具有缓冲功能液压缸的控制系统和控制方法与流程

本发明涉及一种用于对具有缓冲功能的液压缸进行控制的系统及方法，属于液压缸控制技术领域。

背景技术：

在腿足式机器人的驱动方式中，液压驱动方式具有动态性宽、输出力量大、功率-重量比高、带宽高和线性度高的特点，特别适用于高性能的机器人。为了使整个机器人能够合理高效的运动，必须要对其单关节的驱动器进行研究。

目前腿足式机器人的单关节驱动，一般采用液压缸驱动，但是现有液压缸存在冲击过大等问题，对系统压力造成波动以及对元件的损坏。

中国专利文献CN203189407U公开的《一种液压缸控制系统》，包括联轴器，联轴器一端固定连接有伺服电机，联轴器另一端固定连接有齿轮泵，齿轮泵设有液压油压力传感器，伺服电机设有伺服电机编码器，伺服电机还连接有伺服驱动器，伺服驱动器连接有单片机，液压油压力传感器以及伺服电机编码器还和伺服驱动器相连接。

上述系统分别采用了压力和流量闭环控制来控制液压油的压力和流量，不需要使用节流阀、比例阀等阀体，杜绝了高压节流现象，闭环控制的响应时间就是伺服驱动器的响应时间。虽然具有自动校正能力、液压缸能量转换效率高且运行精度高的特点，但是仍然不能解决液压缸存在的冲击过大等问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有液压缸存在的冲击过大等问题，提供一种能够减小冲击、避免压力造成波动和元件损坏的具有缓冲功能液压缸的控制系统。同时提供一种该控制系统的控制方法，用以实现对液压缸的位置伺服和力伺服。

本发明的具有缓冲功能液压缸的控制系统，采用下述技术方案：

该系统，包括上位机、控制器、液压蓄能器、液压伺服阀、位移传感器、拉压力传感器和腔压传感器；控制器与上位机连接；位移传感器、拉压力传感器和腔压传感器均与控制器连接，位移传感器的本体固定在液压缸的缸体上，位移传感器的测量杆与液压缸的活塞连接；拉压力传感器安装在液压缸的活塞上；腔压传感器固定在液压缸的缸体上且测量面与液压缸无杆腔连接；液压伺服阀与控制器连接，液压伺服阀的进出油口分别与液压缸的进出油口连接；液压蓄能器与液压缸的无杆腔连接。

控制器采用TMS320F28335型号的DSP作为核心芯片，由24V电池供电。控制器设有显示系统状态的指示灯。

位移传感器用于检测活塞的位移，并将数据信号传输至控制器，拉压力传感器用于检测液压缸的受力，并将数据信号传输至控制器；腔压传感器用于检测液压缸的无杆腔压力，并将数据信号传输至控制器。

当液压缸的活塞受到冲击时，无杆腔压力瞬间变大，无杆腔内的液压油流入蓄能器中，从而使无杆腔压力降低，达到减小冲击的目的。在液压缸活塞需要伸长时，蓄能器内的液压油输出补偿。减小冲击具体由检测无杆腔液压力的腔压传感器实现，由蓄能器的数学模型可以求得液压伺服阀控制电流中的蓄能器补偿项电流ia，实现对液压伺服阀的精确控制。控制器通过对液压伺服阀的控制实现对液压缸活塞长度的控制，最终实现液压缸的力或者位置输出。

上述具有缓冲功能液压缸的控制系统对液压缸的控制方法，是：

通过位移传感器获得液压缸的活塞位移，通过拉压力传感器获得液压缸的活塞输出力，通过腔压传感器获得液压缸无杆腔的压力p₂，控制器通过控制液压伺服阀的控制电流i_v驱动液压缸，液压伺服阀的控制电流i_v为以下几项电流之和：由液压缸的活塞移动速度v_{p_fed}得到的流量补偿项电流i_x，其中活塞移动速度v_{p_fed}由液压缸活塞位移微分得到；由液压缸的无杆腔压力p₂得到的蓄能器电流补偿项i_a；库伦摩擦力补偿项电流i_Fc；由液压缸的活塞输出力或者活塞位移通过PID计算得到的误差补偿项电流i_delta。

