专利名称：一种节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及流体传动与控制技术领域，尤其涉及一种节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统及其控制方法。
背景技术：
电液伺服阀控缸或电液伺服阀控马达系统中的主动负载，是指液压缸或液压马达在运动过程中受到的负载阻碍其按照设定的运动规律进行运动，而被动负载则刚好相反，液压缸或液压马达受到的负载会加速其按现有的运动趋势进行运动。一般在主动负载下，需要向液压缸或液压马达提供一定的液压能源以克服负载所到来的阻力，而在被动负载下，并不需要向液压缸或液压马达提供液压能源，而是通过液压阀的节流阻力作用抵消一部分负载力，只留下可以维持液压缸或液压马达按设定规律进行运动的那部分负载力即可。在现有电液伺服阀控系统中，大多采用一个电液伺服阀对液压缸或液压马达进行控制，单个电液伺服阀的控制方式存在一定的缺陷，它的两个负载口是机械固联的，不能进行独立控制，在液压缸或液压马达受到被动负载的情况下仍需要向电液伺服阀提供高压能源才能维持液压缸或液压马达的正常运动，存在较大的能源浪费。另外，单个电液伺服阀的最大流量往往不能满足要求而且当电液伺服阀出现故障后，整个液压系统将无法正常工作，对于被动负载下浪费液压能源的问题，一些方案提出采用两个伺服阀分别对液压缸或液压马达的两腔进行独立控制，当液压缸或液压马达工作在被动负载下时，其中一个伺服阀通过回油节流的方式对液压缸或液压马达的运动轨迹进行控制，另一个伺服阀只需要向液压缸或液压马达提供低压油即可。现有的双阀独立控制方案中，当液压缸或液压马达的某一腔需要低压供油时，是通过该腔形成的负压从液压油箱内吸油，虽然这种方案比较简单，但是如果液压缸或液压马达受到的被动负载不够大，不足以形成较大的负压，就难以直接从油箱内吸油。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种节能式主被动负载双电液伺服阀控系统及控制方法，通过油路的切换，该系统不但能实现对液压缸或液压马达两腔的独立控制，达到节能目的，而且具有电液伺服阀的冗余备份功能、双阀并联控制功能以及液压缸或液压马达双腔闭锁功能，并且本发明对电液伺服阀的供油方式进行了特殊设计，既可以节省高压能源，又可确保其在任何情况下都能向液压缸或液压马达提供低压油。为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的:—种节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统，第一伺服阀的一个负载口与第一两位两通电磁阀的A 口相连、另一个负载口与第二两位两通电磁阀的A 口相连,第二伺服阀的一个负载口与第三两位两通电磁阀的A 口相连、另一个负载口与第四两位两通电磁阀的A 口相连；第一两位两通电磁阀的B 口及第三两位两通电磁阀的B 口共同与执行机构的其中一腔连接，并同时连接第一压力阀的入口及第二压力传感器；第二两位两通电磁阀的B 口及第四两位两通电磁阀的B 口共同与执行机构的另外一腔连接，并同时连接第二压力阀的入口及第三压力传感器；第一压力阀的出口及第二压力阀的出口连接在一起后接入油箱；液压泵从油箱吸油后输出的液压油经过单向阀及过滤器后接入第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的供油口，同时和第一压力阀的入口、减压阀的入口及第一压力传感器相连；第一压力阀的出口接入油箱，减压阀的出口与第一电液伺服阀和第二电液伺服阀的回油口及第二压力阀的入口相连；第二压力阀的出口接入油箱；液压泵通过交流伺服电机驱动。本发明还提供了一种上述节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统的控制方法，设系统的执行机构为液压缸或液压马达；第一两位两通电磁阀的B 口及第三两位两通电磁阀的B 口共同与执行机构的B腔连接，第二两位两通电磁阀的B 口及第四两位两通电磁阀的B 