传感器为旋转变压器或光电编码器。

在上述方案中，所述换向阀(10)为手动控制换向阀、电磁控制换向阀、电液控制换向阀以及液动控制换向阀中的一种。

在上述方案中，所述其它执行器液压驱动***包括用以驱动其它油缸直线运动的油缸驱动***和用以驱动其它转台做旋转运动的转台驱动***。本发明是以转台和油缸为例进行详细说明，实际上一台机器可能由多个油缸或者多个转台组成，但原理和本发明是一样的。

本发明的具体工作原理如下：

(1)动力源工作规则

通过第二压力传感器20获得液压蓄能器19的压力p_a，设定二次调节***恒压源(即液压蓄能器19)的工作压力范围p_amax和p_amin，且p_amax大于p_amin。当p_a＜p_amin时，控制器22输出使能信号使得逆变器4输出,启动驱动电机1工作，液压泵2输出液压油对液压蓄能器19充油，液压蓄能器19的压力升高；当p_a>p_amax时，控制器22输出非使能信号使得逆变器4不输出，驱动电机1停止工作，液压泵2不输出液压油，由于单向阀5的作用，液压蓄能器19的高压液压油不会倒流到液压泵2。

(2)直线驱动工作原理

当二次调节***的恒压源(液压蓄能器19)驱动做直线运动的油缸13时，换向阀10可以通过各种控制方式(电磁、电液或手动等)工作在不同的工位，实现油缸13的活塞杆伸出、停止和缩回等不同模式。当油缸13工作在停止模式时，第一电动/发电机8不工作。当油缸13工作在伸出或缩回模式时，梭阀12将此时的负载最大压力传给第一压力传感器11，从而控制器22获得油缸13在伸出或缩回时的最大压力p_lmax，通过第二压力传感器20获得液压蓄能器19的压力p_a；第一变量泵/马达9的前后压差△p_m1＝p_a-p_lmax,根据油缸13的目标速度(由人为设定)和油缸13的参数可以计算第一变量泵/马达9的目标流量Q_m1，忽略第一电动/发电机8和第一变量泵/马达9之间的能量损耗，第一电动/发电机8的工作功率p_e1＝△p_m1*Q_m1；根据第一电动/发电机8的万有特性曲线可以获得第一电动/发电机8在工作功率为p_e1所对应的效率最高点(T_et,n_et)，因此，第一电动/发电机8的目标转速可以通过控制器22输出给第一电机控制7设定为n_et,而第一变量泵/马达9的排量q_m1为：q_m1＝T_et/△p_m1，其中T_et和n_et分别代表最高效率工作点所对应的扭矩和转速。

(3)旋转驱动工作原理

1)以驱动转台18为例，设定转台18的目标转速信号n_et，此信号乘以减速器17的减速比i获得第二电动/发电机15的目标转速n_et2,第二电动/发电机15的目标转速可以通过控制器22输出给第二电机控制器14设定为n_et2,

2)第二变量泵/马达16的主要作用是根据第二电动/发电机15的转速差△n_e2和液压蓄能器19的压力动态调整排量，进而控制转台18的加减速扭矩。

△n_e2＝n_et2-n_et,当△n_e2较大时，即大于△n_e2c1，说明第二电动/发电机15的实际转速和目标转速的转速差较大，此时通过控制器22调节第二变量泵/马达16的变量装置，把第二变量泵/马达16的排量设置为最大值q_m2max，保证第二电动/发电机15的快速响应；同理，当△n_e2较小时，即小于△n_e2c2时，说明第二电动/发电机15的实际速度接近目标转速，此时通过控制器22调节第二变量泵/马达16的变量装置，把第二变量泵/马达16的排量可以设置成一个较小值q_m2min，而当转速差值△n_e2介于△n_e2c1和△n_e2c1之间时，用△n_e2动态修改第二变量泵/马达16的排量，即△n_e2差值越大，第二变量泵/马达16的排量也越大，因此，第二变量泵/马达16的排量控制规则如下：

$q_{m2}=\left\{\begin{array}{c}{q}_{m2\max };{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2c1}\\ q_{m2\max }\frac{{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2}}{{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2c1}};{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2c2}<{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2}<{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2c1}\\ q_{m2\min };{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2}<{\mathrm{\&Delta;n}}_{e2c2}\end{array}\right.$

其中，△n_e2c1和△n_e2c2是第二电动/发电机15的转速差的判断阈值，其中△n_e2c1大于△n_e2c2。

转台18的制动工作原理参考驱动工作原理，此时第二电动/发电机15工作在发电模式，第二变量泵/马达16工作在泵模式，把转台18的制动动能转换成液压能储存在液压蓄能器18中，部分转换电能储储存在电量储存单元6中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于电气控制的新型二次调节***，其包括驱动电机(1)、液压泵(2)、安全阀(3)、逆变器(4)、单向阀(5)、电量储存单元(6)、第一电机控制器(7)、第一电动/发电机(8)、第一变量泵/马达(9)、换向阀(10)、第一压力传感器(11)、梭阀(12)、油缸(13)、第二电机控制器(14)、第二电动/发电机(15)、第二变量泵/马达(16)、减速器(17)、转台(18)、液压蓄能器(19)、第二压力传感器(20)、其它执行器液压驱动***(21)以及控制器(22)；

驱动电机(1)和液压泵(2)同轴机械相连；第一变量泵/马达(9)和第一电动/发电机(8)同轴机械相连；第二变量泵/马达(16)、减速器(17)的输入轴以及第二电动/发电机(15)同轴机械相连；减速器(17)的输出轴和转台(18)机械相连；

液压泵(2)的出口分两路：第一路接安全阀(3)；第二路接单向阀(5)的进油口；单向阀(5)的出口分五路：第一路接第一变量泵/马达(9)的进油口，第一变量泵/马达(9)的出油口和换向阀(10)的P口相连；第二路接第二变量泵/马达(16)的进油口,第二变量泵/马达(16)的出油口接油箱；第三路接液压蓄能器(19)；第四路接第二压力传感器(20)；第五路接其它执行器液压驱动***(21)；换向阀(10)的T口接油箱，换向阀(10)的A口和梭阀(12)的油口A1以及油缸(13)的无杆腔相连，换向阀(10)的B口和梭阀(12)的油口A2以及油缸(13)的有杆腔相连；

逆变器(4)、第一电机控制器(7)的电源输入端以及第二电机控制器(14)的电源输入端和电量储存单元(6)相连，第一电机控制器(7)的动力输出端和第一电动/发电机(8)电性相连，第二电机控制器(14)的动力输出端和第二电动/发电机(15)电性相连；

控制器(22)的输入信号包括第一压力传感器(11)的输出信号以及第二压力传感器(20)的输出信号；控制器(22)的输出信号包括第一电机控制器(8)的输入信号、第二电机控制器(14)的输入信号以及逆变器(4)的输入信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于电气控制的新型二次调节***，其特征在于：所述第一电动/发电机(8)和所述第二电动/发电机(15)均安装有测量转速的传感器，所述传感器为旋转变压器或光电编码器。

3.根据权利要求1所述的一种基于电气控制的新型二次调节***，其特征在于：所述换向阀(10)为手动控制换向阀、电磁控制换向阀、电液控制换向阀以及液动控制换向阀中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于电气控制的新型二次调节***，其特征在于：所述其它执行器液压驱动***(21)包括用以驱动其它油缸直线运动的油缸驱动***和用以驱动其它转台做旋转运动的转台驱动***。