专利名称：液压泵马达转矩控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制领域，特别是涉及一种液压泵马达转矩控制方法及系统。
背景技术：
液压混合动力是解决能源危机和环境污染问题的有效措施之一。液压泵马达作为混合动力系统的能量转换装置，制动时将制动动能转换为液压能，并存储于液压蓄能器中，在起动时将存储的液压能转换为机械能来驱动车辆。由于液压混合动力系统是一个典型的非线性系统，且存在着许多不确定因素，这些非线性和不确定性使系统的动态特性十分复杂，要建立系统的精确数学模型比较困难，传统控制算法无法实现对液压泵马达的精确控制。 在起动和制动中，液驱泵马达的工作压力在最高工作压力和最低工作压力范围内频繁变化，系统呈现出强非线性；外负载干扰扭矩也随着路面的坡度、加减速及变速器档位的调整情况而发生变化；另外系统的流量系数、泄漏系数、轮胎与路面间的摩擦系数等具有明显的不确定性，且随着工作状态、温度等而缓慢变化。传统的液压泵马达米用PID(Proportion Integration Differentiation,比例积分微分)控制方法。图I为现有技术中液压泵马达转矩控制系统的示意图。PID转矩控制器I在接收到转矩指令后，利用该转矩指令得到第一控制信号，斜盘位置控制器2根据第一控制信号生成对控制阀3进行控制的第二控制信号，控制阀3根据第二控制信号生成对变量油缸4进行控制的第三控制信号，变量油缸4根据第三控制信号对液压泵马达进行控制。这种控制方法适应性能差，尤其是低速时的摩擦力矩干扰恶化了液压泵马达的性能，主要体现在系统的稳态误差及跟踪滞后等方面，从而限制了液压混合动力技术的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种液压泵马达转矩控制方法及系统。通过双闭环控制方法，可提高液压泵马达的控制精度，使系统对各种干扰能够进行快速有效的抑制。根据本发明的一个方面，提供了一种液压泵马达转矩控制方法，包括第一加法器将目标转矩信号和乘法器提供的液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号；PID转矩控制器根据转矩误差信号生成第一控制信号；第二加法器将第一控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号；斜盘位置控制器根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号；控制阀根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号；变量油缸根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制；其中压力检测装置通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，位移检测装置通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，乘法器将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值。根据本发明的另一方面，提供了一种液压泵马达转矩控制系统，包括
位移检测装置，用于通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，并将变量油缸位移信号发送给第二加法器和乘法器；压力检测装置，用于通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，并将工作压力信号发送给乘法器；乘法器，用于将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值，并将液压泵马达输出转矩在线估计值发送给第一加法器；第一加法器，用于将目标转矩信号和液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号，并将转矩误差信号发送给PID转矩控制器；PID转矩控制器，用于根据转矩误差信号生成第一控制信号，并将第一控制信号发送给第二加法器；第二加法器，用于将第一控制信号和变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号，并将第二控制信号发送给斜盘位置控制器；斜盘位置控制器，用于根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号，并将第三控制信号发送给控制阀；控制阀，用于根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号，并将第四控制信号发送给变量油缸；变量油缸，用于根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制。本发明通过对液压泵马达出油口压力和液压泵马达变量油缸位置的测量结果进行反馈，形成液压泵马达双闭环控制，可提高液压泵马达的控制精度，使系统对各种干扰能够进行快速有效的抑制，并且容易在实际工程中实现，可有效降低控制系统成本。