口共同与执行机构的A腔连接；该方法包括四种控制模式:模式1、双阀独立控制模式控制第一两位两通电磁阀和第四两位两通电磁阀接通且第二两位两通电磁阀和第三两位两通电磁阀关闭，或者控制第一两位两通电磁阀和第四两位两通电磁阀关闭且第二两位两通电磁阀和第三两位两通电磁阀接通，此时系统处于双阀独立控制模式；当液压缸伸出或液压马达顺时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一电液伺服阀和第二电液伺服阀斜通；当液压缸伸出或液压马达顺时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀斜通、第二电液伺服阀直通，并且第二电液伺服阀直通时其阀芯开口全部打开至最大；当液压缸缩回或液压马达逆时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一电液伺服阀和第二电液伺服阀直通；当液压缸缩回或液压马达逆时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀斜通、第二电液伺服阀直通，并且第一电液伺服阀斜通时其阀芯开口全部打开至最大；模式2、冗余工作模式控制第一两位两通电磁阀和第二两位两通电磁阀接通且第三两位两通电磁阀和第四两位两通电磁阀关闭，或者控制第一两位两通电磁阀和第二两位两通电磁阀关闭且第三两位两通电磁阀和第四两位两通电磁阀接通，此时系统处于冗余工作模式；当其中一个电液伺服阀出现故障后，通过两位两通电磁阀的切换，让另外一个电液伺服阀工作；模式3、并联工作模式控制四个两位两通电磁阀全部接通，两个电液伺服阀都工作，此时系统处于并联工作模式；模式4、闭锁工作模式控制四个两位两通电磁阀全部关闭，两个电液伺服阀均被隔离开，此时执行机构两腔内的液压油全部被封在容腔内，系统处于并联工作模式，执行机构不产生运动。
当已知执行机构的运动规律时，则根据执行机构的运动参数计算其所需要的流量，控制交流伺服电机的转速使得液压泵输出满足需求的液压油流量。优选地，该方法进一步包括:通过设置在执行机构的传感器采集执行机构的当前运动速度及运动加速度估计下一个时刻的运动速度；下一时刻的运动速度=当前运动速度+当前运动加速度X传感器采样时间间隔；根据计算得到的下一时刻的运动速度计算执行机构所需要的流量，控制交流伺服电机的转速使得液压泵输出满足需求的液压油流量。优选地，该方法进一步包括:当执行机构受主动负载时，通过检测第二压力传感器和第三压力传感器的压力值，并根据执行机构的有效工作面积计算出当前负载的大小，然后计算出液压泵所需要输出的高压油的压力；通过控制比例溢流阀驱动电流的大小，并通过第一压力传感器对液压泵输出的压力进行检测，从而控制液压泵输出的高压油的压力，使之满足执行机构驱动负载的需求。有益效果:可以看出，本发明提出的双电液伺服阀控系统不但能够实现液压缸或液压马达的双阀独立控制，达到节省能源的目的，还具有冗余控制、并联控制、闭锁控制、液压缸或液压马达的双腔压力安全保护等功能。所采用的液压能源其供油流量及压力可以根据液压缸或液压马达的实际需求进行控制，也起到了节省能源的作用。
图1为节能式主被动负载双电液伺服阀控系统油路I第一电液伺服阀,2第二电液伺服阀,3第一两位两通电磁阀,4第二两位两通电磁阀，5第三两位两通电磁阀,6第四两位两通电磁阀,7第一压力阀,8第二压力阀,9液压泵，10伺服电机，11单向阀，12比例溢流阀，13减压阀，14第三压力阀，15过滤器，16油箱，17第一压力传感器，18第二压力传感器，19第三压力传感器，20液压缸，21液压马达
具体实施例方式下面结合附图1并举实施例，对本发明进行详细描述。规定使液压缸20的A腔容积逐渐增大B腔容积逐渐减小的运动为伸出运动，反之则为缩回运动。液压马达21由于A腔压力高于B腔压力而产生的运动为顺时针转动，反之为逆时针转动。本发明提出的节能式主被动负载双电液伺服阀控系统的组成与连接关系如下:第一伺服阀I的其中一个负载口与第一两位两通电磁阀3的A 口相连、另一个负载口与第二两位两通电磁阀4的A 口相连，第二伺服阀2的其中一个负载口与第三两位两通电磁阀5的A 口相连、另一个负载口与第四两位两通电磁阀6的A 口相连。第一两位两通电磁阀3的B 口及第三两位两通电磁阀5的B 口共同与作为执行机构的液压缸20或液压马达21的B腔连接，并同时连接第一压力阀7的入口及第二压力传感器18。第二两位两通电磁阀4的B 口及第四两位两通电磁阀6的B 口共同与液压缸20或液压马达21的A腔连接，并同时连接第二压力阀8的入口及第三压力传感器19。第一压力阀7及第二压力阀8的出口连接在一起后接入油箱16。液压泵9从油箱16吸油后输出的液压油经过单向阀11及过滤器15后接入第一电液伺服阀I和第二电液伺服阀2的供油口，同时和第一压力阀12的入口、减压阀13的入口及第一压力传感器17相连。第一压力阀12的出口接入油箱16，减压阀13的出口与第一电液伺服阀1、第二电液伺服阀2的回油口及第二压力阀14的入口相连。