一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法与流程

本发明属于液压驱动节能技术领域，具体涉及一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法。

背景技术：

在实际生产过程中，大惯量负载工况是一种无可避免的工况。面对这种工况传统的大惯量负载液压驱动系统设计时首先考虑的是这种负载惯性大制动过程的平稳性差，针对这一问题，秦伟业等提出减小回转系统溢流阀调定压力的方法，这种方法虽然在一定程度上降低了大惯量负载制动过程的液压冲击，但增加了系统的溢流量与发热量，是以牺牲能耗和回转系统的工作效率为基础的；山河智能在实验过程中提出采用增大马达和换向阀的容腔容积、增大马达内泄漏来提高系统的平稳性，但这种方法调节空间非常有限，而且是以牺牲能源利用率为代价的。这两种方法虽然在一定程度上提高了制动过程的平稳性，但液压系统的能耗极大、能源利用率极低。

为了解决能量利用率低这一问题，一系列大惯量负载制动能量回收与再生的技术被提出，最简单又有效的能量回收与再利用技术就是利用蓄能器对负载制动能量进行回收与再利用，例如姜继海等提出基于能量回收再利用的节能型回转液压系统，该系统利用液压泵/马达作为回收原件，并引入液压蓄能器以存储回转制动过程中回收的能量。在回转启动阶段，液压泵/马达工作在液压马达工况，驱动负载转动；在回转制动阶段，液压泵/马达工作在液压泵工况，受惯性负载驱动向液压蓄能器泵油，实现回转动能的回收；在下次起动时，液压泵/马达再次工作在液压马达工况，液压蓄能器将前次制动时回收的能量进行释放，为液压泵/马达供油，驱动负载转动。这类技术存在的主要问题是由于蓄能器容积限制，能被回收的负载制动能量有限，回收能量效率也有待进一步提高；此外，在对制动能量进行回收与再生时难以做到对制动能量的主动控制。

目前，随着国内外液压技术的不断进步，阀控驱动系统以其响应速度快、动态特性好等优点被广泛引用，泵控直驱技术也日显优势。因此当前大惯量负载液压驱动系统方案基本都是在节流阀控开式系统或容积泵控闭式系统的基础上，利用蓄能器实现制动能量的回收与再生。但这类技术存在的主要问题仍是蓄能器容积限制，被回收的负载制动能量有限，难以做到对制动能量的主动控制。

技术实现要素：

本发明针对上述大惯量负载液压驱动以及能量再生技术存在的问题，为了有效解决大惯量负载制动不平稳及制动能量难以存储的问题，提高制动能量的回收和利用效率，实现对制动能量的高精度主动控制，提供一种结构紧凑、系统运行平稳、实现制动能量“即收即用”及“无源”主动制动的大惯量负载协同驱动及无源主动制动方法。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，用于大惯量负载的驱动工况与制动工况，该方法的实施利用大惯量负载的协同驱动及无源主动制动系统，所述系统包括容积泵控闭式子系统、进出口独立调节子系统、协同驱动控制系统和无源主动制动控制系统。

容积泵控闭式子系统包括第一伺服电机驱动单元、第一伺服电机、第一定量泵、油箱、机能选择阀、补油单向阀组、自馈能单向阀组、第一作动器、排量传感器、第一位置传感器及第一扭矩传感器；其中第一作动器通过联轴器与大惯量负载刚性连接，第一作动器的两个工作油口通过管路经过机能选择阀分别与第一定量泵的两个工作油口相连，同时两条油路间并联了补油单向阀组、自馈能单向阀组，补油单向阀组通过管路和机能选择阀的中间油口连接，油箱通过管路和机能选择阀的右位机能的中间油口连接，第一伺服电机驱动单元、第一伺服电机用于驱动第一定量泵工作，排量传感器、第一位置传感器及第一扭矩传感器安装在第一作动器上。

