本發(fā)明涉及液壓伺服機構(gòu)，尤其涉及一種基于電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)及工作方法。

背景技術(shù)：

液壓伺服機構(gòu)屬于位置伺服控制系統(tǒng)的一種，廣泛應用于機械工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域中，需要大功率、大輸出力、大輸出力矩、調(diào)速范圍較寬的場合。具有功率大、無極變速、響應快等優(yōu)點。

一般的液壓伺服機構(gòu)包括液壓能源、作動(液壓缸或液壓馬達)、位置檢測等幾大部分，存在著結(jié)構(gòu)復雜、體積大、效率低、易泄露等問題，在對體積重量、效率等要求嚴格的場合的應用受到極大限制。

目前的液壓伺服機構(gòu)，除了個別只需簡單作動的機構(gòu)使用泵控缸方案，一般使用閥控缸，以期獲得更好的可控性，其液壓能源一般使用恒壓變量泵或者定量泵，恒壓變量泵的缺點在于成本高、體積較大、壽命較短，定量泵的缺點在于壓力不能調(diào)節(jié)，只能使用溢流閥、調(diào)壓閥等附加閥件實現(xiàn)，導致效率低；同時，由于系統(tǒng)壓力較高，容易造成液壓油滲漏，導致對環(huán)境的污染，這些缺點限制了常規(guī)的液壓伺服機構(gòu)在對空間重量、效率要求嚴格的場合的應用。

因此迫切需要有效降低液壓伺服機構(gòu)的系統(tǒng)能耗及整體體積、重量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種基于電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)及工作方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

基于本發(fā)明實施例的一個方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)，包括控制器、油濾、位置傳感器、無刷直流電動機、定量泵、增壓活塞、伺服閥和油缸；

其中，控制器分別與位置傳感器和伺服閥連接，位置傳感器與油缸活塞桿連接，控制器中電機驅(qū)動電路與無刷直流電動機相連，電機與定量泵機械連接，油濾安裝在定量泵輸出口，增壓活塞與低壓油路連接，伺服閥與油缸組成閥控缸系統(tǒng)。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，閥控缸系統(tǒng)中，壓力油經(jīng)所述伺服閥的輸出口進入油缸，推動油缸活塞桿作直線位移。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，位置傳感器與所述油缸活塞桿相連，獲取油缸活塞桿的位置信號，傳輸給所述控制器。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，還包括溢流閥，所述溢流閥用于當系統(tǒng)壓力升高至超過設計值時使多余流量回流至低壓油路，具體包括端蓋、O型圈、閥體、錐閥、彈簧、螺堵。

基于本發(fā)明實施例的另一個方面，本發(fā)明實施例提供了一種電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)的工作方法，包括以下步驟：

S1、對伺服機構(gòu)進行系統(tǒng)初始化；

S2、控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞桿的當前位置信號的差值轉(zhuǎn)換為伺服閥控制電流，控制伺服閥工作；同時控制器根據(jù)誤差信號，控制電機轉(zhuǎn)速，進一步控制定量泵輸出流量變化，從而調(diào)整系統(tǒng)壓力；驅(qū)動油缸活塞桿；

S3、向控制器輸入新的目標位置信號，所述控制器根據(jù)新的目標位置信號和位置傳感器油缸活塞桿的位置信號的差值，再次控制伺服閥和電機驅(qū)動油缸活塞桿；

S4、循環(huán)執(zhí)行上述步驟S2到S3，使油缸活塞桿往復運動。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，步驟S2進一步包括：

S21、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值控制伺服閥與電機驅(qū)動油缸活塞桿加快運動速度快速接近所述目標位置；

S22、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與電機驅(qū)動油缸活塞桿減速直至穩(wěn)定在所述目標位置。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，步驟S3進一步包括：

S31、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與新的目標位置的差值控制伺服閥與電機驅(qū)動油缸活塞桿加快運動速度快速接近所述新的目標位置；

