一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电液控制技术领域，尤其涉及一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统及其控制方法。
背景技术
随着航空航天和传统工业领域对驱动机构使用灵活、能耗小的要求日益增加，液压作动器系统作为一种将电机、液压泵、液压阀和液压缸等元件高度集成的系统，因其功重比和传动效率较高的优势开始被逐渐应用。但是，传统的液压作动器系统只能通过改变泵的输出流量来调速，控制自由度低；当执行元件为非对称缸时，液压系统存在流量不平衡特性影响液压系统的控制精度；液压缸工作时难以实现安全可靠的定位。电液伺服阀虽然响应时间较短并且可以获得较高的控制精度，但其抗污染能力差、发热较大；因此现有的液压作动器系统均存在一定的不足和缺陷，还具有很大的提升和完善的空间。高速开关阀是一种新型的数字式电液转换控制元件，可通过信号控制阀口开启时间从而精确控制通流流量，且具有结构简单、成本低、抗污染性能好、响应快、工作可靠等优点。为了更好地实现液压作动器系统向高效节能、高频响、高控制精度和高可靠性的方向发展，我们有必要提出一种基于高速开关阀的闭式泵阀复合调速的液压作动器系统，在进油路上增加流量控制阀，从而对传统系统进行了优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效解决传统的液压作动器系统存在的控制精度低、控制手段单一、精度低和动作安全性低等问题的一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统，该系统包括由伺服电机驱动的双向定量液压泵和分别与双向定量液压泵两侧泵油口相连通的第一高速开关阀和第二高速开关阀，以及连接在第一高速开关阀和第二高速开关阀输出端之间的蓄能器；所述双向定量液压泵两侧泵油口还分别连通有第三高速开关阀和第四高速开关阀，所述第三高速开关阀和第四高速开关阀的输出端之间连接有液压缸；所述蓄能器的进出油路和液压缸无杆腔的进出油路以及液压缸有杆腔的进出油路上均设置有压力传感器，且液压缸活塞杆底部设置有位移传感器，所述压力传感器和位移传感器的输出信号由运动控制器接收处理；所述第一至第四高速开关阀均由运动控制器进行控制，且所述伺服电机与运动控制器之间设置有速度编码器。
所述双向定量液压泵的两侧泵油口之间并联有第一压力保护阀和第二压力保护阀，且所述液压缸两腔油路之间并联有第三压力保护阀和第四压力保护阀。
所述运动控制器由信号处理模块、信号输出模块、信号采集模块、系统状态检测模块和状态显示屏构成。
所述第一至第四高速开关阀由运动控制器基于PCM信号进行控制，且第一至第四高速开关阀在断电状态下均关闭。
首先由信号采集模块采集速度编码器、压力传感器和位移传感器输出的伺服电机转速信号、蓄能器压力信号、液压缸无杆腔压力信号、液压缸有杆腔压力信号和液压缸活塞杆位移信号，然后由系统状态监测模块接收并发送到信号处理模块中，对输入的指令信号和反馈信号进行处理后发送到信号输出模块和状态显示屏；伺服驱动器输出驱动信号控制伺服电机转动，同时伺服电机的转速由速度编码器接收后反馈至伺服驱动器，由伺服驱动器完成对伺服电机转数的精确闭环控制，伺服电机驱动双向定量液压泵输出压力和流量；高速开关阀由信号输出模块输出的PCM指令信号控制阀口开闭时间，实现对阀口流出油液的压力和流量的控制；双向定量液压泵和高速开关阀共同影响液压缸无杆腔和液压缸有杆腔的压力和流量，最终实现对液压缸活塞杆速度的控制。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
通过引入高速开关阀实现了液压作动器系统的数字化控制；在系统进油路上增加了高速开关阀，且当高速开关阀做节流阀时，实现了泵阀复合调速，提高了系统的控制自由度和控制精度；当高速开关阀只做开关阀使用时，可实现纯容积调速，节能效果显著；进油路上增加的高速开关阀在关闭状态时可做负载保持阀，实现液压缸的精确定位和压力保持；此外，高速开关阀作为蓄能器的吸排油阀可控制蓄能器的补油过程，抑制非对称液压缸的流量不平衡特性，从而使本发明具有控制灵活、精度高、响应快、节能效果显著和安全性高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统一个实施例的液压系统原理示意图；