进出口独立调节子系统包括第二扭矩传感器、第二位置传感器、第二作动器、蓄能器、液压换向阀、电磁换向阀、b腔三位三通流量阀、a腔三位三通流量阀、液控单向阀、第二伺服电机驱动单元、第二伺服电机及第二定量泵；其中第二定量泵的工作油口通过管路经过液控单向阀分成三条油路，其中两条油路分别经过a腔三位三通流量阀、b腔三位三通流量阀与第二作动器的两个工作油口相连，另外一条油路与蓄能器相连，另外一条油路还和电磁换向阀连接，电磁换向阀和液压换向阀的控制油口连接，蓄能器还通过液压换向阀连接到a腔三位三通流量阀，第二定量泵的工作油口还连接有第二溢流阀，第二扭矩传感器、第二位置传感器安装在第二作动器上，第二伺服电机驱动单元、第二伺服电机用于驱动第二定量泵工作，第二作动器通过联轴器与大惯量负载刚性连接。

自馈能单向阀组通过管路和自馈能控制阀的一油口连接，自馈能控制阀的另一油口和a腔三位三通流量阀连接，第二溢流阀的控制油口和自馈能单向阀组的另一油口连接。

协同驱动控制系统包括传感器信号处理装置、伺服电机转速控制器、流量伺服控制器、位置反馈信号微分器及压力伺服控制器；无源主动制动控制系统包括传感器信号处理装置、排量控制器、排量指令规划器、速度伺服控制器、制动力矩控制器及位置反馈信号微分器。

容积泵控闭式子系统与进出口独立调节子系统的作动器分别与大惯量负载的两端进行刚性连接，两个子系统的各个传感器分别与控制系统中对应的各个传感器信号处理装置连接，控制系统中的各个控制器将生成的控制指令分别作用到两个子系统的被控元件上，自馈能量阀的两个阀口分别和容积泵控闭式子系统与进出口独立调节子系统连接使其构成一个完整的液压回路系统。

大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法：在驱动工况，容积泵控闭式子系统的第一作动器工作在马达模式，伺服电机转速控制器根据给定的负载速度参考指令和位置传感器、位置反馈信号微分器生成的实际的速度指令信号控制第一伺服电机的转速，从而使容积泵控闭式子系统第一作动器输出的速度与给定的负载速度保持一致，流量伺服控制器根据给定的负载位置参考指令和第二位置传感器生成的第二作动器实际的位置指令信号控制a腔三位三通流量阀的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统第二作动器a腔流量的控制，压力伺服控制器根据两个子系统作动器输出的扭矩差控制b腔三位三通流量阀的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统第二作动器b腔压力的控制，从而使两个子系统作动器输出的扭矩差为零，防止两个子系统因驱动不一致，而产生干涉，控制两个子系统使其两个作动器输出功率保持一致即可做到对大惯量负载的协同驱动；协同驱动方式可有效改善驱动系统刚度、提升其负载驱动能力；

