一種柱塞泵變量機構控制回路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柱塞泵變量機構控制回路，包括變量活塞、反向彈簧部件、定量泵、高速開關閥、壓力傳感器、位移傳感器和控制器等部分。采用錯位式PMW控制策略對N個二位二通高速開關閥控制并結合活塞式蓄能器實現(xiàn)定量泵出口壓力高響應高精度要求；其壓力命令值由變量活塞高壓腔壓力決定，確保高速開關閥兩端壓差精度，實現(xiàn)在減少定量泵功率損失基礎上提高變量活塞位置控制精度及其精度穩(wěn)定性；變量活塞位置控制通過兩個二位三通高速開關閥實現(xiàn)，并引入50%基準占空比實現(xiàn)控制對稱性；采用反向彈簧部件不僅消除柱塞運動產生的慣性力矩對斜盤穩(wěn)定性影響，并引入了力的負反饋，減小高速開關閥控下的變量活塞位置控制顫振幅值。
【專利說明】一種柱塞泵變量機構控制回路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柱塞泵變量機構控制回路，屬于數(shù)字式電液控制領域，具體來講是一種利用高速開關閥根據柱塞泵變量機構負載要求實時控制定量泵出口壓力，并且利用高速開關閥控制變量機構位置的一種控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]電液控制系統(tǒng)有容積控制和節(jié)流(閥控)控制兩大類，傳統(tǒng)觀點是，容積控制技術主要用于大功率、動態(tài)響應要求低的場合，在動態(tài)響應要求高的中小功率系統(tǒng)采用節(jié)流控制技術。但閥控系統(tǒng)存在大的節(jié)流損失，能量效率低等問題，為根本上解決上述問題，理想途徑是采用直接泵控技術。因此如何提高變量柱塞泵的響應速度與控制精度已成為電液控制技術的發(fā)展方向。
[0003]隨著對柱塞泵控制研究的深入，發(fā)現(xiàn)影響變量柱塞泵的響應速度關鍵影響因素為控制閥的通流能力與響應速度。傳統(tǒng)比例柱塞泵采用定壓先導泵供油，利用比例閥/伺服閥對變量機構進行控制，響應速度已經可以達到25Hz，已有專利技術[CN2578556Y]。但其價格昂貴，對油液清潔度要求較高，并且先導部分本身也為節(jié)流控制，隨著對變量泵響應速度要求的提高，先導泵排量也隨之加大，其定壓式先導泵控制模式的功率損失將進一步加大。
[0004]相比與比例閥和伺服閥，高速開關閥具有價格便宜，較強的抗污染能力，并且響應速度遠高于前兩者。高速開關閥在閥口全開和全閉的時其節(jié)流損失較小，其節(jié)流損失主要存在于閥口開啟和關閉的過程。隨著高速開關閥響應速度的加快，其開啟和關閉過程所占比例已經非常小，因此這兩個過程所產生的節(jié)流損失也較小。目前日本日立公司發(fā)展了利用定量泵結合兩個二位二通高速開關閥控制差動變量活塞方式，本
【發(fā)明者】將這一原理應用于EX-200挖掘機系統(tǒng)上。但由于柱塞泵變量機構負載的特殊性，即在柱塞泵轉速固定時，柱塞泵的變量活塞上所需控制力與主泵出口壓力和變量活塞的位移相關，傳統(tǒng)采用定壓先導泵控制方式，容易導致在主泵出口壓力不同，變量活塞位置不同時響應速度不同，這將影響柱塞泵出口流量的精度與精度的穩(wěn)定性；另一方面在小排量柱塞泵上滑靴副運動產生的慣性力矩較小，但隨著柱塞泵排量加大，滑靴副慣性運動產生的慣性力矩加大，單純的采用變量活塞控制斜盤方式的穩(wěn)定性將受到影響，針對該問題美國密蘇里大學提出采用柱塞腔安裝彈簧方式提高其穩(wěn)定性，但由于柱塞高頻的來回運動，其彈簧容易導致疲勞受損。
