用于控制多个可变排量液压泵的方法和装置制造方法
【专利摘要】提供用于控制具有相连接的排出口(206)的多个可变排量液压泵(102,103)的排出压力和泵排量的方法和装置。每个泵(102,103)包括旋转斜盘(104)和用于控制该旋转斜盘的倾斜角的控制阀(302)。确定用于第一泵(102)的期望第一泵排量控制定律和确定用于第二泵(103)的期望的第二泵排出压力控制定律。第一控制定律用来确定第一中间控制变量。第二控制定律用来确定第二中间控制变量。使用第一和第二中间控制变量将第一和第二泵(102,103)的控制相结合。使用结合的第一和第二中间控制变量和第一控制定律确定用于第一泵的控制阀(302)的期望的第一控制阀设置。使用结合的第一和第二中间控制变量和第二控制定律确定用于第二泵的控制阀(302)的期望的第二控制阀设置。
【专利说明】用于控制多个可变排量液压泵的方法和装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体涉及可变排量液压泵，更具体地涉及用于控制多个可变排量液压泵的方法和装置。
【背景技术】
[0002]可变排量液压泵用于多种应用场合。例如，液压工程机械、土方机械等等往往使用可变排量液压泵来提供完成期望的工作职能所需的加压液压流体流。泵的运行可能会受到由负载需求变化引起的压力和流量输出变化的影响。长期以来，一直期望以一致的方式维持泵的压力输出，使得所述液压系统的运行表现良好并且是可预测的。因此，已经尝试来监控泵的压力输出，并相应地控制泵的运行，以补偿负载的变化。可变排量液压泵的压力输出通常通过改变泵的旋转斜盘角度来调整，而改变泵的旋转斜盘的角度会改变泵的排量。
[0003]随着其中设有可变排量液压泵的机械的功率要求的增加，液压流体的功率要求也增加。然而，由于可变排量液压泵的结构以及液压流体的性质的限制，实际可以使用的泵的尺寸是有限的。因此，在需要大流量加压液压流体的应用场合，两个可变排量泵可布置成它们的排出口连接在一起。由于泵排出口被连接，两个泵在液压上相互影响。具体来说，两个泵的排出压力始终相同。因此，对于给定的泵负载流量，任一个斜盘倾角的任何变化将影响排出压力。如果两个泵的旋转斜盘通过相应的控制阀利用旋转斜盘位置和泵排出压力的反馈来独立控制，则形成若干个闭环，使得控制系统的设计比用于单个泵的系统的设计复杂得多。
[0004]在由于制造和装配公差而导致两个泵的参数不同但两个控制器相同的情况下或者两个控制器的参数不同的情况下控制具有相连接的排出口的两个泵存在一个问题。在这样的情况下，两个泵的斜盘倾角在静态条件下将是不同的。因此，在控制系统中的正反馈过程会导致旋转斜盘的位置移动到相反的极限位置。具体来说，系统中的压力增加会导致第一泵的控制器将泵的旋转斜盘移动到减小泵排量的位置(即旋转斜盘下行)。这减小了系统中的压力。然而，如果压力减小太多，则用于第二泵的控制器可能会试图通过将第二泵的旋转斜盘引导至增加第二泵排量的位置(即旋转斜盘上行)来增加系统中的压力。如果压力增大太多，则用于第一泵的控制器将试图通过再次降低所述第一泵的排量而减小压力来补偿。此外，如果减少得过多，则第二控制器将再次增加第二泵的排量以增加系统中的压力。这个循环可持续，直至其中一个泵的旋转斜盘达到其极限位置，即完全上行或完全下行。当旋转斜盘处于这样的位置时，液压系统的性能和稳定性会显著降低。
[0005]当设法最优化两个泵的运行效率时，控制具有相连接的排出口的两个泵会出现另一个问题。对于给定的其它工作条件，两个泵的效率取决于它们的排量。因此，对于特定的排出压力，将液压系统的运行效率最优化包括选择两个泵的排量的最有利的组合。然而，由于两个泵的排出口相连接，一个泵的排量的任何变化将必然影响另外一个泵。因此，用相同的指令控制两个泵的系统不能使两个泵的效率最优化。
【发明内容】