在制动工况，容积泵控闭式子系统的第一作动器工作在泵模式，机能选择阀切换至右位机能，第一定量泵工作在短路卸荷状态，自馈能控制阀处于接通状态，进出口独立调节子系统的第二定量泵处于卸荷状态，由于惯性作用，容积泵控闭式子系统将负载制动能量转换成液压能供给进出口独立调节子系统用于刹车制动，大惯量负载驱动容积泵控闭式子系统的第一作动器从油箱吸油，将负载制动能量转换成液压能供给进出口独立调节子系统使用，负载制动能量转化成的液压能流经补油单向阀组、自馈能单向阀组、a腔三位三通流量阀流入第二作动器的a腔，b腔的压力油经过b腔三位三通流量阀流回油箱，在此过程中若制动轨迹长则泵的排量大、油液压力低，若制动轨迹短则泵的排量小、油液压力高，排量指令规划器对给定的刹车轨迹进行运算生成容积泵控闭式子系统第一作动器的排量参考指令，排量控制器根据排量指令规划器生成的排量参考指令和排量传感器生成的第一作动器实际排量反馈信号控制第一作动器的排量，速度伺服控制器根据给定的刹车速度指令和第二位置传感器、位置反馈信号微分器计算生成的第二作动器实际的刹车速度指令信号控制a腔三位三通流量阀的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器a腔流量的控制，从而实现对实际刹车速度的控制，制动力矩控制器根据给定的刹车制动力矩指令和第二扭矩传感器计算生成的第二作动器实际的制动力矩信号控制b腔三位三通流量阀的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器b腔压力的控制，从而实现对实际刹车制动力矩的控制，协调两个子系统的功能将制动能转换液压能并实现对液压能的主动控制，从而实现基于负载制动能量的自馈能无源主动刹车制动，同时多余的液压能可以流入蓄能器加以储存，在大惯量负载的下一工作循环启动阶段释放，实现对制动能量的多元使用，提高了制动能量的回收和利用效率，同时也提高了系统整体的稳定性。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，容积泵控闭式子系统的第一作动器采用可四象限工作且排量可调的泵/马达元件，进出口独立调节子系统的第二作动器采用液压马达元件，用于大惯量负载回转工况。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，进出口独立调节子系统的流量阀可优选为三位三通伺服流量阀或三位三通比例流量阀。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，容积泵控闭式子系统的第一定量泵采用双向定量泵。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，容积泵控闭式子系统中还包括补油泵、溢流阀，补油泵和第一定量泵刚性连接，补油泵的出油口和机能选择阀左位机能中间油口连接，补油泵的出油口上还连接有溢流阀。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，第一作动器的两条油路间还并联有溢流阀组。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，第二作动器两条油路间并联了安全保护阀组。

上述的一种大惯量负载的协同驱动及无源主动制动方法，进出口独立调节子系统还包括第一溢流阀，第一溢流阀和蓄能器连接。在制动工况，若蓄能器能量蓄满后，可通过第一溢流阀排出液压油。

本发明与背景技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明以“即收即用”的方式对制动能量进行主动控制与利用，实现了无源主动制动，不仅解决了传统基于蓄能器的液压节能技术回收能量总量有限的问题，还改善刹车制动品质以及制动的平稳性。

2）本发明充分运用了容积泵控伺服技术能量效率高和节流阀控伺服技术可控性强的优点，实现了负载协同驱动，增强了负载驱动能力，特别适用于大惯量负载驱动工况。

3）本发明在制动工况下，可利用作动器排量调节改善能量回收效率；在进出口独立调节子系统中设置蓄能器辅助能量回收单元，实现了对制动能量的多元利用，最大限度的提升系统能效。