[0005]與比例閥和伺服閥控制特性相比，高速開關閥控制的另一特點是其傳統(tǒng)的高閥控回路其顫振幅值較大，由于變量機構的響應特性直接影響到柱塞泵的響應特性，因此該顫振幅值應盡量減小。為減小該幅值，一種方式是通過提高PWM控制頻率，但這將縮短高速開關閥的壽命，并且受到高速開關閥本身響應特性的限制，因此其控制頻率目前都控制在50Hz左右，導致其壓力控制精度將受到限制；另外一種方式是采用蓄能器吸振，已有相應專利技術如[CN 102155476 A]。其為達到減小顫振幅值的效果需要加大蓄能器的體積，但蓄能器體積加大會影響壓力的響應速度，導致該控制回路的響應速度變慢，同時有些場合對蓄能器體積有嚴格要求，如在航空航天等一些對體積質量要求較高的場合并不適用。

【發(fā)明內容】

[0006]鑒于現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種柱塞泵變量機構控制回路。
[0007]本發(fā)明的技術方案在于:
一種柱塞泵變量機構控制回路，包含柱塞泵主體結構、定量泵，至少一個的二位二通高速開關閥、二位三通高速開關閥，變量活塞，反向彈簧部件，壓力傳感器，位移傳感器和控制器，其特征在于，所述定量泵分三路輸出，一路經第一二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pa的驅動端管路連接，另一路經第二二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pb的驅動端管路連接，還有一路與至少一個的二位二通高速開關閥管路連接，所述定量泵與二位二通高速開關閥連接的管路上還設有活塞式蓄能器，所述定量泵的輸出端、變量活塞Pa驅動端、變量活塞Pb驅動端、柱塞泵主體結構上分別設有第一、第二、第三、第四壓力傳感器，所述變量活塞Pb驅動端上還設有一位移傳感器，所述第一、第二、第三、第四壓力傳感器及位移傳感器分別與控制器的輸入端電路連接，所述控制器的輸出端分別與各閥的驅動端電路連接。
[0008]其中，所述二位二通高速開關閥為N個，且N〈5。
[0009]所述的第一壓力傳感器的反饋信號與命令值；^形成壓力誤差信號，控制器將該誤差信號分成N等分并且同時產生延時時間&，其中& =為一個PWM控制周期，每個高速開關閥響應(《/^0誤差信號，并且位于兩二位三通高速開關閥之間的第一個高速開關閥控制信號無延時時 間，沿管路輸液方向依次設置的第二個高速開關閥控制信號延時V第個高速開關閥控制信號延時時間為
[0010]所述定量泵出口壓力爲由變量活塞兩腔壓力的高壓腔決定，并且Fs=P + P通r其中JW代表高速開關閥閥口壓降設定值,P輔<
[0011]所述變量活塞上設置反向彈簧部件，所述反向彈簧部件產生的彈簧力與變量活塞的位移y成反比關系，并且其彈簧力大于因主泵旋轉滑靴副產生的慣性力矩對變量活塞的作用力。
[0012]所述變量活塞的位移7通過第一、第二二位三通高速開關閥控制，其控制信號包含一個基準占空比信號2*? =OjS,并且第一二位三通高速開關閥占空比為及，第二二位三通高速開關閥占空比為(1-巧。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明能根據變量活塞所受負載工況高精度實時調整定量泵出口壓力，減少先導泵功率損失，并且變量活塞位置控制響應快，精度高，同時其精度保持性好，能在不同主泵出口壓力與轉速下，保證變量活塞在不同位置上的穩(wěn)定性，避免斜盤控制側隙現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明總系統(tǒng)液壓回路與控制回路示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明錯位式PWM控制策略壓力控制示意圖。