[0006]本发明在一个方案中描述了一种用于控制具有相连接的排出口的多个可变排量液压泵的排出压力和泵排量的方法，其中每个泵包括旋转斜盘和用于控制该旋转斜盘的倾斜角的控制阀。该方法包括确定用于第一泵的期望的第一泵排量控制定律和确定用于第二泵的期望的第二泵排出压力控制定律的步骤。第一控制定律用来确定第一中间控制变量。第二控制定律用来确定第二中间控制变量。使用第一和第二中间控制变量将第一和第二泵的控制相结合。使用结合的第一和第二中间控制变量和该第一控制定律，确定用于第一泵的控制阀的期望的第一控制阀设置。使用结合的第一和第二中间控制变量和第二控制定律，确定用于第二泵的控制阀的期望的第二控制阀设置。
[0007]在另一个方面，本发明描述了一种用于控制具有相连接的排出口的多个可变排量液压泵的排出压力和泵排量的装置。该装置包括相对第一泵可枢转地支承的第一旋转斜盘和相对第二泵可枢转地支承的第二旋转斜盘。第一控制阀控制第一旋转斜盘的倾斜角，和第二控制阀控制第二旋转斜盘的倾斜角。至少一个控制器与所述第一和第二控制阀相连通。该控制器配置成具有用于该第一泵的期望的第一泵排量控制定律和用于第二泵的期望的第二泵排出压力控制定律。该控制器还配置成使用第一控制定律来确定第一中间控制变量和使用第二控制定律来确定第二中间控制变量。该控制器使用第一和第二中间控制变量结合该第一和第二泵的控制，并使用结合的第一和第二中间控制变量和第一控制定律确定用于第一泵的控制阀的期望的第一控制阀设置，且使用结合的第一和第二中间控制变量和第二控制定律确定用于第二泵的控制阀的期望的第二控制阀设置。
[0008]根据另一方面，本发明描述了一种用于提供液压能量到负载的液压系统。该系统包括第一可变排量液压泵，该第一可变排量液压泵包括相对该第一泵可枢转地支承的第一旋转斜盘和用于控制该第一旋转斜盘的倾斜角的第一控制阀。该第一泵具有第一排出口，加压液压流体经该第一排出口从第一泵排出。该系统包括第二可变排量液压泵，该第二可变排量液压泵包括相对该第二泵可枢转地支承的第二旋转斜盘和用于控制该第二旋转斜盘的倾斜角的第二控制阀。该第二泵具有第二排出口，加压液压流体经该第二排出口从第二泵排出，且其中该第一和第二排出口相连接。至少一个控制器与第一和第二控制阀相连通。该控制器配置成具有用于该第一泵的期望的第一泵排量控制定律和用于第二泵的期望的第二泵排出压力控制定律并且配置成使用第一控制定律来确定第一中间控制变量和使用第二控制定律来确定第二中间控制变量。该控制器使用第一和第二中间控制变量结合该第一和第二泵的控制。该控制器使用结合的第一和第二中间控制变量和第一控制定律确定用于第一泵的控制阀的期望的控制阀设置，且使用结合的第一和第二中间控制变量和第二控制定律确定用于第二泵的控制阀的期望的控制阀设置。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是适用于根据本发明的装置和方法的可变排量液压泵的侧剖视图。
[0010]图2是图1中的泵的端视图。
[0011]图3是各包括相应的伺服阀的一对泵的示意图。
[0012]图4是具有根据本发明的一个方面的相应控制系统的一对泵的简图。
[0013]图5是用于图4中的控制系统的反馈控制图。[0014]图6是示出了根据本发明的控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015]本发明涉及用于控制由两个或更多个可变排量液压泵(下文中称为泵)组成的系统的装置和方法，所述泵具有相连接的排出口，用于输送加压液压流体到负载。具体参考图1和图2，示出了多个泵中的单独的示例性可变排量液压泵102 (下文中称为第一泵102)。可通过本发明的装置和方法控制的两个或更多个泵可用类似或不同方式配置。另外，虽然示出和描述的示例性实施例包含一对可变排量液压泵，但本发明的装置和方法也适用于具有多个泵的系统，所述多个泵具有相连接的排出口，如下文中进一步描述的。
