直驱式伺服泵控电液混合驱动的液压缸控制系统及控制方法

摘要

直驱式伺服泵控电液混合驱动的液压缸控制系统及控制方法，控制系统包括伺服电机驱动模块、泵控缸模块以及辅助油路模块，由伺服驱动器控制伺服电机驱动双向泵产生液压能，双向泵的两路油路分别连接液压缸的有杆腔和无杆腔，油箱用于有杆腔和无杆腔流量不平衡时的补油和泄油，由伺服电机的正反转向控制液压缸的活塞杆运动方向。本发明能够有效解决泵控液压控制系统中的流量不对称性问题，减少系统的循环用油液量和油液流动产生的压力损失，整个系统紧凑，易实现一体化，并极大地减少了以往电液伺服系统因比例阀或伺服阀的压差流量特性带来的压力损失和发热。

说明书

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及电液伺服系统，为一种直驱式伺服泵控电液混合驱 动的液压缸控制系统及控制方法。

背景技术

目前的电液伺服系统工作时，必须通过一系列各种功能的阀，特别是需要比例阀、 伺服阀等来控制工作液体的压力、流速、流向，从而使各液压缸按照工艺要求完成应有 的动作。同时，不可避免存在结构复杂、能耗大、发热量严重、噪音高、振动大、油液 过滤精度要求高、节流损失大等缺陷。

泵控液压控制系统，将原来的控制方式由阀控革命性的变革为泵控，将原来的节流 调速原理，能量损耗大，系统易发热，效率低等缺点抛弃，充分利用容积调速，节能环 保，同步精度高，响应快。由于双作用液压缸面积比较大（可达12：1），上下腔排油 和进油流量相差很大，而泵因为其容积控制，从而决定了吸油量和排油量是相等的，因 此而产生的流量不对称性成为泵控系统亟待解决的控制问题。

目前国内各高校分别在船舶及节能电梯等应用领域进行泵控系统的基础研究。目前 的泵控方案采用单个或两个液控单向阀或者采用双泵控制解决泵控非对称缸的流量不 平衡问题。其中液控单向阀控制实现方式是将液压缸流量不平衡的一腔直接与油箱连 接，通过系统压力自动控制其从油箱补油或向油箱排油。对于向油箱排油侧，一方面， 油液的快速无负载流动产生了额外的压力损失和发热；另一方面，油箱因为要足够容纳 油缸快速运行时所需的油液量，因而油箱体积难以减小，无法体现出泵控的节能优势即 减少油液介质的用量和消耗量。此外，液控方式增加了系统控制的复杂度。

而双泵控制方案，仅解决了补油问题和液控压力提供，带来的问题是系统体积更大， 功率更大，能源效率降低，性价比不高。

发明内容

本发明要解决的问题是：泵控液压控制系统在理论上具有节能环保，同步精度高， 响应快的优点，但在实际应用中现有技术对于泵控液压控制系统的流量不对称性问题没 有合适的解决办法，系统控制复杂、能源效率低、性价比不高。

本发明的技术方案为：直驱式伺服泵控电液混合驱动的液压缸控制系统，包括伺服 电机、双向泵、差动卸荷阀、第一单向阀、第二单向阀、油箱、液压缸和伺服驱动器， 液压缸的活塞杆腔环形截面积和活塞截面积之比不为1，伺服驱动器连接伺服电机，伺 服电机的输出连接双向泵，双向泵分两路油路，第一油路连接至液压缸的无杆腔，第二 油路连接至液压缸的有杆腔，所述两路油路分别分出一支路经安全阀连接至油箱，第二 油路经第一单向阀、差动卸荷阀单向连接至第一油路，油箱连接差动卸荷阀的油口B， 油箱还通过第二单向阀单向连接至第二油路。

进一步的，所述两路油路上分别设有压力传感器。

进一步的，液压缸的活塞杆对应设有位移传感器。

上述直驱式伺服泵控电液混合驱动的液压缸控制系统的控制方法，由伺服驱动器控 制伺服电机直接驱动双向泵产生液压能，实现对液压缸的压力、流量、方向的复合控制， 双向泵的两路油路分别连接液压缸的有杆腔和无杆腔，油箱用于有杆腔和无杆腔流量不 平衡时的补油和泄油，由伺服电机的正反转向控制液压缸的活塞杆运动方向：