图I为现有技术中液压泵马达转矩控制系统的示意图。图2为本发明液压泵马达转矩控制方法一个实施例的示意图。图3为本发明液压泵马达转矩控制方法另一实施例的示意图。图4为本发明液压泵马达转矩控制系统一个实施例的示意图。图5为本发明液压泵马达转矩控制系统另一实施例的示意图。图6为本发明液压泵马达转矩控制系统又一实施例的示意图。图7为本发明前馈补偿装置一个实施例的示意图。图8为应用本发明液压泵马达转矩控制方法的液压泵马达排量控制效果图。图9为应用本发明液压泵马达转矩控制方法的液压泵马达转矩控制效果图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。图2为本发明液压泵马达转矩控制方法一个实施例的示意图。如图2所示，该实施例包括如下步骤步骤101，第一加法器将目标转矩信号和乘法器提供的液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号。步骤102，PID转矩控制器根据转矩误差信号生成第一控制信号。步骤103，第二加法器将第一控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号。步骤104，斜盘位置控制器根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号。步骤105，控制阀根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号。步骤106，变量油缸根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制。
其中压力检测装置通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，位移检测装置通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，乘法器将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值。基于本发明上述实施例提供的液压泵马达转矩控制方法，通过对液压泵马达出油口压力和液压泵马达变量油缸位置的测量结果进行反馈，形成液压泵马达双闭环控制，从而可提高液压泵马达的控制精度，使系统对各种干扰能够进行快速有效的抑制，并且容易在实际工程中实现，可有效降低控制系统成本。优选的，控制阀为液压伺服阀或液压比例阀。优选的，在步骤101之前，还包括转矩调整器根据用户设定的转矩强度调整信号a，对原始转矩指令Ttjw进行调整，得到目标转矩信号I；，其中I； = TobjX a，0彡a彡I。用户可根据自身的驾驶习惯，手动调整制动强制开关，为转矩调整器发送转矩强度调整信号。由此，可以通过利用转矩强度调整信号对原始转矩指令进行调整。优选的，PID转矩控制器根据转矩误差信号e(k)，采用下列条件生成第一控制信号 u (k)若I e (k) I >eml,则 u (k) = 土 Umax ；若e (k) A e (k) >0 或 A e (k) = 0, e (k)古 0 时当eml> I e (k) | >em2,则 u (k) =u (k_l) +Mk0e (k) +k:e (k_l) +k2e (k_2)；当I e(k) I <em2 ,贝U；若e (k) Ae (k) <0 时当eml> I e (k) | >em2,则 u (k) =u (k_l) +k0e (k) _kpe (k_l)；当|e(k) |〈em2,贝U u(k)=u(k-l)+Nk0e(k)-kpe(k_l)；若e (k) A e (k) =0，e (k) =0，则 u (k) =u (k_l)；其中eml为预设的最大误差阈值，effl2为预设的最小误差阈值，Ufflax为最大控制量，M、N 为控制系数，0〈N〈1，M>1 ；k0 = kp+ki+l^ke-Gcpkdhkfl^lvkpkd 分别为比例系数、积分系数和微分系数。其中u(k)为时间序列，k为该时间序列中的第k个序列值。优选的，斜盘位移控制器根据第二控制信号el (k)，采用ul (k) =ul (k~l) +kp[el (k) -el (k_l) ] +kjel (k) +kd[el (k) _2el (k_l) +el (k_2)]生成第三控制信号ul (k)，其中kp、kp kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。图3为本发明液压泵马达转矩控制方法另一实施例的示意图。与图2所示实施例相比，在图3所示实施例中，将步骤103替换为步骤201和步骤202。其中
步骤201，第二加法器将第一控制信号和前馈补偿装置提供的摩擦转矩补偿值相力口，得到第五控制信号。步骤202，第二加法器将第五控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号。其中前馈补偿装置检测液压泵马达的转速《，通过M(Q)) = [MC+(Ms- Mc)er(mu%)1 +a2\m |]sgn( )生成液压泵马达的摩擦转矩参考值，其中M。为库仑摩擦力矩，Ms为最大静摩擦力矩，Otl为边界润滑摩擦临界速度，a 2为粘性摩擦系数；并利用Gc(S)= ^A；7'S