[0016]在图1中示出的第一泵102是具有以环形阵列布置在气缸体108内的多个活塞110的轴向活塞式旋转斜盘液压泵。所述多个活塞110绕布置在气缸体108的纵向中线轴线处的轴106以相等的间隔分隔开。在这种情况下，气缸体108通过气缸体弹簧114压靠阀板202。如图2所示，阀板包括进入口 204和排出口 206。在示出的实施例中，每个活塞110通过球窝接头113连接到滑块112。每个滑块112保持与旋转斜盘104接触。该旋转斜盘104可枢转地安装到泵102，使得倾斜角α能被可控制地调整，从而允许调整泵的排量。
[0017]当气缸体108相对阀板202转动时，每个活塞110周期性地经过阀板202的进入口和排出口 204，206中的每一个。旋转斜盘104的倾斜角α使活塞110摆动地移入和移出气缸体108，由此将液压流体吸入为低压口的进入口 204，并将液压流体排出为高压口的排出口 206。第一泵102通过泵输出口 314将加压液压流体供应到阀板202的排出口 206。
[0018]在图3中示出了包括具有通过管线316相连接的排出口的第一和第二泵102，103的用于输送加压液压流体的系统。在示出的实施例中，第一和第二泵102，103以类似方式配置并一前一后(即串联)地布置，然而也可以使用并肩(即并联)或其它布置方式。在示出的系统中，第一和第二泵102，103中的每一个的旋转斜盘104的倾斜角α绕旋转斜盘枢转点倾斜，其中这种倾斜由相应的控制阀302控制。在这种情况下，每个控制阀302为三通单级伺服阀。所示出的控制阀302各包括阀柱(valve spOOl)304，该阀柱可控制地在控制阀302内移动以控制在相应的控制阀302的输出口 306处的液压流体流。该控制阀302可以是电动液压阀，并因此可通过输送到该阀的电信号控制。
[0019]就第一泵和第二泵102，103中的每一个来说，与伺服弹簧310相配合的排出压力反馈伺服机构308运行来增加相应旋转斜盘104的倾斜角α 1，α 2,因此增加泵102的冲程。在示出的实施例中，第一和第二泵102，103各自的排出压力通过相应的反馈线路312直接反馈到该压力反馈伺服机构308。另外，就每个泵来说，控制伺服机构314接收来自控制阀302的输出口 306的加压流体并响应性地运行来减小相应旋转斜盘104的倾斜角α 1，α 2，因此减小泵102，103的冲程。在已知的方式中，某些情况下控制伺服机构314可在尺寸和容量上大于排出压力反馈伺服机构308。
[0020]为了确定第一和第二泵102，103的多个不同运行参数，可设置相匹配的传感器。例如，可设置泵排出压力传感器402，其适用于检测来自第一和第二泵102，103的液压流体的输出压力，如图4所示。泵输出压力传感器402可布置在适于检测来自第一和第二泵102，103的流体压力的任何位置，如在连接所述两个排出口的管线316中布置于其中一个泵的排出口 206处，或者布置在沿从泵102，103到被供应液压流体的液压系统的液压流体管线的某一点处。此外，可设置用于第一和第二泵102，103中的每一个的控制压力传感器404，所述传感器适于检测通过相应的控制阀302供给到控制伺服机构314的液压流体的压力。控制压力传感器404可布置在任何合适的位置，如在相应泵的控制伺服机构314或控制阀输出口 306处。每个泵还可以设置用于检测旋转斜盘104的倾斜角α的斜盘倾角传感器406。每个斜盘倾角传感器406例如可以是安装到旋转斜盘104的求解器，附接到旋转斜盘104的应变仪或者本领域已知的一些其它类型的传感器。取决于采用的具体控制策略，可设置泵寄生转矩负载和/或泵机械(转矩)效率测绘传感器。此外，根据使用的具体控制策略，对每个泵来说设置控制压力传感器和斜盘倾角传感器可以不是必须的。
[0021]为了控制第一和第二泵102，103的运行，如图4所示每个泵具有相应的控制器408，410。控制器408，410被可操作地连接到相应的泵102，并且每个控制器可被配置成接收来自多个不同泵运行传感器的检测信息，在这个例子中，所述泵运行传感器包括泵排出压力传感器402、相应的斜盘倾角传感器406和相应的控制压力传感器404。控制器408，410还可被构造成用于响应性地执行用于以期望的方式控制两个泵102的排出压力和/或流量的功能。