伺服电机正转时，驱动双向泵将液压缸有杆腔的油及油箱的油液吸出，由第二油路 流向第一油路，最终流入无杆腔，使活塞杆伸出；

伺服电机反转时，驱动双向泵将液压缸无杆腔的油的吸出，油液由第一油路流向第 二油路，最终流入有杆腔和油箱，使活塞杆退回。

差动卸荷阀与第一单向阀共同实现对液压缸的快速差动控制，以及实现液压缸活塞 杆伸出和缩回时的不平衡流量的补油和泄油，对液压缸的控制具体为：

活塞杆快速伸出：伺服电机带动双向泵正转，油箱的油液流过第二单向阀，由第二 油路进入双向泵的吸油腔，再由第一油路进入液压缸的无杆腔，此时差动卸荷阀一侧得 电，油口P到油口A接通，有杆腔排出的油经第一单向阀和差动卸荷阀直接向液压缸无 杆腔补充油量,形成差动回路，由所述两路向无杆腔的进油实现活塞杆的快速伸出；

活塞杆慢速伸出:伺服电机带动双向泵正转，差动卸荷阀不得电，保持中位机能闭锁， 油口全部关闭，在双向泵的液压能下，油箱中的油液经第二单向阀与液压缸有杆腔排出 的油液一起由第二油路流入双向泵的吸油腔，双向泵的排油腔输出油液到液压缸无杆 腔，活塞杆伸出；

活塞杆退回：伺服电机带动双向泵反转，在双向泵的液压能下，液压缸无杆腔的油 液经第一油路流向双向泵的吸油腔，再由第二油路流入液压缸有杆腔，此时差动卸荷阀 一侧得电，油口P到油口B接通，无杆腔的一部分油液同时由差动卸荷阀泄流到油箱。

进一步的，活塞杆退回时，通过对伺服电机的转速控制，控制双向泵排出的油液流 量变化，实现对液压缸活塞杆退回速度的控制。

进一步的，两路油路上分别设有压力传感器，压力传感器反馈信号到伺服驱动器形 成对两路油路的压力闭环控制，液压缸的活塞杆对应设置位移传感器，通过位移传感器 反馈信号到伺服驱动器形成对活塞杆的位置闭环控制。

本发明利用伺服电机直接驱动双向泵，通过对伺服电机的扭矩控制、转速控制和方 向控制模式，实现对工作液体的压力、流速、流向的控制，从而达到调节液压缸运动速 度和方向的目的。本发明可以有效减少系统的循环用油液量，结构简单器件少，能够缩 短油液流通的路线，从而减少油液流动产生的压力损失，使得整个系统更紧凑和易实现 一体化并有效减少发热；使液压缸快速伸出时补油更及时，响应更快，有效避免泵的吸 空和液压缸的气蚀问题，延长元件寿命，提高泵的响应速度。此外，采用双向泵的容积 控制极大地减少了因比例阀或伺服阀的节流控制压差流量特性带来的压力损失和发热。

本发明通过差动卸荷阀，一方面在液压缸活塞杆伸出时，可以形成差动回路，提高 液压缸速度和响应；另一方面，在液压缸活塞杆缩回时，液压缸两腔进油和排油量的差 异引起的流量不平衡，多余的油液将通过差动卸荷阀卸荷到油箱。

附图说明

图1为本发明直驱式伺服泵控电液混合驱动的液压缸控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过一个具体实施例来说明本发明的实施。

如图1，本发明的液压缸控制系统包括伺服电机1、双向泵2、差动卸荷阀3、第一 单向阀4、第二单向阀6、油箱9、液压缸10和伺服驱动器13，其中液压缸10的活塞 杆腔环形截面积和活塞截面积之比不为1，控制系统的结构为：伺服驱动器13连接伺服 电机1，伺服电机1的输出连接双向泵2，双向泵2分两路油路，第一油路连接至液压 缸10的无杆腔，第二油路连接至液压缸10的有杆腔，所述两路油路分别分出一支路经 安全阀7、8连接至油箱9，安全阀用于保证两路油路的油压正常，第二油路经第一单向 阀4、差动卸荷阀3单向连接至第一油路，油箱9连接差动卸荷阀3的油口B，油箱9 还通过第二单向阀6单向连接至第二油路。

其中，两路油路上分别设有压力传感器，用于液压缸控制系统对液压缸的压力闭环 控制，液压缸10的活塞杆对应设有位移传感器11，用于液压缸控制系统对液压缸活塞 杆的位置闭环控制。