第二压力阀14的出口接入油箱16。液压泵9通过交流伺服电机10驱动。本发明提出的节能式主被动负载双电液伺服阀控系统在各种模式下的工作原理如下:( I)双阀独立控制模式当第一两位两通电磁阀3和第四两位两通电磁阀6接通，且第二两位两通电磁阀4和第三两位两通电磁阀5关闭时，系统处于双阀独立控制模式；或者当第一两位两通电磁阀3和第四两位两通电磁阀6关闭，且第二两位两通电磁阀4和第三两位两通电磁阀5接通时，系统也处于双阀独立控制模式。此时每一个电液伺服阀独立控制液压缸或液压马达的其中一腔。由于第一电液伺服阀I和第二电液伺服阀2是对称连接的，因此上述的两种连接模式的工作过程是类似的，下面以第一两位两通电磁阀3和第四两位两通电磁阀6接通，且第二两位两通电磁阀4和第三两位两通电磁阀5关闭为例对双电液伺服阀独立控制的液压缸20或液压马达21的运动过程进行说明:当液压缸20伸出或液压马达21顺时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一、第二电液伺服阀1、2斜通，液压泵9提供的高压油通过第二电液伺服阀2及第四两位两通电磁阀6进入液压缸20的A腔内以克服其伸出过程中受到的阻力，同时液压缸20或液压马达21的B腔内的液压油通过第一两位两通电磁阀3、第一电液伺服阀I及第三压力阀14回到油箱16内，其回油阻力为第三压力阀14设定的压力。通过调节第二电液伺服阀2斜通时的阀芯开口度就可以控制液压缸20伸出或液压马达21顺时针旋转运动过程。当液压缸20伸出或液压马达21顺时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀I斜通，第二电液伺服阀2直通，并且第二电液伺服阀2直通时其阀芯开口全部打开至最大。液压缸20或液压马达21的B腔内的液压油通过第一两位两通电磁阀3、第一电液伺服阀I流出。此时液压缸20或液压马达21在被动负载的作用下，使A腔形成负压，在负压的作用下A腔会经过第四两位两通电磁阀6及第二电液伺服阀2吸油。通过控制第一电液伺服阀I斜通时阀芯的开口度就可以控制液压缸20伸出或液压马达21顺时针旋转运动过程。液压缸20或液压马达21的A腔的所需的液压油来自两部分，一部分是B腔经过第一电液伺服阀I排出的那部分液压油，另一部分是液压泵9输出的液压油经过减压阀13减压后的液压油。由于减压阀13后面连接有第三压力阀14，减压阀13输出的液压油具有一定的压力，因此在第二伺服阀2的回油口出具有一定压力，这样就可确保液压缸20或液压马达21的A腔能够得到充足的供油。第二电液伺服阀2的回油口处的压力大小由第三压力阀14决定，其压力要小于其供油口处高压供油压力。可见在这种负载状态下液压缸20或液压马达21并不需要液压泵9输出的高压能源，因此起到了节能的作用。当液压缸20缩回或液压马达21逆时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一、第二电液伺服阀1、2直通，液压泵9提供的高压油通过第一电液伺服阀I及第一两位两通电磁阀3进入液压缸20或液压马达21的B腔内以克服其缩回过程中受到的阻力，同时液压缸20或液压马达21的A腔内的液压油通过第四两位两通电磁阀6、第二电液伺服阀2及第三压力阀14回到油箱16内，其回油阻力为第三压力阀14设定的压力。通过调节第一电液伺服阀I直通时的阀芯开口度就可以控制液压缸20缩回或液压马达21逆时针旋转运动过程。当液压缸20缩回或液压马达21逆时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀I斜通，第二电液伺服阀2直通，并且第一电液伺服阀I斜通时其阀芯开口全部打开至最大。液压缸20或液压马达21的A腔内的液压油通过第四两位两通电磁阀6、第二电液伺服阀2流出。此时液压缸20或液压马达21在被动负载的作用下，使B腔形成负压，因此在负压的作用下B腔会经过第一两位两通电磁阀3及第一电液伺服阀I吸油。通过控制第二电液伺服阀2直通时阀芯的开口度就可以控制液压缸20缩回或液压马达21逆时针旋转运动过程。液压缸20或液压马达21的B腔的所需的液压油来自两部分，一部分是A腔经过第二电液伺服阀2排出的那部分液压油，另一部分是液压泵9输出的液压油经过减压阀13减压后的液压油。在这种负载状态下液压缸20或液压马达21同样不需要液压泵9输出的高压能源，也起到了节能的作用。