图2是本发明的控制方法原理示意图；
其中，附图标记：1、伺服电机；2、双向定量液压泵；201、上泵油口；202、下泵油口；3、开关阀组件；301、第一高速开关阀；302、第二高速开关阀；303、第三高速开关阀；304、第四高速开关阀；4、保护阀组件；401、第一压力保护阀；402、第二压力保护阀；403、第三压力保护阀；404、第四压力保护阀；5、蓄能器；6、液压缸；601、液压缸无杆腔；602、液压缸活塞；603、液压缸活塞杆；604、液压缸有杆腔；7、压力传感器；8、位移传感器；9、速度编码器；10、运动控制器；1001、信号处理模块；1002；信号输出模块；1003、信号采集模块；1004、系统状态监测模块；1005、状态显示屏。
具体实施方式
参见图1，给出了本发明所提出的一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统的一个实施例的原理结构。所述系统包括伺服电机1、双向定量液压泵2、开关阀组件3、保护阀组件4、蓄能器5、液压缸6、压力传感器7、位移传感器8、速度编码器9和运动控制器10。
所述伺服电机1的动力输出轴与双向定量液压泵2的动力输入轴相连，伺服电机1驱动双向定量液压泵2完成吸油和排油过程；所述双向定量液压泵2两侧油口与开关阀组件3相通，本实施例中，所述开关阀组件3包括分别与上泵油口201和下泵油口202相连通的第一高速开关阀301和第二高速开关阀302，以及分别与上泵油口201和下泵油口202相连通的第三高速开关阀303和第四高速开关阀304，且第一高速开关阀301和第二高速开关阀302分别与第三高速开关阀303和第四高速开关阀304并联；所述蓄能器5连接在第一高速开关阀301和第二高速开关阀302的输出端之间，其吸排油由第一高速开关阀301和第二高速开关阀302控制；所述第三高速开关阀303和第四高速开关阀304并联在液压缸6的两腔油路之间，且所述第一至第四高速开关阀均为二通阀，断电状态下阀口保持关闭；所述压力传感器7分别接在蓄能器5的进出油路和液压缸无杆腔601的进出油路以及液压缸有杆腔604的进出油路上，所述位移传感器8接在液压缸活塞杆603底部，所述压力传感器7和位移传感器8的输出信号由运动控制器接收处理；所述第一至第四高速开关阀均由运动控制器10基于PCM信号进行控制；所述速度编码器9设置在伺服电机1与运动控制器10之间，运动控制器10可控制伺服电机1的转速。
所述运动控制器10由信号处理模块1001、信号输出模块1002、信号采集模块1003、系统状态监测模块1004、状态显示屏1005构成，实现整个系统的信号处理与系统状态显示。
所述保护阀组件4包括并联在双向定量液压泵2两侧泵油口之间的第一压力保护阀401和第二压力保护阀402，以及并联在液压缸6两腔油路之间的第三压力保护阀403和第四压力保护阀404，其中，所述第一压力保护阀401和第二压力保护阀402的压力调定值相同且进出口方向相反，当第三高速开关阀303和第四高速开关阀304做负载保持阀时由第一压力保护阀401和第二压力保护阀402来保护双向定量液压泵2处于安全压力；所述第三压力保护阀403和第四压力保护阀404的压力调定值相同，为液压缸6工作时的最高压力且进出口方向相反，系统正常工作时压力保护阀的阀口关闭，当系统压力突然升高时，对应压力保护阀开启溢流，保证系统和液压缸6的压力不超过最高允许压力。
本发明选择附图1所示的液压系统原理作为优选实施例，本实施例中，所述第一高速开关阀301、第二高速开关阀302、第三高速开关阀303和第四高速开关阀304的功能均由单个阀实现，在本发明的具体实施过程中可根据系统流量的不同，可将第一至第四高速开关阀分别用并联的高速开关阀组替代，以实现大流量的控制，每组阀的功能与单个阀相同，运动控制器10发出的信号应控制每一个阀口的启闭，以此实现流量的通断与大小调节；所述液压缸6的结构形式为单出杆非对称液压缸，即液压缸活塞杆603仅在一端伸出，且液压缸活塞602两端的油液压力作用面积不相等。