本发明控制系统包括伺服电机驱动模块、泵控缸模块以及辅助油路模块，其中电机 驱动模块包括伺服电机1及伺服驱动器13，伺服驱动器13完成伺服电机转速及转向的 控制；泵控缸模块由双向泵2和液压缸10组成，通过控制双向泵2的流量、压力、转 向来控制液压缸10的速度、位移和方向；辅助油路模块起过载保护和限制功能，包括 差动卸荷阀3、第一单向阀4、第二单向阀6和油箱9，两个单向阀主要解决液压缸10 不对称活塞在缸容积控制流量不平衡时的补油和泄油问题。例如，对于垂直安装的液压 缸，在当活塞向下运动时，即活塞杆伸出时，低压油的排出量小于高压油的流人量，即 液压缸10有杆腔的排油量小于无杆腔的进油量，出现低压油供油不足，回路油压降低， 第二单向阀6自动打开，通过由油箱9吸油的方式向低压回路补油；反之，当活塞向上 运动时，即活塞杆退回时，无杆腔的液压油流出量大于有杆腔的流人量，此时差动卸荷 阀3打开，进行卸油，使双向泵2的流入流出液压油量保持平衡。来自位移传感器11 的位移信号经处理后送入伺服驱动器，根据活塞杆的状态驱动伺服电机，达到压力流量 复合控制的目的。

本发明对液压压力、流量以及液压缸的方向的控制均由伺服电机正反转向以及其闭 环控制模式来实现。其中，第一单向阀4确保只在液压缸10活塞杆伸出时，有杆腔排 出的油液单向进入液压缸10无杆腔,而无杆腔油液不可能流入有杆腔。

下面通过工作原理说明本发明对液压缸10的具体控制方法：

首先说明活塞杆的伸出，由于活塞杆伸出时,液压缸10有杆腔(小腔)排出的油量小 于无杆腔(大腔)所需的油量,因此必须补油。活塞杆伸出包括以下两种模式：

活塞杆快速伸出：伺服电机1带动双向泵2正转，油箱9的油液流过第二单向阀6， 由第二油路进入双向泵2的吸油腔，再由第一油路进入液压缸10的无杆腔，此时差动 卸荷阀3一侧得电，油口P到油口A接通，有杆腔排出的油经第一单向阀4和差动卸荷 阀3直接向液压缸10无杆腔补充油量,形成差动回路，由所述两路向无杆腔的进油实现 活塞杆的快速伸出；其中，理论上有杆腔与双向泵是有第二油路连通的，在快速伸出时， 无杆腔需要的油液大于有杆腔，所以还需要从油箱里补油，由于差动卸荷阀打开，这里 看作有杆腔油液经第一单向阀4、差动卸荷阀3快速直接进入无杆腔，形成差动回路， 同时双向泵2从油箱9吸入另一部分油液作为补油供给无杆腔，两条路径实现无杆腔的 快速进油，使得无杆腔油液快速推动活塞杆伸出。

活塞杆慢速伸出:伺服电机1带动双向泵2正转，差动卸荷阀3不得电，保持中位机 能闭锁，油口全部关闭，第二单向阀6打开，油箱9中的油液经第二单向阀6与液压缸 10有杆腔排出的油液由第二油路一起流入双向泵2的吸油腔，双向泵2的排油腔输出油 液到液压缸10无杆腔，活塞杆伸出。与快速伸出的模式相比，油液只有一路路径，都 经过双向泵2和第一油路再流入无杆腔，速度慢于快速模式。

由于活塞杆伸出时，进入无杆腔的包括有杆腔排出的油和油箱9的补油两部分，因 此在活塞杆退回时，无杆腔(大腔)排出的油量大于有杆腔(小腔)所需的油量,因此需要泄 油：

活塞杆退回：伺服电机1带动双向泵2反转，液压缸10无杆腔的油液经第一油路 流向双向泵2的吸油腔，再由第二油路流入液压缸10有杆腔，带动活塞杆退回，此时 差动卸荷阀3一侧得电，油口P到油口B接通，无杆腔的一部分油液同时由差动卸荷阀 3的油口B泄流到油箱9。

其中活塞杆退回时，通过对伺服电机1的转速控制，控制双向泵2排出的油液流量 变化，实现对液压缸10活塞杆退回速度的控制。

本发明能够有效解决泵控液压控制系统中的流量不对称性问题，适用于垂直或其他 非水平安装结构形式的液压缸。