[0022]如上面提到的，在示出的系统中第一和第二泵102，103由于它们的排出口 206通过管线316连接而相互液压作用。具体来说，两个泵的排出压力始终相同。因此，对于给定的泵负载流，第一泵或第二泵102，103的旋转斜盘位置的任何变化将影响排出压力。在提供泵排出压力的反馈和旋转斜盘位置的情况下，产生包括若干个闭环的复杂控制系统。通过将其中一个泵的控制器配置成具有合适的泵排出压力控制定律和将另一泵的控制器配置成具有合适的泵排量控制定律，可提供简化的控制系统。[0023]假设第一和第二泵102，103是相同的，第一和第二泵的泵排出压力P和排量，即它们相应的旋转斜盘位置CI1, CI2，可使用奇异摄动法在拉普拉斯域上表示如下，以使系统动态线性化:
[0024]
【权利要求】
1.一种用于控制具有相连接的排出口(206)的多个可变排量液压泵(102，103)的排出压力和泵排量的方法，其中每个泵包括旋转斜盘(104)和用于控制该旋转斜盘的倾斜角的控制阀(302)，所述方法包括以下步骤: 确定用于第一泵(102)的期望的第一泵排量控制定律； 确定用于第二泵(103)的期望的第二泵排出压力控制定律； 使用该第一控制定律来确定第一中间控制变量； 使用该第二控制定律来确定第二中间控制变量； 使用该第一中间控制变量和该第二中间控制变量将该第一泵和该第二泵的控制相结合； 使用结合的第一和第二中间控制变量以及该第一控制定律来确定用于该第一泵(101)的控制阀(302)的期望的第一控制阀设置；和 使用结合的第一和第二中间控制变量以及该第二控制定律来确定用于该第二泵(103)的控制阀(302)的期望的第二控制阀设置。
2.一种用于控制具有相连接的排出口(206)的多个可变排量液压泵(102，103)的排出压力和泵排量的装置，包括: 相对第一泵(102)可枢转地支承的第一旋转斜盘(104)； 相对第二泵(103)可枢转地支承的第二旋转斜盘(104)； 用于控制该第一旋转斜盘(104)的倾斜角的第一控制阀(302)； 用于控制该第二旋转斜盘(104)的倾斜角的第二控制阀(302);和与所述第一和第二控制阀(302)相连通的至少一个控制器(408，410)，该控制器构造成具有用于该第一泵的期望的第一泵排量控制定律和用于该第二泵的期望的第二泵排出压力控制定律，并被构造成使用该第一控制定律来确定第一中间控制变量和使用该第二控制定律来确定第二中间控制变量； 该控制器使用该第一和第二中间控制变量将该第一泵和第二泵的控制相结合并使用结合的第一和第二中间控制变量和该第一控制定律确定用于该第一泵(102)的控制阀的期望的第一控制阀设置和使用该结合的第一和第二中间控制变量和该第二控制定律确定用于该第二泵(103)的控制阀的期望的第二控制阀设置。
3.根据权利要求1或2所述的方法或装置，还包括布置且构造成检测所述第一和第二泵的排出压力的传感器(402)。
4.根据权利要求1或2所述的方法或装置，还包括布置且构造成检测所述第一泵的旋转斜盘的所述倾斜角的传感器(406)。
5.根据权利要求1或2所述的方法或装置，其中，该控制器(408，410)被构造成将该第一泵(102)的控制阀定位在该期望的第一控制阀设置。
6.根据权利要求1或2所述的方法或装置，其中，该控制器(408，410)被构造成将该第二泵(103)的控制阀定位在该期望的第二控制阀设置。
7.根据权利要求1或2所述的方法或装置，其中，该第一控制定律包括所述第一和第二泵(102，103)的排量约束条件。
8.一种用于提供液压能量到负载的液压系统，该液压系统包括根据权利要求2所述的装置和第一和第二可变排量液压泵(102，103)。
【文档编号】F15B13/02GK103649557SQ201280033298
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月2日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】H·杜, P·W·苏利文 申请人:卡特彼勒公司