生成前馈补偿函数值，其中Ag为变量油缸活塞有效作用面积，Xmax为变量油缸活塞最大位移，Dmax为液压泵马达最大排量，Kv为控制阀流量增益，p为液压泵马达进出油口压力差，s为对控制变量的求导。最后将摩擦转矩参考值和前馈补偿函数值相乘，得到摩擦转矩补偿值。通过摩擦前馈补偿方式，能够提供液压泵马达的低速控制性能，从而可提高液压泵马达的控制精度。图4为本发明液压泵马达转矩控制系统一个实施例的示意图。如图4所示，液压泵马达转矩控制系统包括位移检测装置41，用于通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，并将变量油缸位移信号发送给第二加法器46和乘法器43。压力检测装置42，用于通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，并将工作压力信号发送给乘法器43。乘法器43，用于将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值，并将液压泵马达输出转矩在线估计值发送给第一加法器44。第一加法器44，用于将目标转矩信号和液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号，并将转矩误差信号发送给PID转矩控制器45。PID转矩控制器45，用于根据转矩误差信号生成第一控制信号，并将第一控制信号发送给第二加法器46。第二加法器46，用于将第一控制信号和变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号，并将第二控制信号发送给斜盘位置控制器47。斜盘位置控制器47，用于根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号，并将第三控制信号发送给控制阀48。控制阀48，用于根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号，并将第四控制信号发送给变量油缸49。 变量油缸49，用于根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制。基于本发明上述实施例提供的液压泵马达转矩控制系统，通过对液压泵马达出油口压力和液压泵马达变量油缸位置的测量结果进行反馈，形成双闭环控制，从而可提高液压泵马达的控制精度，使系统对各种干扰能够进行快速有效的抑制，并且容易在实际工程中实现，可有效降低控制系统成本。
优选的，控制阀具体为液压伺服阀或液压比例阀。优选的，PID转矩控制器45具体根据转矩误差信号e (k)，采用下列条件生成第一控制信号u (k)若I e (k) I >eml,则 u (k) = 土 Umax ；若e (k) A e (k) >0 或 Ae (k) =0, e (k)古 0 时当eml> I e (k) | >em2,则 u (k) =u (k_l) +Mk0e (k) +k:e (k_l) +k2e (k_2)；当I e(k) I <em2 ,贝U；若e (k) Ae (k) <0 时
当eml> I e (k) | >em2,贝丨J u (k) =u (k_l) +k0e (k) _kpe (k_l)；当|e(k) |〈em2,贝丨J u(k)=u(k-l)+Nk0e(k)-kpe(k_l)；若e (k) A e (k) =0，e (k) =0，则 u (k) =u (k_l)；其中eml为预设的最大误差阈值，effl2为预设的最小误差阈值，Ufflax为最大控制量，M、N 为控制系数，0〈N〈1，M>1 ；k0=kp+ki+kd, k1=-(kp+2kd)，k2=kd, kp、ki、kd 分别为比例系数、积分系数和微分系数。优选的，斜盘位移控制器47具体根据第二控制信号el (k)，采用ul (k) = ul (k~l) +kp[el (k) -el (k_l) ] +kjel (k) +kd[el (k) _2el (k_l) +el (k_2)]生成第三控制信号ul (k)，其中kp、kp kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。图5为本发明液压泵马达转矩控制系统另一实施例的示意图。与图4所示实施例相比，在图5所示实施例中，还包括转矩调整器51，用于根据用户设定的转矩强度调整信号a，对原始转矩指令Ttjw进行调整，得到目标转矩信号I；，其中IV=TtjwX a，0彡a彡1，并将目标转矩信号发送给第一加法器44。图6为本发明液压泵马达转矩控制系统另一实施例的示意图。与图5所示实施例相比，在图6所示实施例中，还包括前馈补偿装置61，用于检测液压泵马达的转速《，通过M(O)) = [Mc + (Ms —+a2\m |]sgn( )生成液压泵马达的摩擦转矩参考值，其中Mc为库仑摩擦力矩，Ms为最大静摩擦力矩，Otl为边界润滑摩擦临界速度，a 2为粘性摩擦系数；并利用砂)=