S32、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與新的目標位置的差值進一步控制伺服閥與電機驅(qū)動油缸活塞桿減速直至穩(wěn)定在所述新的目標位置。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，步驟S21進一步包括：

S211、所述控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量加大，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸活塞桿運動；

S212、所述控制器根據(jù)內(nèi)嵌的控制策略，驅(qū)動電機提高轉(zhuǎn)速，定量泵輸出流量加大，提高系統(tǒng)壓力，使所述油缸活塞桿位置快速接近目標位置。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，步驟S22進一步包括：

S221、所述控制器輸出的伺服閥控制伺服閥作動，輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩(wěn)定在目標位置；

S222、所述控制器內(nèi)嵌的控制策略控制電機降低轉(zhuǎn)速，定量泵輸出流量下降，系統(tǒng)壓力隨之下降，直至可以維持油缸活塞桿靜止；

S223、所述控制器內(nèi)嵌的控制策略控制電機轉(zhuǎn)速維持在一定數(shù)值，使定量泵輸出流量等于伺服閥內(nèi)漏流量。

在基于本發(fā)明的另一個實施例中，還包括：

當所述控制器驅(qū)動所述電機以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，所述定量泵輸出流量達到最大值，油缸作動需要之外的多余流量，使系統(tǒng)壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多余流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統(tǒng)壓力回落、維持在設計值。

本發(fā)明有益效果如下：

1.減少滲漏:根據(jù)油缸所受外力，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，使伺服機構(gòu)工作時，長時間處于低壓工作狀態(tài)，有利于減少滲漏。

2.降低功耗:較低的系統(tǒng)壓力可以直接降低伺服機構(gòu)的功耗。

3.降低成本:常規(guī)伺服機構(gòu)中需要昂貴的液壓器件實現(xiàn)的功能，使用比較廉價的電子元器件組成、內(nèi)嵌軟件的控制器實現(xiàn)，可以降低成本。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。圖1為一種電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)伺服機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為溢流閥組成示意圖；

圖3為一種電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)伺服機構(gòu)的工作方法流程圖。

附圖標記：

101-控制器、102-油濾、103-位置傳感器、104-無刷直流電動機、105-定量泵、106-溢流閥、107-增壓活塞、108-伺服閥、109-油缸；

201-端蓋、202-O型圈、203-閥芯、204-O型圈、205-閥體、206-錐閥、207-彈簧、208-螺堵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施例，公開了一種基于電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)，包括控制器、油濾、位置傳感器、無刷直流電動機、定量泵、溢流閥、增壓活塞、伺服閥和油缸；

其中，控制器分別與位置傳感器和伺服閥連接，位置傳感器與油缸活塞桿連接，控制器中電機驅(qū)動電路與無刷直流電動機相連，電機與定量泵機械連接，油濾安裝在定量泵輸出口，溢流閥安裝在油道靠近定量泵輸出口位置，增壓活塞與低壓油路連接，伺服閥與油缸組成了一個閥控缸系統(tǒng)，在閥控缸系統(tǒng)中，壓力油經(jīng)伺服閥閥套開口處進入所述油缸,油壓推動所述油缸活塞作直線位移。

具體地，其中伺服閥為三位四通型伺服閥，油缸為雙向?qū)ΨQ油缸，伺服閥的A、B輸出口分別與油缸兩端相連。

溢流閥，如圖2所示，包括端蓋、O型圈、閥體、錐閥、彈簧、螺堵，通過旋轉(zhuǎn)螺堵，調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量，設置預置的泄流壓力。溢流閥的設計最大泄流量略低于定量泵最大輸出流量。當系統(tǒng)壓力過高，溢流閥開啟，高壓油泄露到低壓油路；反之關(guān)斷。具體地，當A腔壓力大于額定系統(tǒng)壓力Ps時，溢流閥打開，液壓油泄露至B腔，系統(tǒng)壓力下降至低于Ps后，溢流閥關(guān)斷。