所述流量补偿项电流i_x计算公式为：i_x＝k_x*v_{p_fed}，其中k_x为流量补偿系数，取值0.028～0.032mA/(mm/s)，v_{p_fed}为液压缸活塞移动速度，v_{p_fed}通过液压缸活塞位移微分得到。

所述蓄能器流量补偿项电流i_a计算公式为：i_a＝H(s)*p₂,其中H(s)为蓄能器数学模型，k_q为液压伺服阀的电流流量比例系数，V_a0为选用蓄能器初始体积，k在等温条件下为1，p_a0为蓄能器充气压力，p₂为液压缸无杆腔液压力。

所述库伦摩擦力补偿项电流i_Fc计算公式为：i_Fc＝k_Fc*sign(v_{p_fed}),其中k_Fc为库伦摩擦力补偿系数，sign(x)为符号函数，当v_{p_fed}为正时，sign(v_{p_fed})为1，反之为-1。

所述误差补偿项电流i_delta由液压缸的活塞输出力或者活塞位移通过PID(比例-积分-微分)计算得到，具体步骤是：

(1)根据液压缸运动的需要由上位机设定活塞输出力的给定值f_ref或活塞位移的给定值X_ref；

(2)利用拉压力传感器或位移传感器得到液压缸的活塞输出力f_{c_ref}或活塞位移x_{c_ref}，经过卡尔曼滤波后获得活塞输出力的修正值f′_{c_ref}或活塞位移的修正值x′_{c_ref}，与活塞输出力的给定值或活塞位移的给定值比较，得到活塞输出力的偏差值e(t)＝f_ref-f′_{c_ref}，或活塞位移的偏差值e(t)＝f_ref-f′_{c_ref}；

(3)根据偏差值e(t)，经过PID计算出液压伺服阀的控制电流的误差补偿项i_delta。

本发明的具有以下特点：

1.系统体积小，控制方便，稳定性好；

2.能够实现对液压缸的力伺服和位置伺服，保证液压系统稳定工作；

3.控制器通过CAN总线与上位机通信，反馈力、位置以及无杆腔压力等系统状态，上位机通过CAN总线向控制器发布指令，设定调节参数以及力和位置的给定。

附图说明

图1是本发明中控制器的结构框图。

图2是本发明控制系统中的力伺服原理框图。

图3是本发明控制系统中的位置伺服原理框图。

图4是本发明中控制器的操作界面功能图。

图中：1.位移传感器，2.拉压力传感器，3.腔压传感器，4.A/D转换器，5.控制器，6.液压伺服阀，7.液压缸，8.液压蓄能器，9.指示灯，10.上位机。

具体实施方式

本发明的具有缓冲功能液压缸的控制系统，如图1所示，包括上位机10、控制器5、液压蓄能器8、液压伺服阀6、位移传感器1、拉压力传感器2和腔压传感器3。

控制器5与上位机1通过CAN总线连接。控制器5采用TMS320F28335型号的DSP作为核心芯片，由24V电池供电。控制器5上设有显示系统状态的指示灯9。控制器5读取液压7的缸的位置、拉压力以及无杆腔压力等信号，并将这些信息通过CAN总线发送给上位机10。

位移传感器1、拉压力传感器2和腔压传感器3分别通过A/D转换器4与控制器5连接。位移传感器1的本体固定在液压缸7的缸体上，其测量杆与液压缸7的活塞连接，用于检测活塞的位移，并将数据信号传输至控制器5。拉压力传感器2安装在液压缸7的活塞上，用于检测液压缸7的受力，并将数据信号传输至控制器5。腔压传感器3固定在液压缸7的缸体上，其测量面与液压缸7的无杆腔连接，用于检测液压缸7的无杆腔压力，并将数据信号传输至控制器5。

液压伺服阀6与控制器7连接，液压伺服阀6的进出油口分别与液压缸7的进出油口连接。

液压蓄能器8与液压缸7的无杆腔连接。液压蓄能器是液压驱动系统中的一种能量储蓄装置，在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来；当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压能而释放出来，重新补供给系统；当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。液压缸7的缓冲功能主要由连接在液压缸7的无杆腔的液压蓄能器8实现，在液压缸活塞收到冲击时，无杆腔压力瞬间变大，此时，液压缸无杆腔内的液压油流到蓄能器中，从而使无杆腔压力降低，达到减小冲击的目的。减小冲击具体由测量液压缸无杆腔液压力的腔压传感器实现，如图2和图3中，p₂为液压缸无杆腔压力，由p₂和蓄能器的数学模型H(s)可以求得液压伺服阀6的控制电流中的蓄能器补偿项电流i_a，实现对液压伺服阀6的精确控制。