4）本发明实施方案灵活，不仅适用于大惯量负载回转工况，也适用于大惯量负载直线工况（作动器采用液压缸元件）。

5）本发明适用场合广泛，对液压挖掘机、液压铲车、液压重型起重机、矿用提升机、大型雷达天线驱动等多领域液压装备具有理论指导意义和技术参考价值。

附图说明

图1是在驱动工况下，本发明大惯量负载的协同驱动系统结构示意图。

图2是在制动工况下，本发明大惯量负载的无源主动制动系统结构示意图。

图中，1-第一伺服电机驱动单元，2-第一伺服电机，3-第一定量泵，4-补油泵，5-溢流阀，6-油箱，7-机能选择阀，8-补油单向阀组，9-自馈能单向阀组，10-溢流阀组，11-第一作动器，12-第一位置传感器，13-第一扭矩传感器，14-大惯量负载，15-第二扭矩传感器，16-第二位置传感器，17-第二作动器，18-安全保护阀组，19-第一溢流阀，20-蓄能器，21-液压换向阀，22-电磁换向阀，23-b腔三位三通流量阀，24-a腔三位三通流量阀，25-液控单向阀，26-第二伺服电机驱动单元，27-第二伺服电机，28-第二定量泵，29-第二溢流阀，30-单向阀，31-自馈能量控制阀，32-伺服电机转速控制器，33-流量伺服控制器，34-位置反馈信号微分器，35-压力伺服控制器，36-排量控制器，37-排量指令规划器，38-速度伺服控制器，39-制动力矩控制器，40-位置反馈信号微分器，41-排量传感器。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2以大惯量负载顺时针回转工况为例对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1、图2所示，本实施例中的容积泵控闭式子系统是由第一伺服电机驱动单元1、第一伺服电机2、第一定量泵3、补油泵4、溢流阀5、油箱6、机能选择阀7、补油单向阀组8、自馈能单向阀组9、溢流阀组10、第一作动器11（排量可调泵/马达）、第一位置传感器12、第一扭矩传感器13和排量传感器41构成，其中第一作动器（排量可调泵/马达）11通过联轴器与大惯量负载14刚性连接，第一作动器11（排量可调泵/马达）的两个工作油口通过管路经过机能选择阀7分别与第一定量泵3的两个工作油口相连，同时两条油路间并联了补油单向阀组8、自馈能单向阀组9、溢流阀组10，补油单向阀组8通过管路经过机能选择阀7与补油泵4的工作油口相连；所述的进出口独立调节子系统由第二扭矩传感器15、第二位置传感器16、第二作动器17（液压马达）、安全保护阀组18、第一溢流阀19，蓄能器20、液压换向阀21、电磁换向阀22、b腔三位三通流量阀23、a腔三位三通流量阀24、液控单向阀25、第二伺服电机驱动单元26、第二伺服电机27、第二定量泵28和第二溢流阀29构成，其中第二定量泵28的工作油口通过管路经过液控单向阀25分成三条油路，左边两条油路分别经过a腔三位三通流量阀24、b腔三位三通流量阀23与第二作动器17（液压马达）的两个工作油口相连，同时两条油路间并联了安全保护阀组18，另外一条油路与蓄能器20相连，第二作动器17（液压马达）通过联轴器与大惯量负载14刚性连接；所述的协同驱动控制系统由传感器信号处理装置、伺服电机转速控制器32、流量伺服控制器33、位置反馈信号微分器34和压力伺服控制器35构成；所述的无源主动制动控制系统由传感器信号处理装置、排量控制器36、排量指令规划器37、速度伺服控制器38、制动力矩控制器39和位置反馈信号微分器40构成；其中两个子系统的各个传感器分别与控制系统中对应的各个传感器信号处理装置连接，控制系统中的各个控制器将生成的控制指令分别作用到两个子系统的被控元件上，二位二通自馈能量阀31的两个阀口分别和容积泵控子系统、进出口独立调节子系统连接使其构成一个完整的液压回路系统。

大惯量负载顺时针回转驱动工况结合附图1，即本发明大惯量负载的协同驱动具体实施方式：

驱动工况，容积泵控闭式子系统的第一作动器11（排量可调泵/马达）工作在液压马达模式，机能选择阀7处于左位机能（此时补油单向阀组8和补油泵4连接），自馈能量控制阀31处于断开状态，电磁换向阀22得电，液压换向阀21处于接通状态（此时蓄能器20中存储的液压油可通过液压换向阀21、a腔三位三通流量阀24进入第二作动器17的a腔），a腔三位三通流量阀24处于右位机能，b腔三位三通流量阀23处于左位机能。利用第一位置传感器12和位置反馈信号微分器34计算生成第一作动器11实际的速度指令信号，伺服电机转速控制器32利用该信号和给定的负载速度参考指令信号基于一定的控制算法（比如pid）计算生成伺服电机转速控制信号，控制第一伺服电机驱动单元1，从而使容积泵控闭式子系统第一作动器11输出的实际速度与给定的负载速度保持一致；利用第二位置传感器16计算生成第二作动器实际的位置指令信号，流量伺服控制器33利用该信号和给定的负载位置参考指令信号基于一定的控制算法（比如pid）计算生成流量控制信号，控制a腔三位三通流量阀24的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器a腔流量的控制；利用第一扭矩传感器13计算生成第一作动器实际的扭矩指令信号，利用第二扭矩传感器16计算生成第二作动器实际的扭矩指令信号，压力伺服控制器35利用这两个指令信号的差值生成压力控制信号，控制b腔三位三通流量阀23的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器b腔压力的控制，从而实现对第二作动器17输出力的控制，使两个子系统作动器输出的扭矩差为零，防止两个子系统因驱动不一致，而产生干涉。控制两个子系统使其两个作动器输出功率保持一致即可做到对大惯量负载顺时针回转工况的协同驱动，协同驱动方式可有效改善驱动系统刚度、提升其负载驱动能力。