风.Amx生成前馈补偿函数值，其中Ag为变量油缸活塞有效作用面积，Xmax为变量油缸活塞最大位移，Dmax为液压泵马达最大排量，Kv为控制阀流量增益，p为液压泵马达进出油口压力差，s为对控制变量的求导；最后将摩擦转矩参考值和前馈补偿函数值相乘，得到摩擦转矩补偿值。第二加法器46具体将第一控制信号和摩擦转矩补偿值相加，得到第五控制信号，将第五控制信号和变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号。通过摩擦前馈补偿方式，能够提供液压泵马达的低速控制性能，从而可提高液压泵马达的控制精度。图7为本发明前馈补偿装置一个实施例的示意图。如图7所示，前馈补偿装置具体包括转速检测装置71、摩擦模型装置72、前馈补偿器73。其中转速检测装置71，用于检测液压泵马达的转速Co。
摩擦模型装置72，用于通过M(co) = [Mc + (Ms - Mc)e-(m +a2 | |]sgn(<y)生成液压泵马达的摩擦转矩参考值，其中Mc为库仑摩擦力矩，Ms为最大静摩擦力矩，《C1为边界润滑摩擦临界速度，a 2为粘性摩擦系数。前馈补偿器73，用于利用
权利要求
1.一种液压泵马达转矩控制方法，其特征在于，包括 第一加法器将目标转矩信号和乘法器提供的液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号； PID转矩控制器根据转矩误差信号生成第一控制信号； 第二加法器将第一控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号； 斜盘位置控制器根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号； 控制阀根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号； 变量油缸根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制； 其中压力检测装置通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，位移检测装置通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，乘法器将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于， 在第一加法器将目标转矩信号和乘法器提供的液压泵马达输出转矩在线估计值相减得到转矩误差信号之前，包括 转矩调整器根据用户设定的转矩强度调整信号a，对原始转矩指令Ttjw进行调整，得到目标转矩信号I；，其中HbjX a，0彡a彡I。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于， PID转矩控制器根据转矩误差信号e (k)，采用下列条件生成第一控制信号u (k) 若 I e (k) I >eml,则 u (k) =±umax ；若 e (k) A e (k) >0 或 A e (k) = 0, e (k)古 0 时 当 eml> I e (k) I >em2,则 u (k) =u (k_l) +Mk0e (k) +^e (k_l) +k2e (k_2)； 当 I e (k) I <em2,则 u (k) =u (k_l) +k0e (k) +^e (k_l) +k2e (k_2)；若 e (k) Ae (k)〈0 时 当 eml> I e (k) I >em2,贝丨J u (k) =u (k_l) +k0e (k) _kpe (k_l)；当 |e(k) |〈em2,贝丨J u(k)=u(k-l)+Nk0e(k)-kpe(k-l)；若 e (k) Ae (k) =0，e (k) =0，则 u (k) =u (k_l)； 其中eml为预设的最大误差阈值，effl2为预设的最小误差阈值，Ufflax为最大控制量，M、N为控制系数，0〈N〈1，M>1 ；k0=kp+ki+kd, k1=-(kp+2kd)，k2=kd, kp、ki、kd 分别为比例系数、积分系数和微分系数。
4.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于， 斜盘位移控制器根据第二控制信号el (k)，采用 ul (k) =ul (k-1) +kp [el (k) -el (k_l) ] +kjel (k) +kd[el (k) _2el (k_l) +el (k_2)] 生成第三控制信号ul (k)，其中kp、kp kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
5.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于， 第二加法器将第一控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减得到第二控制信号的步骤包括 第二加法器将第一控制信号和前馈补偿装置提供的摩擦转矩补偿值相加，得到第五控制信号；第二加法器将第五控制信号和位移检测装置提供的变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号； 其中前馈补偿装置检测液压泵马达的转速，通过
6.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于， 控制阀为液压伺服阀或液压比例阀。