通过位移传感器获得液压缸活塞的位移，通过拉压力传感器获得液压缸的活塞输出力，通过腔压传感器获得液压缸无杆腔的压力p₂，控制器通过控制液压伺服阀实现对液压缸活塞的控制。

上述具有缓冲功能液压缸的控制系统根据液压伺服阀6的控制电流i_v驱动液压缸7的运动，实现目标控制。如图2和图3，液压伺服阀6的控制电流i_v为以下几项电流之和:

1.由液压缸7的活塞移动速度v_{p_fed}得到的流量补偿项电流i_x

流量补偿项电流i_x计算公式为：i_x＝k_x*v_{p_fed}，其中k_x为流量补偿系数(约为0.028～0.032mA/(mm/s))，v_{p_fed}为液压缸活塞移动速度，v_{p_fed}通过液压缸活塞位移微分得到。

2.由液压缸7的无杆腔压力p₂得到的蓄能器8的电流补偿项i_a

所述蓄能器流量补偿项电流i_a计算公式为：i_a＝H(s)*p₂,其中H(s)为蓄能器数学模型，k_q为液压伺服阀的电流流量比例系数，本系统选用的伺服阀其值为0.006～0.01mA·s/mm³，V_a0为选用的蓄能器的初始体积(如13mm³)，k在等温条件下为1，p_a0为蓄能器的充气压力，本系统中为1bar，p₂为液压缸无杆腔液压力，由腔压传感器3得到。

3.库伦摩擦力补偿项电流i_Fc，

库伦摩擦力补偿项i_Fc计算公式为：i_Fc＝k_Fc*sign(v_{p_fed}),其中k_Fc为库伦摩擦力补偿系数(约为0.2mA，可选取0.19-0.21mA)，sign(x)为符号函数，当v_{p_fed}为正时，sign(v_{p_fed})为1，反之为-1。

4.由PID算出的误差补偿项电流i_delta

误差补偿项电流i_delta采用PID(比例-积分-微分)的方法进行计算，具体是根据图2通过拉压力传感器2检测的液压缸7的受力或者根据图3通过位移传感器1检测的液压缸7的活塞位移计算液压伺服阀6的控制电流的误差补偿项；具体步骤是：

(1)根据液压缸7运动的需要由上位机10设定力的给定值f_ref或位移的给定值X_ref；

(2)利用拉压力传感器2或位移传感器1得到液压缸7的活塞输出力f_{c_ref}或位移x_{c_ref}，经过卡尔曼滤波后获得力的修正值f′_{c_ref}或位移的修正值x′_{c_ref}，与力的给定值或位移的给定值比较，得到力的偏差值e(t)＝f_ref-f′_{c_ref}，或位移的偏差值e(t)＝f_ref-f′_{c_ref}；

(3)根据偏差值e(t)，经过PID计算出液压伺服阀6的控制电流的误差补偿项i_delta。

控制器的操作界面，基于Visual C++平台，运行在上位机10上，如图4所示，包括显示模块、CAN通信模块、参数给定模块以及波形给定模块。显示模块包括传感器数据显示模块、阀电压显示模块及给定值显示模块；CAN通信模块包括向控制器发送命令模块、接受控制器发来的状态信息模块；参数给定模块包括模式选择模块、PID参数给定模块、大小腔流量系数给定模块及卡尔曼滤波参数给定模块。波形给定模块包括模式选择模块、波形选择模块和波形参数给定模块。

本发明通过力传感器或位移传感器读出液压缸受到的力或活塞移动位移，并与给定值进行比较，结合液压缸无杆腔压力传感器采集的数据，经处理运算后，由控制器对液压伺服阀进行控制，实现液压缸相应的运动。控制器5测得的液压缸数据信息可以通过CAN总线发送给上位机10。