[0016]圖3是當況=2時采用錯位式PWM控制與采用一般PWM控制的壓力響應對比曲線圖。[0017]圖4是位置壓力復合控制與先導泵出口壓力恒定控制兩種控制下的變量活塞位移響應曲線。
[0018]圖5是位置壓力復合控制與先導泵出口壓力恒定控制兩種控制下的定量泵出口壓力。
[0019]圖6是本發(fā)明變量機構與反向彈簧部件示意圖。
[0020]圖7是本發(fā)明高速開關閥控變量活塞位置控制示意圖。
[0021]圖中:1、定量泵，2、第一壓力傳感器，3、第一二位三通高速開關閥，4、控制器，5、變量活塞，6、第二壓力傳感器，7、第三壓力傳感器，8、位移傳感器，9、第四壓力傳感器，10、第二二位三通高速開關閥，11、柱塞泵主體結構，12、反向彈簧部件，13、第一二位二通高速開關閥，14、第二二位二通高速開關閥，15、活塞式蓄能器。
【具體實施方式】
[0022]為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
[0023]參考圖1至圖7，本發(fā)明涉及一種柱塞泵變量機構控制回路，包含柱塞泵主體結構、定量泵，至少一個的二位二通高速開關閥、二位三通高速開關閥，變量活塞，反向彈簧部件，壓力傳感器，位移傳感器和控制器，所述定量泵分三路輸出，一路經第一二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pa的驅動端管路連接，另一路經第二二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pb的驅動 端管路連接，還有一路與至少一個的二位二通高速開關閥管路連接，所述定量泵與二位二通高速開關閥連接的管路上還設有活塞式蓄能器，所述定量泵的輸出端、變量活塞Pa驅動端、變量活塞Pb驅動端、柱塞泵主體結構上分別設有第一、第二、第三、第四壓力傳感器，所述變量活塞Pb驅動端上還設有一位移傳感器，所述第一、第二、第三、第四壓力傳感器及位移傳感器分別與控制器的輸入端電路連接，所述控制器的輸出端分別與各閥的驅動端電路連接。
[0024]上述二位二通高速開關閥為N個，且N〈5。
[0025]上述的第一壓力傳感器的反饋信號與命令值*!形成壓力誤差信號，控制器將該誤差信號分成N等分并且同時產生延時時間&其中& =為一個PWM控制周期，每個高速開關閥響應誤差信號，并且位于兩二位三通高速開關閥之間的第一個高速開關閥控制信號無延時時間，沿管路輸液方向依次設置的第二個高速開關閥控制信號延時&，第JV個高速開關閥控制信號延時時間為通過該控制可在不加大PWM控制控制頻率的基礎上細化控制周期，并且由于多個高速開關閥間的延時作用，使其控制效果為多個顫振波形的錯位疊加，其總的顫振幅值將顯著減少，并且由于活塞式蓄能器體積較小，因此其壓力響應速度快(參閱圖3)。
[0026]上述定量泵出口壓力A由變量活塞兩腔壓力的高壓決定，并且Ps=P + iW，其中代表高速開關閥閥口壓降設定值，OAffiicPemt<由于變量活塞的負載為近似彈性負載，若采用定量泵(I)出口壓力恒定控制將導致在負載較小時高速開關閥兩端壓差過大，顫振信號加大，而通過該策略可減少高速開關閥因兩端壓差不同對其通流能力的非線性影響，從而提高了高速開關閥控變量活塞的精度及其穩(wěn)定性參(參閱圖4)。同時由于定量泵(I)功率P = /*及，由于其泵出口壓力可以隨著負載需要變化，相對恒出口壓，其功率損失顯著減少(參閱圖5 )。