参见图2，为本发明所提出的一种闭式泵阀复合调速的数字液压作动器系统的控制方法原理示意图。首先由信号采集模块1003采集速度编码器9、第一压力传感器7和位移传感器8输出的伺服电机1转速信号、蓄能器5压力信号、液压缸无杆腔601压力信号、液压缸有杆腔603压力信号和液压缸活塞杆604位移信号，由系统状态监测模块1004接收并发送到信号处理模块1001中，对输入的指令信号和反馈信号进行处理后发送到信号输出模块1002和系统状态显示屏1005。伺服驱动器输出驱动信号控制伺服电机1转动，同时伺服电机1的转速由速度编码器9接收后反馈至伺服驱动器，由伺服驱动器完成对伺服电机1转数的精确闭环控制，并驱动双向定量液压泵2输出压力和流量；开关阀组件3根据PCM指令信号控制阀口开闭时间，实现对阀口流出油液的压力和流量控制；双向定量液压泵2和开关阀组件3共同影响液压缸无杆腔601和液压缸有杆腔603的压力和流量，最终实现对液压缸活塞杆604速度的控制。
本发明在工作过程中，由伺服电机1带动双向定量液压泵2实现对系统的供油，油液经过第三高速开关阀303和第四高速开关阀304进入液压缸有杆腔603或无杆腔601从而控制液压缸6的伸出或缩回，液压缸6的换向动作是通过改变伺服电机1的转动方向实现的；系统对液压缸6的控制可采用两种调速模式：容积调速模式和复合调速模式，以下分别对两种模式进行说明。
当系统为纯容积调速模式时，本发明中的第三高速开关阀303和第四高速开关阀304仅作为开关阀使用，而不用来节流，液压缸6伸出时，双向定量液压泵2的上泵油口201为高压油口，下泵油口202为回油油口，油液经过第三高速开关阀303进入液压缸无杆腔601，驱动液压缸活塞602运动，使活塞杆604伸出，无杆腔601中油液经过第四高速开关阀304回到双向定量液压泵2完成一个工作循环，进一步的，若第三高速开关阀303和第四高速开关阀304关闭，则液压缸6为负载保持状态，有助于液压缸6实现定位；在此过程中，由于非对称缸两腔容积的差异，使得系统回油路上的压力为零压或负压，因此当第二高速开关阀302打开时，蓄能器5中存储的油液即可补给到回油路上，从而保证双向定量液压泵2吸入与排出的流量相同，抑制了非对称缸的流量不平衡特性；压力保护阀402和404在伸出过程中保持关闭，若系统压力升高到设定值则会打开，分别用来保护双向定量液压泵2和液压缸6。
液压缸活塞杆604缩回时，回路中油液的流动与上述液压缸活塞杆604伸出过程的原理基本相同，油液流动方向相反；在此过程中，由于非对称液压缸两腔的容积差，回油路上的油液压力高于进油路，此时第一高速开关阀301打开，使得蓄能器5将无杆腔601流出的多余油液储存起来，从而实现泵输出与输入流量相同，进而抑制了非对称缸的流量不平衡特性；压力保护阀401和403在缩回过程中保持关闭，若系统压力升高到设定值则会打开分别保护双向定量液压泵2和液压缸6。
当系统为复合调速模式时，第一至第四高速开关阀均作节流阀使用；液压缸活塞杆604伸出时，系统中油液流动路线以及各元件功能与纯容积调速模式相同，可通过四个高速开关阀的节流作用实现不同油路上的调速，进而实现复合调速增加了系统的控制自由度；当系统采用进油路节流调速时，液压缸活塞杆604伸出工况下，高速开关阀301关闭，高速开关阀303和304作节流阀用，通过控制开闭时间达到对通流流量的控制，高速开关阀302打开，使得蓄能器5中的高压油液流入回油路实现流量补偿；液压缸活塞杆604缩回工况下，高速开关阀302关闭，高速开关阀303和304作节流阀用，高速开关阀301打开，使得蓄能器5将回油路中的多余流量存储下来；当系统通过旁路节流进行调速时，液压缸活塞杆604伸出工况下，高速开关阀303和304打开，高速开关阀301在PCM信号的控制下实现节流，油液经过旁路流入蓄能器5中，而后高速开关阀302打开的同时高速开关阀301关闭从而实现蓄能器5对回油路的补油；液压缸活塞杆604缩回工况下，高速开关阀302打开使得油液经过旁路流入蓄能器5中，而后高速开关阀301打开的同时高速开关阀302关闭从而实现蓄能器5对回油路的吸油；液压缸6工作过程中高速开关阀301和302不能同时打开，否则会使系统卸压；当系统通过进旁路复合节流调速时，综合上述两种调速路线，将会很大程度地提高系统的控制自由度和控制精度，并且增大了系统的调速范围。
泵阀复合调速方法结合了泵控节能和阀控精准的优点，当系统实际速度与目标值相差较大时采用容积调速模式快速调节，当系统实际速度与目标速度差值较小时采用复合调速模式精确调节，两种调速方法共同影响着系统的速度控制，从而在保证系统控制精度的前提下最大限度的提高系统的节能效果。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