大惯量负载顺时针回转制动工况结合附图2，即本发明大惯量负载的无源主动制动具体实施方式：

制动工况，容积泵控闭式子系统的第一作动器11（排量可调泵/马达）工作在液压泵模式、机能选择阀7切换至右位机能（此时补油单向阀组8和油箱6连接）、双向定量泵3工作在短路卸荷状态，二位二通自馈能控制阀31切换至接通状态，由于压力油的作用第二溢流阀29处于接通状态，使进出口独立调节子系统的第二定量泵28处于卸荷状态，a腔三位三通流量阀24工作在右位机能，b腔三位三通流量23工作在左位机能，电磁换向阀22失电，液压换向阀21处于断开状态。由于惯性作用，大惯量负载14驱动容积泵控闭式子系统的第一作动器11从油箱6吸油，将负载制动能量转换成液压能供给进出口独立调节子系统使用，负载制动能量转化成的液压能流经补油单向阀组8、自馈能单向阀组9、a腔三位三通流量阀24流入第二作动器17的a腔，b腔的压力油经过b腔三位三通流量阀23流回油箱。在此过程中在若制动轨迹长则泵的排量大、油液压力低，若制动轨迹短则泵的排量小、油液压力高，排量指令规划器37对给定的刹车轨迹进行运算生成容积泵控闭式子系统第一作动器11的排量参考指令信号，排量控制器36利用该信号和排量传感器41生成的第一作动器11实际排量反馈信号基于一定的控制算法（比如pid）生成排量控制信号，控制第一作动器11的排量，实现对制动能量的转化；利用第二位置传感器16和位置反馈信号微分器40计算生成第二作动器17实际的刹车速度指令信号，速度伺服控制器38利用该信号和给定的刹车速度参考指令信号基于一定的控制算法（比如pid）计算生成流量控制信号，控制a腔三位三通流量阀24的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器a腔流量的控制，从而实现对实际刹车速度的控制；利用第二扭矩传感器15计算生成作动器2实际的制动力矩信号，制动力力矩控制器39利用该信号和给定的刹车制动力矩参考指令信号基于一定的控制算法（比如pid）计算生成压力控制信号，控制b腔三位三通流量阀23的阀芯位移，实现对进出口独立调节子系统作动器b腔压力的控制，从而实现对实际刹车制动力矩的控制。协调两个子系统的功能将制动能转换液压能并实现对流入进出口独立调节子系统液压能的主动控制，从而实现基于负载制动能量的自馈能无源主动刹车制动，同时多余的液压能可以流入蓄能器20加以储存，在大惯量负载顺时针回转的下一工作循环启动阶段释放，实现对制动能量的多元使用。本发明不仅实现了无源主动制动，还提高了制动能量的回收和利用效率，同时也提高了系统制动的平稳性。

上述实施例中的泵控闭式子系统的作动器采用可四象限工作且排量可调的泵/马达，进出口独立调节子系统的作动器采用液压马达。

上述实施例中的进出口独立调节子系统的流量阀可优选为三位三通伺服流量阀或三位三通比例流量阀。

如图所示补油单向阀组8、自馈能单向阀组9都包括两个单向阀，补油单向阀组8中两个单向阀连接形成的管路中液压油的流量是从管路中间向两端流，故补油单向阀组8的中部和机能选择阀7的中间油口连接，自馈能单向阀组9中两个单向阀连接形成的管路中液压油的流量是从管路两端向中间流，故自馈能单向阀组9的中部和自馈能控制阀31的油口连接。