[0027]變量柱塞泵工作過程，其斜盤受到的主要負載為柱塞腔壓力對斜盤的作用力矩Μ,以及滑靴副運動產生的慣性力矩Afa兩個力矩方向相反，并且&與變量活塞運動的位置無關與變量活塞運動的位置y成反比關系。由于斜盤所受力矩^^可能出現(xiàn)斜盤所受力矩方向改變問題，因此將出現(xiàn)斜盤控制側隙的問題，其將引起斜盤振動與變量活塞控制不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此引入反向彈簧，參看圖6，反向彈簧部件產生的彈簧力與變量活塞的位移成反比關系，并且其彈簧力大于因主泵旋轉滑靴副產生的慣性力矩對變量活塞的作用力。通過引入該彈簧力，可保證變量活塞所受到的斜盤負載方向只與變量活塞活塞的位移的正負相關，提高了變量活塞控制的穩(wěn)定性，并且該反向彈簧的彈簧力可對高速開關閥控變量活塞時的壓力脈動引入負反饋，因此可進一步減少其控制的壓力脈動幅值，從而進一步提高變量活塞位置控制精度。
[0028]參看圖7，上述變量活塞的位移y通過第一、第二二位三通高速開關閥控制，其控制信號包含一個基準占空比信號Ita =OJS,并且第一二位三通高速開關閥占空比為H，第二二位三通高速開關閥占空比為(1-B)。通過引入基準占空比信號，保證兩個高速開關閥對變量機構控制的對稱性。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的 涵蓋范圍。
【權利要求】
1.一種柱塞泵變量機構控制回路，包含柱塞泵主體結構、定量泵，至少一個的二位二通高速開關閥、二位三通高速開關閥，變量活塞，反向彈簧部件，壓力傳感器，位移傳感器和控制器，其特征在于，所述定量泵分三路輸出，一路經第一二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pa的驅動端管路連接，另一路經第二二位三通高速開關閥與變量活塞的壓力為Pb的驅動端管路連接，還有一路與至少一個的二位二通高速開關閥管路連接，所述定量泵與二位二通高速開關閥連接的管路上還設有活塞式蓄能器，所述定量泵的輸出端、變量活塞Pa驅動端、變量活塞Pb驅動端、柱塞泵主體結構上分別設有第一、第二、第三、第四壓力傳感器，所述變量活塞Pb驅動端上還設有一位移傳感器，所述第一、第二、第三、第四壓力傳感器及位移傳感器分別與控制器的輸入端電路連接，所述控制器的輸出端分別與各閥的驅動端電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種柱塞泵變量機構控制回路，其特征在于:所述二位二通高速開關閥為N個，且N〈5。
3.根據權利要求2所述的一種柱塞泵變量機構控制回路，其特征在于:所述的第一壓力傳感器的反饋信號與命令值!I形成壓力誤差信號，控制器將該誤差信號分成N等分并且同時產生延時時間&，其中V=iJWf/Λ?, --為一個PWM控制周期，每個高速開關閥響應(?/!O誤差信號，并且位于兩二位三通高速開關閥之間的第一個高速開關閥控制信號無延時時間，沿管路輸液方向依次設置的第二個高速開關閥控制信號延時&，第況個高速開關閥控制信號延時時間為-1)\。
4.根據權利要求1所述的一種柱塞泵變量機構控制回路，其特征在于:所述定量泵出口壓力ft由變量活塞兩腔壓力的高壓腔決定，并且，其中1^代表高速開關閥閥口壓降設定值，OMPa< Pfml < 4ΜΡα
5.根據權利要求1所述的一種柱塞泵變量機構控制回路，其特征在于:所述變量活塞上設置反向彈簧部件，所述反向彈簧部件產生的彈簧力與變量活塞的位移y成反比關系，并且其彈簧力大于因主泵旋轉滑靴副產生的慣性力矩對變量活塞的作用力。
6.根據權利要求5所述的一種柱塞泵變量機構控制回路，其特征在于:所述變量活塞的位移Y通過第一、第二二位三通高速開關閥控制，其控制信號包含一個基準占空比信號1^=0__5,并且第一二位三通高速開關閥占空比為公，第二二位三通高速開關閥占空比為(I U)
【文檔編號】F04B1/26GK104019006SQ201410266408
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】陳淑梅, 顏濱曲, 陳傳銘 申請人:福州大學