7.一种液压泵马达转矩控制系统，其特征在于，包括 位移检测装置，用于通过检测液压泵马达变量油缸的位置，生成变量油缸位移信号，并将变量油缸位移信号发送给第二加法器和乘法器； 压力检测装置，用于通过检测液压泵马达出油口的压力，生成液压泵马达的工作压力信号，并将工作压力信号发送给乘法器； 乘法器，用于将工作压力信号和变量油缸位移信号相乘，得到液压泵马达输出转矩在线估计值，并将液压泵马达输出转矩在线估计值发送给第一加法器； 第一加法器，用于将目标转矩信号和液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号，并将转矩误差信号发送给PID转矩控制器； PID转矩控制器，用于根据转矩误差信号生成第一控制信号，并将第一控制信号发送给第二加法器； 第二加法器，用于将第一控制信号和变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号，并将第二控制信号发送给斜盘位置控制器； 斜盘位置控制器，用于根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的第三控制信号，并将第三控制信号发送给控制阀； 控制阀，用于根据第三控制信号，生成对变量油缸进行控制的第四控制信号，并将第四控制信号发送给变量油缸； 变量油缸，用于根据第四控制信号，对液压泵马达进行控制。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括转矩调整器，用于根据用户设定的转矩强度调整信号《，对原始转矩指令Ttjw进行调整，得到目标转矩信号I；，其中Tr=Tobj- Xa,0^ Q €1。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于， PID转矩控制器具体根据转矩误差信号e (k)，采用下列条件生成第一控制信号u (k) 若 |e(k) I > eml，则 u(k)=±umax ；若 e (k) A e (k) >0 或 A e (k) = 0，e (k) # 0 时当 eml> I e (k) I >em2,则 u (k) =u (k_l) +Mk0e (k) +^e (k_l) +k2e (k_2)； 当 I e (k) I <em2,则 u (k) =u (k_l) +k0e (k) +^e (k_l) +k2e (k_2)；若 e (k) Ae (k)〈0 时 当 eml> I e (k) I >em2,贝丨J u (k) =u (k_l) +k0e (k) _kpe (k_l)；当 |e(k) |〈em2,贝丨J u(k)=u(k-l)+Nk0e(k)-kpe(k-l)；若 e (k) Ae (k) =0，e (k) =0，则 u (k) =u (k_l)； 其中eml为预设的最大误差阈值，effl2为预设的最小误差阈值，Ufflax为最大控制量，M、N为控制系数，0〈N〈1，M>1 ；k0=kp+ki+kd, k1=-(kp+2kd)，k2=kd, kp、ki、kd 分别为比例系数、积分系数和微分系数。
10.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于， 斜盘位移控制器具体根据第二控制信号el (k)，采用 ul (k) =ul (k-1) +kp [el (k) -el (k-1) ] +kjel (k) +kd[el (k) _2el (k-1) +el (k_2)] 生成第三控制信号ul (k)，其中kp、kp kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
11.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括前馈补偿装置，用于检测液压泵马达的转速，通过
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，前馈补偿装置具体包括转速检测装置、摩擦模型装置、前馈补偿器，其中 转速检测装置，用于检测液压泵马达的转速《， 摩擦模型装置，用于通过
13.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，控制阀具体为液压伺服阀或液压比例阀。
全文摘要
本发明公开一种液压泵马达转矩控制方法及系统。其中在液压泵马达转矩控制方法中，第一加法器将目标转矩信号和液压泵马达输出转矩在线估计值相减，得到转矩误差信号，PID转矩控制器根据转矩误差信号生成第一控制信号，第二加法器将第一控制信号和变量油缸位移信号相减，得到第二控制信号，斜盘位置控制器根据第二控制信号，生成对控制阀进行控制的信号。通过对液压泵马达进行双闭环控制，从而可提高液压泵马达的控制精度，使系统对各种干扰能够进行快速有效的抑制，并且容易在实际工程中实现，可有效降低控制系统成本。
文档编号F04B49/06GK102748202SQ201210230180
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者刘伟, 孙辉, 翟海燕, 肖刚, 赵斌, 赵燕, 韩家威 申请人:徐工集团工程机械股份有限公司