定量泵可承受壓力為設計額定系統(tǒng)壓力1.5倍以上，確保在系統(tǒng)壓力突然升高而溢流閥尚未開啟時，定量泵的結(jié)構(gòu)不會因為沖擊而出現(xiàn)破損。

其中，油濾安裝在定量泵輸出口，用于避免多余物進入高壓油路；

其中，增壓活塞與低壓油路連接，通過彈簧預壓緊力，使低壓油路產(chǎn)生一定的壓力，滿足定量泵吸油要求；

伺服閥的額定工作壓力Ps_N等于額定系統(tǒng)壓力。同時，本方案必須獲取伺服閥可靠工作壓力Ps₁的參數(shù)，作為系統(tǒng)最低壓力設計值。

伺服閥與油缸組成了一個閥控缸系統(tǒng)，具體地，其中伺服閥為三位四通型伺服閥，油缸為雙向?qū)ΨQ油缸，伺服閥的A、B輸出口分別與油缸兩端相連，伺服機構(gòu)為位置閉環(huán)反饋系統(tǒng)，工作步驟如下：

S1、對伺服機構(gòu)進行系統(tǒng)初始化。

S2、控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞桿的當前位置信號的差值轉(zhuǎn)換為伺服閥控制電流，控制伺服閥工作；同時控制器根據(jù)誤差信號，控制電機轉(zhuǎn)速，進一步控制定量泵輸出流量變化，從而調(diào)整系統(tǒng)壓力；驅(qū)動油缸活塞桿。

進一步，控制器將接收到的外界提供的目標位置指令信號和位置傳感器獲取的油缸活塞桿的當前位置信號的差值在轉(zhuǎn)換之前先放大。

具體地，采用經(jīng)典PID算法，計算出電機控制用PWM信號占空比，電機驅(qū)動電路根據(jù)PWM信號占空比驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；電機轉(zhuǎn)速改變控制定量泵輸出流量變化，從而調(diào)整系統(tǒng)壓力；具體地，電機轉(zhuǎn)速的改變，使定量泵輸出流量變化，從而使系統(tǒng)壓力升高或者降低，為閥控缸提供液壓能源。

S21、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值控制伺服閥與控制電機驅(qū)動油缸活塞桿加快運動速度快速接近目標位置。

以伺服閥為主控制油缸的作動，當目標位置信號與當前位置信號之間誤差較大，一般在超過系統(tǒng)允許位置誤差兩倍以上時，意味著油缸所受阻力較大或輸出位置距目標位置較遠，控制器內(nèi)嵌的控制策略運算輸出大的控制參數(shù)，控制器驅(qū)動電機提高轉(zhuǎn)速，定量泵輸出流量加大，提高系統(tǒng)壓力以提高油缸輸出力同時加快油缸運動速度。

當控制器驅(qū)動電機以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，定量泵輸出流量達到最大值，為閥控缸提供高壓液壓能源，油缸作動需要之外的多余流量，會使系統(tǒng)壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多余流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統(tǒng)壓力回落、維持在設計值，控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量最大，在伺服閥控制電流控制下，伺服閥工作，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸中活塞桿運動；使油缸的輸出位置快速接近目標位置；隨著活塞桿的運動，位置傳感器的輸出信號變化，作為當前位置信號傳輸至控制器；同時，活塞桿也是伺服機構(gòu)的作動零件，向外輸出力。

S22、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與控制電機驅(qū)動油缸活塞桿減速直至穩(wěn)定在目標位置。

當前位置信號接近目標位置時，兩種信號之間誤差變小，控制器輸出的伺服閥控制電流變小，直至為零，伺服閥輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩(wěn)定在目標位置，在此過程中，電機的轉(zhuǎn)速也隨之受控降低，定量泵輸出流量下降，系統(tǒng)壓力隨之下降，直至可以維持油缸靜止；此后，電機轉(zhuǎn)速維持在一定數(shù)值，使定量泵輸出流量等于伺服閥內(nèi)漏流量，此時系統(tǒng)壓力維持，油缸輸出力等于外負載，機構(gòu)可以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