(2)冗余工作模式当第一两位两通电磁阀3和第二两位两通电磁阀4接通,第三两位两通电磁阀5和第四两位两通电磁阀6关闭时，液压缸或液压马达只受第一电液伺服阀I的控制，此时第二电液伺服阀2作为第一电液伺服阀I的备份。或者当第一两位两通电磁阀3和第二两位两通电磁阀4关闭，第三两位两通电磁阀5和第四两位两通电磁阀6接通时，液压缸20或液压马达21只受第二电液伺服阀2的控制，此时第一电液伺服阀I作为第二电液伺服阀2的备份。当其中一个电液伺服阀出现故障后，马上就可以通过两位两通电磁阀的切换，让另外一个电液伺服阀工作。由于所采用的四个两位两通电磁阀是无泄漏球阀，因此当一个电液伺服阀工作时，另外一个电液伺服阀可以完全被两位两通电磁阀隔离开，不会造成相互间的干扰。(3)并联工作模式当四个两位两通电磁阀全部接通时，两个电液伺服阀都工作，此时整个系统处于并联工作模式，可以向液压缸20或液压马达21提供的液压油最大流量比单阀工作时提高
了 一倍。(4)闭锁工作模式当四个两位两通电磁阀全部关闭时，两个电液伺服阀都被隔离开。此时液压缸20或液压马达21两腔内的液压油全部被封在容腔内，因此液压缸20或液压马达21不会产生运动。在此油路中第一压力阀7或第二压力阀8起到压力保护的作用。当外部负载过大时，会造成液压缸20或液压马达21容腔内的压力上升，当压力上升到容腔的耐压极限时，就会通过第一压力阀7或第二压力阀8泄压，从而起到对液压缸20或液压马达21的保护作用。在上述的四种工作模式下，为了进一步节省能源，液压泵9采用交流伺服电机10进行驱动。一般液压泵都是采用交流异步电机进行驱动，其驱动转速不可变。但是交流伺服电机10的转速是可控的，液压泵9输出的流量与交流伺服电机10的转速成正比关系。在电液伺服阀控系统进行工作时，如果液压缸20或液压马达21的运动规律是已知的，可以根据液压缸20或液压马达21的运动参数计算其所需要的流量，从而可以控制交流伺服电机10的转速使得液压泵9刚好输出满足需求的液压油流量。如果液压缸20或液压马达21的运动规律是未知的，则需要根据液压缸20或液压马达21的当前运动速度及运动加速度来估计下一个时刻的运动速度。由于当前的运动速度及加速度可以通过安装在液压缸20或液压马达21上的传感器进行测量，所以有:下一时刻的运动速度=当前运动速度+当前运动加速度X传感器采样时间间隔。因此同样可以根据下一时刻液压缸20或液压马达21的运动速度计算其所需要的流量，从而对交流伺服电机10的转速进行控制。当液压缸20或液压马达21受主动负载时，通过检测第二压力传感器18和第三压力传感器19的压力值，并根据液压缸20或液压马达21的有效工作面积就可以计算出当前负载的大小，从而就可以计算出液压泵9所需要输出的高压油的压力。而该高压油的压力由比例溢流阀12决定，通过控制比例溢流阀12驱动电流的大小，并通过第一压力传感器17对液压泵9输出的压力进行检测，就可以控制液压泵9输出的高压油的压力，使之刚好满足液压缸20或液压马达21驱动负载的需求。通过上述调节，就可以使液压泵9的输出流量及压力刚好满足液压缸20或液压马达21运动所需，节省液压能源。由于交流伺服电机10的速度响应非常快，即使液压缸20或液压马达21的运动规律发生突然改变，交流伺服电机10也可立即响应，对液压泵9的输出流量进行调节。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统,其特征在于,第一伺服阀(I)的一个负载口与第一两位两通电磁阀(3)的A 口相连、另一个负载口与第二两位两通电磁阀(4)的A 口相连，第二伺服阀(2)的一个负载口与第三两位两通电磁阀(5)的A 口相连、另一个负载口与第四两位两通电磁阀(6)的A 口相连；第一两位两通电磁阀(3)的B 口及第三两位两通电磁阀(5)的B 口共同与执行机构的其中一腔连接，并同时连接第一压力阀(7)的入口及第二压力传感器(18);第二两位两通电磁阀(4)的B 口及第四两位两通电磁阀(6)的B口共同与执行机构的另外一腔连接，并同时连接第二压力阀(8)的入口及第三压力传感器(19);第一压力阀(7)的出口及第二压力阀(8)的出口连接在一起后接入油箱(16); 液压泵(9)从油箱(16)吸油后输出的液压油经过单向阀(11)及过滤器(15)后接入第一电液伺服阀(I)和第二电液伺服阀(2)的供油口，同时和第一压力阀(12)的入口、减压阀(13)的入口及第一压力传感器(17)相连；第一压力阀(12)的出口接入油箱(16)，减压阀(13)的出口与第一电液伺服阀(I)和第二电液伺服阀(2)的回油口及第二压力阀(14)的入口相连；第二压力阀(14)的出口接入油箱(16);液压泵(9)通过交流伺服电机(10)驱动。