例如，目標位置在油缸頂部，油缸活塞桿當前位置在油缸底部，則油缸活塞桿需要移動到油缸頂部。

S3、向控制器輸入新的目標位置信號，控制器根據(jù)目標位置指令信號和位置傳感器油缸活塞桿的位置信號的差值，再次控制伺服閥、控制電機驅(qū)動油缸活塞桿；

S31、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值控制伺服閥與控制電機驅(qū)動油缸活塞桿加快運動速度快速接近新的目標位置。

以伺服閥為主控制油缸的作動，當目標位置信號與當前位置信號之間誤差較大，一般在超過系統(tǒng)允許位置誤差兩倍以上時，意味著油缸所受阻力較大或輸出位置距目標位置較遠，控制器內(nèi)嵌的控制策略運算輸出大的控制參數(shù)，控制器驅(qū)動電機提高轉(zhuǎn)速，定量泵輸出流量加大，提高系統(tǒng)壓力以提高油缸輸出力同時加快油缸運動速度。

當控制器驅(qū)動電機以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，定量泵輸出流量達到最大值，為閥控缸提供高壓液壓能源，油缸作動需要之外的多余流量，會使系統(tǒng)壓力升高至超過設計值，溢流閥開啟，多余流量通過溢流閥回流至低壓油路，系統(tǒng)壓力回落、維持在設計值，控制器輸出的伺服閥控制電流控制伺服閥作動，輸出流量最大，在伺服閥控制電流控制下，伺服閥工作，高壓油從伺服閥的輸出口流入油缸，推動油缸中活塞桿運動；使油缸的輸出位置快速接近新的目標位置；隨著活塞桿的運動，位置傳感器的輸出信號變化，作為當前位置信號傳輸至控制器；同時，活塞桿也是伺服機構(gòu)的作動零件，向外輸出力。

S32、控制器根據(jù)油缸活塞桿的位置與目標位置的差值進一步控制伺服閥與控制電機驅(qū)動油缸活塞桿減速直至穩(wěn)定在新的目標位置。

當前位置信號接近新的目標位置時，兩種信號之間誤差變小，控制器輸出的伺服閥控制電流變小，直至為零，伺服閥輸出流量變小，直至為零，油缸的輸出速度降低，直至穩(wěn)定在新的目標位置，在此過程中，電機的轉(zhuǎn)速也隨之受控降低，定量泵輸出流量下降，系統(tǒng)壓力隨之下降，直至可以維持油缸靜止；此后，電機轉(zhuǎn)速維持在一定數(shù)值，使定量泵輸出流量等于伺服閥內(nèi)漏流量，此時系統(tǒng)壓力維持，油缸輸出力等于外負載，機構(gòu)可以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

例如，油缸活塞桿當前位置在油缸頂部，新的目標位置在油缸底部，則油缸活塞桿需要移動到油缸底部。

S4、循環(huán)執(zhí)行上述步驟S2到S3，使油缸液壓桿往復運動。

有益效果：

1)減少滲漏:根據(jù)油缸所受外力，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，使伺服機構(gòu)工作時，長時間處于低壓工作狀態(tài)，有利于減少滲漏。

2)降低功耗:較低的系統(tǒng)壓力可以直接降低伺服機構(gòu)的功耗。

3)降低成本:常規(guī)伺服機構(gòu)中需要昂貴的液壓器件實現(xiàn)的功能，使用比較廉價的電子元器件組成、內(nèi)嵌軟件的控制器實現(xiàn)，可以降低成本

綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種基于電機調(diào)速的變壓變量型液壓伺服機構(gòu)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。