2.权利要求1所述节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统的控制方法，其特征在于，设系统的执行机构为液压缸(20)或液压马达(21);第一两位两通电磁阀(3)的B 口及第三两位两通电磁阀(5 )的B 口共同与执行机构的B腔连接，第二两位两通电磁阀(4 )的B口及第四两位两通电磁阀(6)的B 口共同与执行机构的A腔连接； 该方法包括四种控制模式: 模式1、双阀独立控制模式 控制第一两位两通电磁阀(3)和第四两位两通电磁阀(6)接通且第二两位两通电磁阀(4)和第三两位两通电磁阀(5)关闭，或者控制第一两位两通电磁阀(3)和第四两位两通电磁阀(6)关闭且第二两位两通电磁阀(4)和第三两位两通电磁阀(5)接通，此时系统处于双阀独立控制模式； 当液压缸(20)伸出或液压马达(21)顺时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一电液伺服阀(I)和第二电液伺服阀(2 )斜通； 当液压缸(20)伸出或液压马达(21)顺时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀(I)斜通、第二电液伺服阀(2)直通，并且第二电液伺服阀(2)直通时其阀芯开口全部打开至最大； 当液压缸(20)缩回或液压马达(21)逆时针旋转过程中受到主动负载时，控制第一电液伺服阀(I)和第二电液伺服阀(2 )直通； 当液压缸(20)缩回或液压马达(21)逆时针旋转过程中受到被动负载时，控制第一电液伺服阀(I)斜通、第二电液伺服阀(2)直通，并且第一电液伺服阀(I)斜通时其阀芯开口全部打开至最大； 模式2、冗余工作模式 控制第一两位两通电磁阀(3)和第二两位两通电磁阀(4)接通且第三两位两通电磁阀(5)和第四两位两通电磁阀(6)关闭，或者控制第一两位两通电磁阀(3)和第二两位两通电磁阀(4 )关闭且第三两位两通电磁阀(5 )和第四两位两通电磁阀(6 )接通，此时系统处于冗余工作模式； 当其中一个电液伺服阀出现故障后，通过两位两通电磁阀的切换，让另外一个电液伺服阀工作； 模式3、并联工作模式 控制四个两位两通电磁阀全部接通，两个电液伺服阀都工作，此时系统处于并联工作模式； 模式4、闭锁工作模式 控制四个两位两通电磁阀全部关闭，两个电液伺服阀均被隔离开，此时执行机构两腔内的液压油全部被封在容腔内，系统处于并联工作模式，执行机构不产生运动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，已知执行机构的运动规律，则根据执行机构的运动参数计算其所需要的流量，控制交流伺服电机(10)的转速使得液压泵(9)输出满足需求的液压油流量。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括:通过设置在执行机构的传感器采集执行机构的当前运动速度及运动加速度估计下一个时刻的运动速度；下一时刻的运动速度=当前运动速度+当前运动加速度X传感器采样时间间隔；根据计算得到的下一时刻的运动速度计算执行机构所需要的流量，控制交流伺服电机(10)的转速使得液压泵(9)输出满足需求的液压油流量。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括:当执行机构受主动负载时，通过检测第二压力传感器 (18)和第三压力传感器(19)的压力值，并根据执行机构的有效工作面积计算出当前负载的大小，然后计算出液压泵(9)所需要输出的高压油的压力；通过控制比例溢流阀(12)驱动电流的大小，并通过第一压力传感器(17)对液压泵(9)输出的压力进行检测，从而控制液压泵(9)输出的高压油的压力，使之满足执行机构驱动负载的需求。
全文摘要
本发明公开了一种节能式主被动负载的双电液伺服阀控系统及其控制方法，通过对阀控系统油路的切换控制，该系统不但能实现对液压缸或液压马达两腔的独立控制，而且具有电液伺服阀的冗余备份、双阀并联控制以及液压缸或液压马达双腔闭锁控制功能。并且本发明对电液伺服阀的供油方式进行了特殊设计，既可以节省高压能源，又可确保其在任何情况下都能向液压缸或液压马达提供低压油。
文档编号F15B13/04GK103148041SQ20131007256
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者王军政, 赵江波, 汪首坤, 马立玲, 沈伟, 李静, 李金仓 申请人:北京理工大学